基于MSP430的人體無創(chuàng)健康指標(biāo)測量儀設(shè)計

張夢洋　張?zhí)扉_　魏凱　樊鐳

摘 要 基于MSP430的測量儀可以同時完成人體體溫、脈搏、心跳、血壓指標(biāo)的動態(tài)測量，并配有無線報警模塊，在當(dāng)事人自身沒有能力報警或無意識情況下自動通過無線網(wǎng)絡(luò)報警給相關(guān)機(jī)構(gòu)。通過利用脈搏傳導(dǎo)時間（PTT）與血壓的線性關(guān)系計算出血壓值。提高了儀器測量指標(biāo)的綜合性和儀器本身實用性。

關(guān)鍵詞 MSP430 溫度 脈搏 心跳 血壓 無線報警

引 言

伴隨著我國老齡化日益嚴(yán)重，人體健康指標(biāo)越來越受到人們重視。及時準(zhǔn)確、動態(tài)地測量人體健康指標(biāo)，可以有效預(yù)防心腦血管疾病，對人生命安全起到保障作用。

在體溫、心跳、脈搏、血壓等健康指標(biāo)中，血壓的測量最受人們重視；2013年世界衛(wèi)生日的主題便是高血壓。在我國高血壓患者已經(jīng)突破2億，而高血壓控制率卻不足10%。高血壓會導(dǎo)致人體一系列的心腦血管疾病，數(shù)據(jù)顯示我國每年300萬例心血管患者死亡中至少一半與高血壓有關(guān)。因此人們應(yīng)該長期、有效地監(jiān)測自己的血壓，了解血壓值的標(biāo)準(zhǔn)臨界值，以降低高血壓給其患者所帶來的傷害。

本文所設(shè)計測量儀能夠同時測量體溫、心跳、脈搏、血壓等指標(biāo)。傳統(tǒng)儀器功能較單一，多僅能測量單一體征參數(shù)，同時測量人體多個指標(biāo)需多儀器，給被測者造成不便。本測量儀通過測量脈搏傳導(dǎo)時間（PTT），利用其與血壓之間的線性關(guān)系，經(jīng)過數(shù)據(jù)運(yùn)算處理求得血壓值。采用此種方法可以實現(xiàn)對溫度、心跳、脈搏，血壓同時測量。測量血壓無需袖帶加壓，在保證測量達(dá)到要求精確度的同時更加方便。

社會已經(jīng)進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)時代，社區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高，通過網(wǎng)絡(luò)通信可完成自動報警。本檢測儀可將所檢測指標(biāo)與人體健康指標(biāo)正常值進(jìn)行實時對比，當(dāng)被測者身體指標(biāo)出現(xiàn)較大變化，特別是出現(xiàn)自身無法呼救的狀況時，檢測儀上無線模塊會自動將數(shù)據(jù)通過患者所在無線網(wǎng)絡(luò)上傳給相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行報警。自動檢測、及時報警能夠提高被測者得到救治速度，具有一定現(xiàn)實意義。

1 測量儀總體設(shè)計

健康指標(biāo)測量儀主要由MSP430F149單片機(jī)、溫度測量、心電測量、脈搏測量、上位機(jī)通信等模塊組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

設(shè)計思路：首先系統(tǒng)分別通過溫度測量模塊、心電測量模塊和脈搏測量模塊將所測信號經(jīng)過信號調(diào)理后傳給單片機(jī)MSP430F149的A/D轉(zhuǎn)換通道，從而得到所需數(shù)據(jù)并存儲[1]。單片機(jī)對各項數(shù)據(jù)通過LCD顯示的同時也對人體各項指標(biāo)進(jìn)行設(shè)限判斷；當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)通過蜂鳴器進(jìn)行報警，經(jīng)過一段時間后若被測者不按系統(tǒng)鍵盤上的取消鍵，則系統(tǒng)自動通過無線模塊將報警信號傳送給相關(guān)機(jī)構(gòu)，達(dá)到及時求助的目的。另外，系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)還可以通過上位機(jī)通信模塊傳給上位機(jī)，相關(guān)專業(yè)人員可以通過上位機(jī)觀察數(shù)據(jù)、波形，如圖2和圖3所示。

2 主要模塊

2.1 體溫測量模塊

體溫是人體重要的生理指標(biāo)，測量方式包括口腔、腋窩和直腸測量；本設(shè)計選取腋窩作為測量部位；而用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻做為溫度傳感器[2]，其中熱敏電阻阻值與溫度關(guān)系為：

其中R0與R分別代表溫度為T0和T時熱敏電阻的阻值。N為材料常數(shù)，可以用來表示在熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系。

為保證熱敏電阻的阻值變化僅受外界溫度影響，本設(shè)計選用DH905作為恒流源對熱敏電阻進(jìn)行電流驅(qū)動。并通過調(diào)節(jié)R1阻值使恒流源電流為100uA[3]。原理圖如圖4所示。

在實際應(yīng)用當(dāng)中，熱敏電阻阻值與溫度兩者之間往往不滿足線性關(guān)系，這就需要通過最小二乘法對兩者關(guān)系進(jìn)行擬合校正。實驗數(shù)據(jù)見表1：

2.2 脈搏和心電測量模塊

脈搏傳感器選用HK2000B，其具有靈敏度高，抗干擾性強(qiáng)，過載能力大，一致性好，性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)[5]；心電測量采用常用的平板電極，進(jìn)行相比傳統(tǒng)測量使用電極數(shù)量少且方便的雙電極心電測量[6]。

脈搏和心電測量所測得信號是較微弱的電壓信號，在測量過程中會受到噪聲和工頻信號的干擾，因此將干擾信號消除或減到最小并進(jìn)行放大是設(shè)計的重點(diǎn)。

首先，在信號處理過程中應(yīng)針對噪聲所處頻率和信號自身不穩(wěn)定性設(shè)計特定的濾波帶、50Hz工頻陷波器和抑制基線漂移的電路。脈搏信號頻率在0.2-45Hz之間，因此設(shè)計的帶通濾波器濾波帶應(yīng)為0.2-45Hz（如圖6所示）；心電信號頻率在0.5-100Hz[7]，應(yīng)設(shè)計相應(yīng)頻率的帶通濾波器[8]（如圖7所示）。

傳感器測得信號都是毫伏級的，而本設(shè)計選用單片機(jī)MSP430F149所自帶的A/D轉(zhuǎn)換通道，范圍為0-3.3V，因此應(yīng)對兩者信號采取不同程度的放大，以使轉(zhuǎn)換電壓想匹配。為配合對干擾信號的消除，脈搏和心電信號的放大都采用兩極放大，并且第一級放大器都選取具有高輸入阻抗、高共模抑制比的儀表放大器AD620，這樣將更大地提高測量的精確性。

2.3 血壓測量模塊

高血壓能夠引發(fā)一系列的心血管疾病[9]。文獻(xiàn)報道利用脈搏傳導(dǎo)時間可以計算出人體的血壓值[10]，使24小時動態(tài)血壓測量更加方便。并且由于測量方式簡便、儀器體

積小，便于佩戴，被測者可以獨(dú)立進(jìn)行血壓測量。

對于血壓與脈搏傳導(dǎo)時間的關(guān)系，根據(jù)Moens-Korteweg公式[11]，可得出

其中P代表血壓值，K為傳遞距離，E0代表在壓力為零的情況下的彈性模量，g為重力加速度，γ為代表血管特征的一個量，為0.016到0.018（mmHg）， ρ代表血液密度，a為血管壁的厚度，d為血管內(nèi)徑。如果忽略隨著血壓改變時血管內(nèi)徑和血管壁的微小變化，則該式中只有P和T為變量，對T進(jìn)行求導(dǎo)，得

其中P代表人體血壓，T為脈搏傳導(dǎo)時間。由式（12）可得出人體血壓同脈搏傳導(dǎo)時間（PTT）具有線性關(guān)系，a，b作為待定系數(shù)，可通過最小二乘法進(jìn)行擬合得到[12]；求收縮壓時，T值可由式（13）求得。

Tp為脈搏波形達(dá)到最高點(diǎn)的時刻，TR為心電波形達(dá)到R波的時刻，如圖8所示。利用極值法確定兩點(diǎn)的時刻[13]，即滿足式（13），其中數(shù)值ak所對應(yīng)的時刻便是波形達(dá)到最高點(diǎn)的時刻。

對舒張壓的求取則選擇兩種信號圖像的最低點(diǎn)，方法和上述一致。

選取3組被測者實際測量進(jìn)行驗證，通過該方法所測得血壓偏差值滿足美國醫(yī)療儀器促進(jìn)協(xié)會要求，即平均偏差小于5mmHg，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于8mmHg，詳細(xì)結(jié)果如表2所示。

2.4 其它模塊

檢測儀電源模塊中，電壓經(jīng)芯片MAX856轉(zhuǎn)換產(chǎn)生3.3V和5V電壓；液晶采用低功耗的ST7565；由于檢測儀所測數(shù)據(jù)種類多、數(shù)量大，因此采用可串行控制的功耗

低的存儲芯片24C256進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲并通過芯片PL2303進(jìn)行USB轉(zhuǎn)換以方便與上位機(jī)的通信[14]。檢測儀的報警部分主要由蜂鳴器和無線模塊兩部分共同構(gòu)成，其中無線模塊選用體積小、功耗低、通信距離長的NRF2401[15]。當(dāng)被測者健康指標(biāo)異常時首先由蜂鳴器發(fā)出響聲作為警報，一段時間后若CPU沒有檢測到按鍵模塊中報警取消鍵按下，則系統(tǒng)默認(rèn)為被測者需要急救，會通過無線模塊向相關(guān)機(jī)構(gòu)發(fā)出警報。

3 軟件設(shè)計

健康指標(biāo)測量儀用于對人體溫度、血壓、脈搏等健康指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確測量并及時報警，其具體流程圖如圖9所示。設(shè)備進(jìn)行初始化后便開始各項健康指標(biāo)的采集，伴隨著實時存儲和顯示。當(dāng)有一項或多項指標(biāo)超過設(shè)定的正常范圍時，開始報警。報警分兩個階段：第一階段為蜂鳴器報警，通過發(fā)聲提醒被測者，使其采取相應(yīng)措施，并在30s內(nèi)按下取消鍵結(jié)束報警；第二階段為無線模塊報警，即30s內(nèi)系統(tǒng)沒有檢測到取消鍵按下，自動判定被測者自身無法報警，系統(tǒng)會通過無線持續(xù)向相應(yīng)機(jī)構(gòu)報警。

4 小結(jié)

本文介紹基于MSP430F149的健康指標(biāo)測量儀的主要設(shè)計和具體實施方案。針對不同參數(shù)采用不同算法，去除袖帶來進(jìn)行血壓測量，在保證測量信號準(zhǔn)確性的同時，也使得測量變得方便易行。整合無線報警功能進(jìn)一步保障被測者的生命安全。

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