基于光电检测脉搏波的多功能电子血压计

　　引 言

　　近年来，由于我国社会经济的快速发展和人们生活方式的转变，心血管病发病率及相关危险因素呈不断上升趋势，人们也越来越注意自己的身心健康。过去测量血压必须到医院，由医生用水银血压计检测才行，但随着科技水平的发展，血压计正在迎来电子血压计的新时代。只要拥有了家用电子血压计，人们就可以坐在家里随时监测血压的变化，如发现血压异常便可及时去医院就诊。

　　系统工作原理

　　心脏的间歇性射血产生从主动脉根部出发沿着动脉管系传播的脉搏波。脉搏波到达之处，动脉管内的力学参量（如流量、压力、血流速度、血管横截面积等）将产生变化。在每个心动周期中，心脏间歇性的舒张和收缩将引起主动脉管壁时张时缩的振动和主动脉血液压力时高时低的变化。这种动脉管壁的振动称为动脉脉搏。动脉脉搏波在主动脉近心端形成的同时，立即以波动的方式将所发生的血压、血流量和血管壁周期性的振动沿着动脉树一直扩散到整个动脉系统，从而形成整个动脉系统中血压时低时高、血流量时慢时快、血管壁时缩时张的波动，这三类脉搏波是相互伴随产生的，因而可统称为动脉脉搏波。

　　

　　图1 血红蛋白消光曲线

　　

　　图2 系统总体结构框图

　　本多功能电子血压计，采用光电容积法进行测量。其原理是：光束通过透射传送到光电接收器信号的不同。人体血液红细胞中的血红蛋白（Hb）与氧分子作可逆性结合，结合后的 Hb 称含氧血红蛋白（HbO2），两者具有不同的吸收曲线：在红光谱区 600nm~700nm 内血红蛋白Hb吸收的光线较少，而HbO2吸收的光线较多；在红外光谱区 800nm~1000nm 内血红蛋白Hb吸收的光线较多，而HbO2吸收的光线较少。在光路上，除了动脉血红蛋白外，还有许多其它吸收体，将严重影响测量精度，因此红光和红外光LED因尽可能相互靠近，通过人体中的单一组织位置透射光线，并采用时间复用处理来透射光线。同时在检测端，将透过手指的透射光强转换为电压信号，因此得到光电容积脉搏波信号。最后基于光电传感器的检测原理和Lambert-Beer定律，可以将透射光强与光电传感器的输出电压相关联，建立心血管系统参数收缩和舒张压计算方法，设计无创连续血压测量方法测试设备。其优点为：使用简单方便、测量精度高、测量值便于记录、体积轻巧便于携带等。

　　硬件设计

　　系统总体结构

　　本多功能电子血压计的系统总体结构框图如图2所示，主要包括LPC1788主控模块、电源及复位模块、LCD触摸屏模块、信号调理模块、光电脉搏波传感器模块和选配的Zigbee模块等六大模块。

　　主控LPC1788

　　主控采用NXP新推出的基于ARMCortex-M3的LPC1788微处理器，它具有高性能、高集成度、低功耗等的特点，广泛用于低功耗和处理要求高集成度的嵌入式应用，非常适合本方案的设计要求。它包括高达512kB的Flash存储器、高达96kB的数据存储器、4kB的EEPROM存储器、一个用于SDRAM和静态存储器存取的外部存储器控制器、一个LCD面板控制器、一个8通道12位ADC等。外部只需加入很少芯片就可实现系统功能，充分满足了本设计的需要，并可使整个系统体积减小、功耗降低，控制了成本，提高了稳定性。

　　光电传感器

　　本系统采用了透射式双波长测量法，传感器选用深圳美的连电子有限公司生产的 S0012A 型指套透射式可重复使用的血氧探头。透射式光电脉搏传感器包括光发射和光电接收两部分：对于光发射电路，探头内部选择了940nm的红外发光二极管和波长为660nm的红色发光二极管以头尾相接的方式并联作为脉搏检测电路的光源；接收电路的核心元件是光敏二极管。为了获得最佳的信噪改善比，要求前置放大器的设计采用低噪声放大器设计原则，尽量降低输入级的噪声，因此选用低噪声光敏器件，以获得最小的噪声系数。

　　信号调理（放大和滤波）

　　脉搏波是以心脏搏动为动力源，是一种微弱低频的生理信号， 具有频率低、信号弱和阻抗高等特点。因此应用于人体生理信息测量的模拟电路因能够有效地提高输入阻抗和共模抑制比，抑制温度漂移以及随机噪声。本系统中，选用了低功耗高精度的仪用放大器 AD620，它被广泛应用于生物医学测量以及那些提供微弱信号而共模干扰较大的场合。

　　脉搏波的主要频率分量一般在0.1Hz~15Hz之间，既要频带合适，以便得到信号检出时的最大保真度，又要要滤除各种干扰，如50Hz工频干扰、各种外界中高频噪声；为与数据采集电路适配，输出端的输出阻抗要低，模拟信号的极性、状态信号的电平和幅度的动态范围等都必须符合配接的规定。本设计采用Maxim公司的MAX267，它是Maxim众多开关电容滤波器（SCF）芯片中较简洁的一种。内部包含两个已经固定成带通型，并且使用相同的Q参数和频率变换比例的二阶SCF和一个运放。通过选择适当的反馈电阻和Q参数，能够组成不同波纹率的Butterworth或Chebyshev滤波器。这样就大大减少了外围电路，且使用灵活，性能远远优于采用集成运放组成的滤波电路，非常适合于本设计。

　　软件设计

　　程序流程

　　软件部分程序流程如图3所示。系统启动后，由U-boot引导启动嵌入式Linux，初始化相关硬件和程序并进入主菜单：（1）个人信息，可输入自己的年龄、身高、体重、性别等信息，方便系统对每个人的测量数据分别进行管理和针对性的进行健康情况分析；（2）血压检测，血压计进入检测页面并开始检测过程；（3）数据查询，可在 LCD上查看以往测量结果，包括高压、低压、平均，并由机器进行简单的健康情况分析；（4）系统设置，可对系统时间、网络参数等进行设置，并可对系统固件进行升级；

　　

　　图3 程序流程图

　　电子血压计检测模式流程

　　测量人体血压的过程分为血压校准和血压实际测量两个阶段。血压校准阶段的主要任务是提取光电容积脉搏波的四个血压特征参量（td心动周期、 Vd容积脉搏波信号的最低幅度值、 Vs容积脉搏波信号的最高幅度值和K脉搏波波形特征量），完成校准参数M2动脉常数和V0人体在零血压值状态下所对应的容积脉搏波信号幅度值的计算，为血压实际测量阶段奠定基础；在血压实际测量阶段，基于血压校准阶段中的校准参数（即M2和V0）完成人体动脉血压的计算。

　　数据库系统的设计

　　本设计的数据管理采用SQLite嵌入式数据库，它是一种中小型嵌入式数据库。虽然体积大小只有几千字节，但仍然实现了一个完全适应严峻环境的数据库，可以较为方便地运用于嵌入式系统中，具有数据库处理事务的原子性、一致性、隔离性及持久性这4个基本特征，提供了对 SQL92 的大多数支持，包括索引、事务、视图、多表、触发和一系列的用户接口及驱动。经过对需求的分析和优化，可设计出数据库系统的E-R图如图5所示，全面准确的反应了用户的功能需求，实体类型的个数和所含属性个数少，实体类型间无冗余。

　　

　　图4 血压计算流程图

　　

　　图5 数据库系统的E-R图

　　系统的界面设计

　　本设计的应用程序窗口界面采用QT编写实现，它是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架，被广泛地应用于各种嵌入式产品中。如图6所示为采用轻量级跨平台集成开发环境Qt Creator所设计的界面，轻按触摸屏发出各项命令，再通过和数据库的连接由图形界面显示结果。开机启动后首先进入如图6左图所示的

　　主菜单，轻触左上方“血压检测”，系统进入如右图所示的检测菜单，上半部分为个人信息，下半部分为检测结果。

　　结语

　　电子血压计是利用血压间接测量原理与现代电子技术进行血压测量的医疗设备，已经成为家庭自测血压的主要工具。本文从血压的检测方法着手，区别于基于人工柯氏音法的水银血压计，给出了完整的基于光电容积脉搏波原理的多功能电子血压计设计方案，具有三大创新点：1、采用基于光电容积脉搏波的无创连续血压测量方法，检测速度快、检测精度高；2、智能化大屏幕显示和触摸屏控制，简单易用，特别方便老年患者使用；3、采用嵌入式数据库SQLite进行数据管理，方便数据整理和分析。

　　

　　图6 系统菜单界面