基于示波法的電子血壓計的設計

李瑞霞 周晉陽

【摘要】血壓是反映血流動力學狀態的最主要的監護指標之一，準確地測量血壓對于我們的健康有著重要的意義，本文采用BP300S壓力傳感器實現準確的壓力傳感，將袖帶內的氣體壓力轉換成電信號，給出了基于示波法原理實現的電子血壓計的軟硬件設計過程。

【關鍵詞】電子血壓計;壓力傳感器;單片機

Abstract：The blood pressure is one of the main monitoring indicator that reflect the hemodynamic status，accurate measuring human bodys blood pressure has important significance to our health. The paper adopt BP300S pressure sensor to realize accurate pressure sensor and convert the gas pressure in the cuff ?into electrical signals。After that，it gives the design of the haraware and software of electronic blood pressure meter based on oscillometric principle.

Keywords：Electronic bloodpressure meter;Pressure sensor;Single chip microcomputer

引言

隨著電子技術的進步，人們生活水平的不斷提高，健康已經成為人們越來越關注的話題。許多便攜化，家庭化的醫學電子儀器逐漸深入到人們的日常生活當中，電子血壓計產品目前已在國際市場上占據龐大而穩定的市場。血壓計可以讓人們隨時測量自己的血壓狀況，也可以了解到自己的身體健康狀況，對防病治病、及早發現疾病，都具有重要意義。

目前已有多種方法測定血壓波形和血壓值，水銀血壓計是最常用的方法。一般醫院使用的水銀血壓計，是基于柯氏音法，專業醫生可以用聽診器進行人工聽診，來判斷收縮壓和舒張壓的值。但是柯氏音法測量血壓易受外界干擾，與醫生的熟練程度和專業技術有關，容易受環境和測量人員主觀因素的影響，存在一定的誤差。

示波法測量血壓的過程與柯氏音法類似，通過給袖帶充氣來阻斷上臂動脈血流，然后緩慢減壓，在放氣過程中檢測袖帶內的氣體壓力，提取重疊于血管壁搏動的微弱的脈搏波。靠儀器識別脈搏波振幅與氣袖壓力之間的相應關系，并加以差別，從而得出血壓值。與脈搏波最大值對應的是平均壓，收縮壓和舒張壓分別為第一個大于等于0.5倍的k值所對應的血壓值及第一個小于等于0.8倍的k值所對應的血壓值。

1.系統總體設計

本系統主要由壓力傳感器BP300，四路運算放大器LM324，兩級放大電路，濾波電路，單片機ATmega16和LED顯示器組成。核心部分是專用壓力傳感器BP300，信號處理芯片ATmega16。前者實現準確的壓力傳感，將袖帶內的氣體壓力轉換成電信號，后者控制整個電路的工作，使用AVR單片機ATmega16實現對信號的采集，處理，將收縮壓和舒張壓在LED屏上顯示出來。系統整體設計框圖如圖1所示：

2.系統硬件設計

2.1 前置放大電路

生物電信號源本身是高內阻的微弱電信號源，所提取的被測信號非常微弱。而傳感器和電路中的器件又會產生噪聲。此外，從傳感器獲得的信號常為差模小信號，并含有較大共模部分，其數值有時遠大于差模信號。因此，儀用放大器除具有足夠大的放大倍數外，還應具有高輸入電阻和高共模抑制比。同相并聯結構前置放大電路，是生物放大器前置級經常采用的設計方案，本文選用由三運放構成的儀用放大器，如圖2所示。

圖3 濾波電路

2.2 濾波電路

在生命活動中，生物體的各種信息都是同時存在并彼此相關的，是一個極其復雜的系統，因此從生物體中有效的提取被測信號，是醫學測量的重要問題。從傳感器輸出的信號實際是脈搏波與靜壓力信號的疊加，還有其他來自外界信號的高頻干擾或直流低頻分量，實際測壓時，如果被測者身體移動可能會產生較大的干擾，而這種干擾與脈搏波的頻率很相近，且幅值較大，另外50Hz工頻干擾無處不在，所以應該采用抗干擾措施。雖然傳感器有放大功能，但對脈搏波的放大能力有限，主要還是靜壓力信號，靜壓力信號屬于低頻信號，頻率小于等于0.04Hz，脈搏波信號大約在0.1至30Hz左右，因此將混合信號分為兩路，一路直接輸入單片機進行模數轉換，另一路經濾波放大后使其幅度盡量接近單片機模數轉換模塊的允許上限，提高采集數據的精度。采用了二階無限增益多路反饋低通濾波，如圖3所示。

2.3 二級放大電路的設計

理論上對于微弱的脈搏波可以通過一次放大達到要求，但是由于各種因素的影響，實驗過程中前置放大電路儀表放大器的增益倍數越大，誤差越大，所以放大倍數有限，實驗中前置放大僅對信號放大了十倍，濾波后再通過二次放大對信號進行處理。采用反向放大電路，如圖4所示。

圖4 二級放大電路

圖5 程序流程圖

3.系統軟件設計

主要運用AVR單片機的AD轉化功能，實現數據的采集和存儲，并利用算法對信號進行處理。

從生理上講，人的血壓一般在180mmHg以下，啟動單片機，在袖帶開始充氣后對氣體壓力進行檢測，當壓力快接近200mmHg時，停止充氣，用放氣閥勻速放氣，此時分別通過AVR單片機的PA1口和PA2口接收袖帶內靜壓力信號和脈搏壓，并轉化為數字信號，將靜壓力信號的值存入血壓數組，找出采集的每組脈搏波的峰值，存入脈搏波數組。信號采集完后，利用主函數處理數據，找出脈搏波數組的最大值，與之對應時刻的血壓數組的值即為平均壓，記為k，找出第一個大于等于0.5倍的k值所對應的血壓值為收縮壓，第一個小于等于0.8倍的k值所對應的血壓值為舒張壓。圖5所示為軟件設計流程圖。

4.實驗結果與分析

選取10組測量者，對同一個測量者在相同時間，相同地點分別采用本電子血壓計和水銀血壓計進行測量，將測量結果進行比較以后，本血壓計的測量結果均略有偏大，但可以控制在10mmHg的誤差范圍內。本電子血壓計還有許多需要完善的地方，比如傳統袖帶式的固定方式可以改為指套式來測量，可以改進算法加快程序執行速度，增強血壓計測量的準確性。

參考文獻

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基金項目：2013年長治醫學院校級課題“現代教育技術與專業教學的有效整合”。

作者簡介：李瑞霞（1979—），女，山西沁水人，碩士研究生，講師，主要從事生物醫學工程方面的研究。

通訊作者：周晉陽（1958—），男，山西長治人，大學本科，教授，主要從事生物醫學工程方面的研究。