基于示波法和高斯擬合的電子血壓計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)

韓云+俞阿龍+宋奔騰

摘 要： 近年來高血壓在中老年人群中發(fā)病率不斷上升，心血管病人呈現(xiàn)出低齡化大眾化的趨勢。在這樣的背景下，以往的醫(yī)院診所式的測量方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的測試需求，隨著電子血壓計(jì)的出現(xiàn)，這一現(xiàn)象才得到緩解，大大提高了效率。該文以此為著眼點(diǎn)，介紹以示波法和高斯擬合的血壓判定方法設(shè)計(jì)的便攜式電子血壓計(jì)。借助RealViewMDK開發(fā)套件，以STM32F103C8T6處理器為核心，詳細(xì)分析了硬件選型及軟件設(shè)計(jì)流程。該文綜合了市場上絕大多數(shù)血壓計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了功耗低、測試時(shí)間短、精度高的電子血壓計(jì)，測試結(jié)果與水銀血壓計(jì)測試結(jié)果基本吻合，具有更高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 電子血壓計(jì)； 示波法； 高斯擬合； STM32F103C8T6

中圖分類號： TN98?34； TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0176?03

Electronic sphygmomanometer research and implementation based on

oscillography and Gaussian fitting

HAN Yun， YU Along， SONG Benteng

（College of Electrical Engineering and Control Science， Nanjing Tech University， Nanjing 210000， China）

Abstract： With the continuously increasing of the high blood pressure morbidity of the elderly population， the tendency of the cardiovascular patients becomes younger?age trend and popularization. Under this background， the previous measurement modes of the hospital clinic cant satisfy the test requirement. With the appearance of the electronic sphygmomanometer， this phenomenon has been eased， and its efficiency is improved greatly. The portable electronic sphygmomanometer designed with the blood pressure judgment method based on the oscillography and Gaussian fitting is introduced. The hardware selection and software design process are analyzed in detail by means of the RealViewMDK development kit， and by taking STM32F103C8T6 as the core. The advantages of the vast majority of the sphygmomanometer in the market are synthesized to design an electronic sphygmomanometer with low power dissipation， short test time and high precision. The test results of this sphygmomanometer and mercury sphygmomanometer are basically matched. The sphygmomanometer has a higher practical value.

Keywords： electronic sphygmomanometer； oscillography； Gaussian fitting； STM32F103C8T6

高血壓對人體危害非常大，不僅直接產(chǎn)生頭疼、頭暈、失眠、煩燥、心悸、胸悶等一系列癥狀，長期下去對心、腦、腎及其靶器官的破壞是非常嚴(yán)重的。許多高血壓的患者死于中風(fēng)、心衰和腎功能衰竭。近年來高血壓在中老年人群中發(fā)病率不斷上升，心血管病人呈現(xiàn)出低齡化大眾化的趨勢。如果能經(jīng)常測量自己的血壓，對預(yù)防和治療心血管疾病大為有益。電子血壓計(jì)應(yīng)運(yùn)而生， 與傳統(tǒng)水銀血壓計(jì)相比有無污染，體積小重量輕，攜帶方便的特點(diǎn)，越來越多的走進(jìn)了人們的家庭里。本文設(shè)計(jì)了以STM32F103C8T6處理器為控制核心，采用示波法進(jìn)行測量的電子血壓計(jì)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 示波法原理

血壓判定方法可分為直接測量法和間接測量法。直接測量法通過觀察插入大動脈內(nèi)的壓力傳感器的導(dǎo)管內(nèi)的液柱測得數(shù)據(jù)，此方法可靠性高，但技術(shù)難度大且有一定的創(chuàng)傷性，不適合大范圍使用。間接測量法可分為連續(xù)式測量和間歇式測量。電子血壓計(jì)一般采用間歇式測量，本文采用的示波法即為間歇式測量的代表性方法。示波法通過檢測血液流動時(shí)碰撞血管壁產(chǎn)生的振動來判定血壓，查找源于血管壁的搏動而產(chǎn)生的振蕩波的包絡(luò)，并根據(jù)包絡(luò)與動脈血壓之間的關(guān)系，得到血壓值。示波法多采用幅度系數(shù)法確定舒張壓和收縮壓，由于幅度系數(shù)法在對振蕩波的最強(qiáng)點(diǎn)以及和舒張壓、收縮壓與其的比值系數(shù)的選取比較困難，且幅度系數(shù)法的個(gè)體適應(yīng)性差，本文采用基于示波法和高斯擬合的血壓判定方法：首先確定振蕩波中各個(gè)單波的峰值點(diǎn)；然后確定擬合振蕩波包絡(luò)線的最佳擬合曲線；進(jìn)而查找包絡(luò)線的最大值，選定積分區(qū)間，提出的積分公式和最大值的位置，確定舒張壓和收縮壓的位置，最后確定舒張壓和收縮壓[2]。示波法測量示意圖如圖1所示。圖中尖脈沖是脈搏波，最上方是袖帶靜壓力，中間是高斯擬合后的包絡(luò)線。

2 硬件選型與設(shè)計(jì)

電子血壓計(jì)硬件主要包括STM32F103C8T6微處理器、壓力傳感器電路、氣閥氣泵控制電路、前置預(yù)放電路、濾波放大電路、按鍵和LCD顯示等。系統(tǒng)框圖見圖2。

2.1 STM32F103C8T6微處理器

本設(shè)計(jì)選用STM32F103C8T6處理器為主控制芯片，采用高性能的ARM Cortex?M3 32位RISC內(nèi)核，最高主頻達(dá)到72 MHz，高速嵌入式存儲器（閃存高達(dá)20 KB的SRAM），并連接到兩個(gè)APB總線廣泛的范圍內(nèi)增強(qiáng)I/O和外設(shè)。STM32F103C8T6處理器在本設(shè)計(jì)中主要完成氣泵氣閥電路的控制、A/D信號的采集、處理與存儲等功能。

2.2 前端信號采集與預(yù)處理

前端處理電路主要包括壓力傳感器、儀表放大和濾波放大電路，完成對輸入血壓信號的采集、濾波和放大。壓力傳感器選用美國芯源系統(tǒng)有限公司（MPS）公司生產(chǎn)的MPS1117（壓力值范圍0～300 mmHg），集成了4個(gè)壓敏電阻和1個(gè)彈性膜。

4個(gè)壓敏電阻形成了惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，當(dāng)有壓力作用在彈性膜上時(shí)電橋會產(chǎn)生一個(gè)與所加壓力成線性比例關(guān)系的電壓輸出信號。儀表放大器選用亞德諾半導(dǎo)體（ADI）公司生產(chǎn)的AD620，具有高精度（最大非線性度40 ppm）、低失調(diào)電壓（最大50 μV）和低失調(diào)漂移（最大0.6 μV/°C）特性，是傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想之選。它還具有低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗特性，非常適合ECG和無創(chuàng)血壓監(jiān)測儀等醫(yī)療應(yīng)用。只需要串接一個(gè)電阻就可以自由調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，本系統(tǒng)前置放大倍數(shù)20倍，輸出的直流信號也就是袖帶靜壓力通過STM32F103C8T6的AD接口處理。脈搏波信號的頻率較低，易受外界高頻信號的干擾，在預(yù)放AD620后接一個(gè)0.8～20 Hz的帶通濾波器使外界干擾能得到20～30 dBm的衰減，帶外信號抑制能力強(qiáng)。濾波和后級放大均采用LM324運(yùn)算放大器，后級放大30倍后接入STM32F103C8T6的AD端口。前端信號采集與預(yù)處理框圖如圖3所示。

2.3 氣閥氣泵控制電路

本設(shè)計(jì)采用廈門科際電子有限公司生產(chǎn)的KPM27W氣泵和KSV05B微型電磁閥，供電電壓DC 3～6 V，體積小、重量輕、響應(yīng)速度快。

STM32F103C8T6微處理器I/O口輸出最大電流為8 mA，驅(qū)動氣泵和電磁閥需串接一個(gè)三極管S8050，然后通過I/O口輸出PWM波控制氣泵和電磁閥的充放氣速度。

2.4 按鍵處理與LCD顯示

按鍵和顯示模塊由3個(gè)獨(dú)立按鍵和一塊LCD1602組成，其中按鍵分別是開始、復(fù)位和查詢。按下開始鍵開機(jī)啟動一次測量，結(jié)果自動保存在RAM中。復(fù)位鍵可以結(jié)束這次測量，還原到初始狀態(tài)，準(zhǔn)備下一次測量。再次按下開始鍵關(guān)閉電源，其中查詢鍵可任意翻看列次測量結(jié)果。LCD1602顯示收縮壓、舒張壓和測量時(shí)間。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件使用C語言基于RealViewMDK開發(fā)套件進(jìn)行編程開發(fā)。系統(tǒng)開機(jī)后，微處理器對定時(shí)器、I/O口、ADC等內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化配置，等待按鍵觸發(fā)。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

軟件設(shè)計(jì)主要包括微處理器初始化、按鍵掃描程序、氣泵氣閥輸出PWM波控制程序、A/D采樣程序、數(shù)據(jù)濾波與血壓值計(jì)算程序、LCD顯示程序，具體流程見圖5。其中數(shù)據(jù)濾波與血壓值計(jì)算程序中采用了示波法和高斯擬合的血壓判定方法且對采集序列進(jìn)行了抗干擾處理[2]。

4 性能評估

為了評估實(shí)測血壓值的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，以水銀血壓計(jì)測試數(shù)據(jù)為參考，邀請了來自南京工業(yè)大學(xué)的10名大學(xué)生志愿者，在無劇烈運(yùn)動的情況下進(jìn)行連續(xù)測量。實(shí)測結(jié)果和水銀測試數(shù)據(jù)結(jié)果偏差在10%以內(nèi)，滿足商用需求。

5 結(jié) 語

本文給出了利用示波法實(shí)現(xiàn)電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)方案，包括基于STM32F103C8T6為控制核心的硬件和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)具有低成本、低功耗、測試時(shí)間短等特點(diǎn)；軟件設(shè)計(jì)存儲方便用戶查看，開發(fā)實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的實(shí)物儀表裝置。

注：本文通訊作者為俞阿龍。

參考文獻(xiàn)

[1] 王維，王靜，孫洪央，等.具有藍(lán)牙通信功能的上臂一體式血壓測量系統(tǒng)[J].中國醫(yī)療器械雜志，2012，36（4）：239?243.

[2] 李雪情.基于示波法和高斯擬合的腕式電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

[3] 譚勁華，呂建超.基于STC89C52單片機(jī)的血壓計(jì)設(shè)計(jì)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30（8）：30?33.

[4] 龔素琴，谷剛.具有通信功能的電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2011，24（1）：50?52.

[5] 王維維，蒲寶明，賀寶岳，等.基于上氣測量的電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2012，21（2）：150?153.

[6] 王維.基于ARM的便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)裝置的研制[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[7] LEE S， RAJAN S， JEON G， et al. Oscillometric blood pressure estimation by combining nonparametric bootstrap with Gaussian mixture model [J]. Computers in biology & medicine， 2015， 6： 373?380.

[8] 顧涵.基于AT89S51單片機(jī)的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，25（8）：97?100.