電子血壓計的設(shè)計考慮

摘要：這篇應(yīng)用筆記介紹了兩種主要類型的血壓監(jiān)測儀及其測量技術(shù)，重點討論了不同功能電路對電子元器件的要求以及工程師在進行元器件選型時需要注意的事項。

引言

血壓監(jiān)測儀或稱為血壓計主要利用一個充氣袖帶和監(jiān)聽設(shè)備，通過偵聽的方式測量血壓；也可以利用壓力傳感器測量血壓。這種監(jiān)測儀可以通過兩種途徑實現(xiàn)：對袖帶手動充氣，利用聽診器監(jiān)聽動脈壁發(fā)出的聲音(聽診法)；或者在血壓計內(nèi)部嵌入一個壓力傳感器，對動脈壁的振動進行測量(振量法)。


上臂式血壓計


腕式血壓計

自動電子血壓計

自動檢測血壓計有兩種類型：上臂式血壓計和腕式血壓計。上臂式血壓計包含一個氣囊，測量時將其纏縛于上臂。充氣袖帶通過一條皮管連接到放置在手臂附近的監(jiān)視器。腕式血壓計尺寸較小，整個裝置可以纏繞在手腕上，因此，這類產(chǎn)品對尺寸的要求比較嚴格。有些上臂式血壓計需要手動充氣，但目前市場上的多數(shù)上臂式和腕式血壓計都采用了全自動設(shè)計。

測量技術(shù)

自動電子血壓計首先對袖帶充氣使其具有足夠的壓力，從而阻止血液在局部主動脈的流動。隨著壓力逐漸釋放，當(dāng)血液開始流過動脈時，測量到的壓力值為心臟收縮壓。同時還可以監(jiān)測到脈搏跳動的速率。當(dāng)血流又恢復(fù)暢通時，此時測量到的數(shù)值相當(dāng)于心臟的舒張壓。由此完成一次完整的測量周期，整個過程由裝置中的泵、充氣袖帶、電子閥和壓力傳感器完成。

壓力傳感器產(chǎn)生的信號經(jīng)過運算放大器或儀表放大器調(diào)理后送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。然后，針對不同類型的監(jiān)視器和傳感器，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄔ跀?shù)字域計算心臟收縮壓、舒張壓和脈搏速率，并將得到的結(jié)果顯示在液晶屏(LCD)上，通常還會將數(shù)據(jù)和對應(yīng)的時間/日期存儲到非易失存儲器內(nèi)。


帶有高級語音提示功能的血壓計功能框圖。

數(shù)據(jù)接口

有些血壓計能夠把數(shù)據(jù)上傳到計算機，以便進行更深入的分析和后期測量跟蹤，可以通過USB接口傳輸數(shù)據(jù)?？梢赃x擇一個分立的USB收發(fā)器，也可以選擇內(nèi)置這種收發(fā)器的微控制器。

音頻提示

血壓計的音頻提示可以是簡單的蜂鳴聲，也可以采用高端語音提示。簡單的蜂鳴器可以利用微控制器的一個或兩個脈寬調(diào)制(PWM)輸出端口引腳驅(qū)動；對于高級語音提示功能電路，可以選擇音頻數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)和揚聲器放大器處理音頻信號。

電源管理

上臂式血壓計通常采用4節(jié)AAA (1.5V)堿性電池供電，腕式血壓計大多采用2節(jié)AAA堿性電池供電。血壓計泵和模擬電路要求5V或3.3V供電，數(shù)字電路根據(jù)具體采用的測量技術(shù)選擇3.3V或1.8V供電。由此，一個典型的上臂式血壓計需要一路buck-boost開關(guān)電源為泵/模擬電路提供5V電源，另外還需要一路低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)為數(shù)字電路提供3.3V電源。典型的腕式血壓計則采用boost開關(guān)電源提供泵/模擬電路所需的3.3V電源，利用一個LDO將輸入電壓轉(zhuǎn)換到1.8V，為數(shù)字電路供電。

為了延長電池使用壽命，血壓計不工作時可以關(guān)斷電源，而只維持實時時鐘(RTC)有效并可快速恢復(fù)血壓計的工作狀態(tài)。

顯示與背光

血壓計大多使用簡單的段式LCD顯示器，其中包含100段或更少的段碼，LCD驅(qū)動器通常集成在微控制器內(nèi)部。利用一個或兩個白光LED (WLED)或電致發(fā)光(EL)燈源提供顯示器背光。腕式血壓計可以采用開關(guān)電源拓撲提供WLED驅(qū)動，上臂式血壓計則可采用線性穩(wěn)壓器提供WLED驅(qū)動。

靜電放電

所有血壓計監(jiān)視器必須通過IEC 61000-4-2的靜電放電(ESD)的測試要求，可以利用內(nèi)置ESD保護的器件，或者采用ESD保護線對暴露在接口位置的線路加以保護。