【作 者】張揚(yáng) ，李勇 ，高樹(shù)枚，宋義林

黑龍江大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱，150080

0 引言

高血壓癥的早期發(fā)現(xiàn)和早期預(yù)防是降低心腦血管疾病發(fā)病率的一個(gè)重要途徑。特別是對(duì)人體一段時(shí)間內(nèi)的血壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，記錄血壓的變化趨勢(shì)，就可以獲得更多的自律神經(jīng)活動(dòng)信息，對(duì)心腦血管疾病的預(yù)防和治療具有重要意義。現(xiàn)有的水銀式血壓計(jì)和電子式血壓計(jì)，通常都只能單一地檢測(cè)血壓的最高、最低值，無(wú)法逐拍連續(xù)地監(jiān)測(cè)血壓的變化。因此，血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)是一個(gè)具有重要意義的課題。

容積補(bǔ)償法[1～2]是實(shí)現(xiàn)血壓連續(xù)檢測(cè)的一個(gè)比較成功的方法。應(yīng)用該方法時(shí)，首先需要在被測(cè)動(dòng)脈血管的皮膚上方固定一個(gè)袖帶，并對(duì)袖帶充氣加壓。由于人的動(dòng)脈血管的非線性力學(xué)特性，當(dāng)袖帶內(nèi)壓力等于動(dòng)脈血管內(nèi)血液的平均壓力時(shí)，血管壁最為柔軟，在來(lái)自心臟的動(dòng)態(tài)血流的作用下，彈性形變最大，血管內(nèi)部的容積變化也最大。這樣，以血管壁最為柔軟時(shí)的血管內(nèi)部的容積量作為控制目標(biāo)，通過(guò)調(diào)整袖帶壓力使其跟蹤血管內(nèi)部的壓力，即可通過(guò)監(jiān)測(cè)袖帶壓力的方法而間接得到血管內(nèi)部的壓力。

關(guān)于血壓的連續(xù)監(jiān)測(cè)方法與技術(shù)，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了相關(guān)的研究，也發(fā)表了相關(guān)的研究報(bào)告[3～7]。本文在課題組原有研究的基礎(chǔ)上，以容積補(bǔ)償法為理論基礎(chǔ)，以手腕處的橈骨動(dòng)脈為檢測(cè)對(duì)象，探討了基于PIC單片機(jī)運(yùn)算與控制的血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)的軟硬件實(shí)現(xiàn)，并分析了檢測(cè)結(jié)果。同時(shí)，本文還對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用化、小型化和輕量化進(jìn)行了探討。

1 容積補(bǔ)償法檢測(cè)原理

利用容積補(bǔ)償法在手腕處進(jìn)行血壓連續(xù)檢測(cè)的原理與具體方法，在文獻(xiàn)[8]中已有較為詳細(xì)的敘述，這里著重介紹袖帶壓力的控制。以0.667 kPa/s的速度對(duì)袖帶充氣加壓至26.6 kPa左右。與此同時(shí)，通過(guò)近紅外光電傳感器記錄血管內(nèi)容積的變化情況，即血管的彈性形變，并用濾波放大器分離出血管內(nèi)容積變化的直流成分和交流成分。在加壓完成后，根據(jù)血管內(nèi)容積變化交流成分的振幅最大值與袖帶壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到血管內(nèi)的平均壓力；通過(guò)血管內(nèi)容積變化交流成分的振幅最大值，確定與之對(duì)應(yīng)的血管內(nèi)容積直流成分的值，并將其設(shè)定為血壓跟隨目標(biāo)值。隨后，袖帶壓力降至平均血壓左右，并以跟隨目標(biāo)值作為PID最初的輸入?yún)?shù)，開(kāi)始血壓的連續(xù)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.1 Schematic diagram of continuous blood pressure detection system

2 血壓連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概略圖如圖2所示，其所有的操作都是圍繞袖帶展開(kāi)的。袖帶壓力傳感器可測(cè)得袖帶內(nèi)的壓力，經(jīng)過(guò)窗口放大器放大后，可得到與袖帶壓力成線性關(guān)系的電壓值。光電傳感器置于袖帶下、動(dòng)脈血管之上，其作用是檢測(cè)當(dāng)前壓力下血管的容積變化。光電傳感器得到與血管的容積變化相對(duì)應(yīng)的光通量信號(hào)，經(jīng)放大濾波后輸出為電壓值。由控制單元協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)和進(jìn)行流程控制，其主要任務(wù)如下：通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，得到實(shí)時(shí)的壓力和血管內(nèi)容積的數(shù)字信號(hào)；然后通過(guò)PID算法調(diào)整袖帶的壓力，使血管的內(nèi)容積趨近于目標(biāo)值V0，實(shí)現(xiàn)血壓的連續(xù)監(jiān)測(cè)；同時(shí)將數(shù)字信號(hào)至上位機(jī)，供存儲(chǔ)分析使用?？刂茊卧獌?nèi)置的控制程序和PID算法在后文中有詳細(xì)描述。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 System architecture diagram

2.2 局部加壓式袖帶

以上臂為檢測(cè)對(duì)象的聽(tīng)診法和以手腕為檢測(cè)對(duì)象的電子血壓計(jì)采用的全周壓迫式袖帶，在連續(xù)測(cè)量中由于持續(xù)阻止血液流通，會(huì)導(dǎo)致血管末梢部分淤血，并伴有比較嚴(yán)重的脹痛感，不適合用于容積補(bǔ)償法進(jìn)行血壓的連續(xù)檢測(cè)。為了克服上述問(wèn)題，本研究中使用了局部加壓式袖帶[8]。與全周壓迫式袖帶不同，局部加壓式袖帶只在檢測(cè)部位處加壓，其他部位的靜、動(dòng)脈可繼續(xù)暢通。

2.3 電空變換器

由于需要對(duì)袖帶壓力進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)控制，僅有開(kāi)關(guān)兩種狀態(tài)的電磁閥難以完成控制功能。為此，本系統(tǒng)中采用電空變換的是調(diào)整開(kāi)口大小的小型比例電磁閥VSO（Voltage Sensitive Orifice；美國(guó)Parker Hannifin公司生產(chǎn)），它的最高壓力為344.5 kPa，閥口直徑為1.65 mm，電流控制范圍為0.152 A～0.25 A，流量范圍為(0～20)L/min，動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率為33 Hz。該電空變換電磁閥完全吸合電壓為12 V，當(dāng)電壓從4 V增加到10 V時(shí)，該閥可由關(guān)閉狀態(tài)線性地過(guò)渡到導(dǎo)通狀態(tài)，響應(yīng)速度良好，完全滿足此種閉環(huán)控制系統(tǒng)的要求。圖3是電空變換電磁閥的壓力控制框圖，圖4是該閥的驅(qū)動(dòng)電路圖。

圖3 電空變換電磁閥壓力控制框圖Fig.3 Electro-pneumatic valve structure

圖4 電空變換電磁閥驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 Electro-pneumatic valve drive circuit

在系統(tǒng)運(yùn)行中，控制單元通過(guò)數(shù)字PID計(jì)算出控制值后，通過(guò)SPI總線將控制數(shù)據(jù)發(fā)送到TLC5615芯片（TLC5615為DA轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換精度為10 bit）。LM386為功率放大器，通過(guò)調(diào)整R26、R27阻值，可實(shí)現(xiàn)（0～12）V的線性電壓輸出。經(jīng)TLC5615轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)，通過(guò)LM386進(jìn)行功率放大后，直接輸出到電空變換電磁閥上，實(shí)現(xiàn)壓力的連續(xù)控制。

2.4 壓力放大

本系統(tǒng)使用的壓力傳感器（ADP5131，日本松下電器公司生產(chǎn)）測(cè)量范圍為(0～50)kPa，輸出值為模擬量電壓(1～5)V。由于人體的正常血壓值一般小于26.7 kPa，所以該壓力傳感器的輸出電壓僅在(1～3.1)V之間波動(dòng)。對(duì)應(yīng)于AD轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，利用率僅達(dá)到43%，影響了壓力測(cè)量的精度。因此，需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行窗口放大至(0～5)V，提高壓力的測(cè)量精度。窗口放大電路如圖5所示。

壓力傳感器的電壓信號(hào)輸入至運(yùn)算放大器LM741的正向輸入端，LM741的反向輸入端連接至電壓基準(zhǔn)TL431，并由R16構(gòu)成負(fù)反饋。通過(guò)調(diào)整R13、R16，即可調(diào)整放大窗口的下沿和放大倍數(shù)，使得輸出端PRES的電壓范圍為（0～5）V。

圖5 窗口放大電路Fig.5 Window ampli fi er circuit

2.5 血管容積信號(hào)放大

本系統(tǒng)對(duì)血管容積信號(hào)的監(jiān)測(cè)通過(guò)兩部分實(shí)現(xiàn)。首先通過(guò)恒流源驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管照射被測(cè)部分，然后使用紅外光敏二極管接收反射的紅外信號(hào)，放大后傳送給AD轉(zhuǎn)換器。由于肌肉、皮膚等組織在檢測(cè)過(guò)程中的光電特性沒(méi)有變化，因而得到的紅外信號(hào)即為血管內(nèi)容積的信號(hào)。該電路為通用的負(fù)反饋放大，此處不再贅述。

2.6 PID運(yùn)算控制

PID意為比例積分微分，是一種自適應(yīng)閉環(huán)控制。一個(gè)PID系統(tǒng)中應(yīng)包括控制器、傳感器、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)傳感器、變送器等輸入設(shè)備得到參數(shù)，經(jīng)PID運(yùn)算后，輸出值由接口和動(dòng)作機(jī)構(gòu)等作用到被控系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。PID控制可表達(dá)為：

式中：KP為比例部分，可使被控量快速趨近于目標(biāo)值；KI為積分部分，可消除穩(wěn)態(tài)誤差；KD為微分部分，用于預(yù)防被控量的超調(diào)，保持輸出穩(wěn)定。

當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握、控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)采用PID技術(shù)控制最為方便。PID可使被控量快速收斂于目標(biāo)值，現(xiàn)已成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。

本系統(tǒng)中PID控制由控制單元軟件實(shí)現(xiàn)。數(shù)字PID比傳統(tǒng)的連續(xù)PID更為靈活，可方便地修改程序，以實(shí)現(xiàn)更完善的算法，具有很好的擴(kuò)展性和優(yōu)越性。由于數(shù)字PID系統(tǒng)中的輸入量需要通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器以一定的采樣頻率轉(zhuǎn)為離散的數(shù)字量，因此式(1)中：

因此，數(shù)字式PID可表示為：

在控制單元中，該P(yáng)ID計(jì)算子函數(shù)流程圖如圖6所示。

圖6 PID計(jì)算子函數(shù)流程圖Fig.6 PID calculation subfunction fl ow chart

圖7 第一階段程序流程圖Fig.7 Program fl ow chart of the fi rst phase

由于容積補(bǔ)償法的原理在上文已有明確說(shuō)明，這里僅討論程序的運(yùn)行流程。本系統(tǒng)的程序運(yùn)行分為兩個(gè)階段。第一階段：通過(guò)容積振動(dòng)法[2]測(cè)得平均壓力及其與之對(duì)應(yīng)的控制目標(biāo)值V0，即首先對(duì)袖帶充氣，使袖帶以0.666 kPa/s的速率加壓到26.7 kPa，同時(shí)記錄血管內(nèi)容積的變化情況；然后通過(guò)觀察血管內(nèi)容積的變化曲線和壓力曲線，確定血壓平均值以及控制目標(biāo)值V0。程序流程圖如圖7所示。

第二階段：從測(cè)得的控制目標(biāo)值V0開(kāi)始連續(xù)跟蹤血管內(nèi)的容積變化，調(diào)整袖帶壓力使血管內(nèi)容積的變化趨近平緩，始終維持在V0附近；此時(shí)，袖帶壓力即為即時(shí)血壓，連續(xù)跟蹤該壓力并把計(jì)算數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，就得到了血壓連續(xù)波形。程序的流程圖如圖8所示。

圖8 第二階段程序流程圖Fig.8 Program fl ow chart of the second phase

3 連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)記錄系統(tǒng)運(yùn)行檢測(cè)裝置

本裝置設(shè)計(jì)可使用TI公司的320F28027 DSP 處理器或者M(jìn)ICROCHIP公司的PIC16/18微處理器，由于本次測(cè)試的數(shù)據(jù)處理量不大，因此本次測(cè)試中采用了PIC18F4523微控制器。該微處理器主頻40 MHz，采樣頻率為500 Hz，即 2 ms采樣一次，采樣精度為12 bit。測(cè)試系統(tǒng)照片如圖9所示。

圖9 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與測(cè)試環(huán)境Fig.9 The photo of monitoring systems and test environment

健康正常的被試者在安靜的環(huán)境下充分休息后，由固定在右手腕上的本血壓連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行血壓的連續(xù)檢測(cè)。與此同時(shí)，被試者的左手臂上用電子血壓計(jì)（OMRON，HEM-645，歐姆龍（大連）有限公司）實(shí)施血壓檢測(cè)，并將測(cè)得的每一心拍下的最高值和最低值與右手腕上的本血壓連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。參加的被試者共10名。圖10、圖11分別為一位被試者兩個(gè)階段測(cè)得的各信號(hào)的波形圖。

圖10 第一階段波形圖Fig.10 The waveform of the fi rst phase

圖11 第二階段波形圖Fig.11 The waveform of the second phase

在第一階段中可見(jiàn)，隨著壓力的遞增，血管內(nèi)的光電容積波動(dòng)部分PGac的變化呈現(xiàn)先變大后變小的趨勢(shì)。在加壓初期，外界壓力（袖帶壓）Pcm＜血管內(nèi)壓力Pam，血管內(nèi)外壓差Ptr≠0，血管形變較小，PGac的變化不明顯；隨著壓力增大，Ptr變小，PGac的變化隨之增大；當(dāng)Ptr=0時(shí)，即Pcm=Pam時(shí)，血管形變最大，PGac的變化最明顯。此時(shí)，袖帶壓力即為血管內(nèi)的平均壓（MBP），此點(diǎn)對(duì)應(yīng)于血管內(nèi)的光電容積的直流部分PGdc的值，此即為第二階段使用的目標(biāo)值V0。隨后Pcm＞Pam，血管內(nèi)外壓差Ptr≠0，PGac的變化減小；當(dāng)PGac的振幅消失時(shí)，此時(shí)袖帶壓力即為血管內(nèi)的最高壓（SBP）。此方法由于受檢測(cè)原理的限制，無(wú)法直接測(cè)到血管內(nèi)的最低血壓(DBP)。但是，考慮到容積脈搏波與血壓波形的相似性，可以間接地求出最低血壓(DBP)。在第一階段中，當(dāng)袖帶壓力增大到26.6 kPa后，停止加壓，轉(zhuǎn)入第二階段。在此加壓條件下，一般都可檢測(cè)到PGac的振幅消失點(diǎn)。在圖10中，給出了如何確定MBP和SBP的圖示。

在第二階段中，按照?qǐng)D8所示的控制流程，將血管內(nèi)容積Vt始終控制在目標(biāo)值V0的附近。由于血管中來(lái)自心臟的血液始終處于波動(dòng)的狀態(tài)，由此帶動(dòng)血管的內(nèi)容積也處于波動(dòng)的狀態(tài)。為了補(bǔ)償血管內(nèi)容積的變化，袖帶壓力必須時(shí)時(shí)跟蹤血管內(nèi)部的壓力，這樣才能使血管內(nèi)容積Vt始終在目標(biāo)值V0的附近。由此得到的袖帶壓力的波形也就是血管內(nèi)部壓力的波形，實(shí)現(xiàn)了血壓的逐拍連續(xù)測(cè)量。從圖11中的上圖可清晰地看見(jiàn)血壓的連續(xù)波形，其中呼吸對(duì)血壓的周期性影響也在連續(xù)波形的變化趨勢(shì)中有所體現(xiàn)。從圖11中的中圖PGdc和下圖PGac也可以看到，血管內(nèi)容積Vt確實(shí)被控制在V0的某個(gè)范圍之內(nèi)。

表1是利用本系統(tǒng)與電子血壓計(jì)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)時(shí)的檢測(cè)結(jié)果。從表1可見(jiàn)，兩種血壓檢測(cè)裝置的平均誤差為3.38%，處于血壓測(cè)量的正常范圍之內(nèi)。因此，本系統(tǒng)在保持較高檢測(cè)精度的前提下，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)橈動(dòng)脈壓力波形的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

表1 十次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比Tab.1 The comparison of data within ten experiments

4 結(jié)論

本文根據(jù)連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)記錄系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu)，制作了一臺(tái)樣機(jī)，并對(duì)每個(gè)部分做出了詳細(xì)說(shuō)明。初步的測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效跟蹤記錄腕部血壓，工作穩(wěn)定，測(cè)量精度較高。本工作對(duì)系統(tǒng)的實(shí)用化、小型化也做了相應(yīng)的研究：系統(tǒng)中采用的局部加壓式袖帶裝戴方便，壓力傳遞與加壓效果良好，被試者沒(méi)有感覺(jué)到較強(qiáng)的不舒適感；系統(tǒng)電路縮減在一塊PCB上，僅需要一塊12 V充電電池即可工作。當(dāng)然，要將該系統(tǒng)實(shí)用化、便攜化，還有許多工作需要完善。

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