基于SoC的高精度電子血壓檢測儀

　　目前，臨床上對普通病人主要采用無創(chuàng)檢測的方法，它大致分為人工柯氏音法和示波法兩類。人工柯氏音法雖然比較準(zhǔn)確，但操作困難，受主觀因素影響較大;傳統(tǒng)的示波法雖然操作簡單，但穩(wěn)定性和個體適應(yīng)性較差，不利于在臨床應(yīng)用上的普及和推廣。本文在示波法的基礎(chǔ)上，從硬件實現(xiàn)和軟件設(shè)計兩個方面改進(jìn)了原來的測量方法，并進(jìn)行了比對測試。

　　1 硬件設(shè)計

　　示波法進(jìn)行血壓檢測的主要過程是獲取袖帶內(nèi)變化的壓力信號，分析從中分離出的脈搏信號，找到收縮壓和舒張壓對應(yīng)的位置，從而得到數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的示波法測量是將來自傳感器的信號放大，對放大后的信號進(jìn)行低通濾波，得到壓力信號，并由一組A/D轉(zhuǎn)換器將其送入單片機(jī)，然后再對該壓力信號進(jìn)行帶通濾波，得到脈搏信號，由另一組A/D轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　采用了Σ-Δ型單片機(jī)ADμC848之后，簡化了電路。

　　由于集成了高精度的16位Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器，且其A/D參考電壓可以編程調(diào)整(最小可達(dá)到10mV)。因此，它可以在保證精度和動態(tài)范圍要求的情況下，直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，而不必經(jīng)過放大。這樣，可以消除由于放大器的存在而帶來的動態(tài)范圍改變、噪聲以及電壓失調(diào)等一系列問題，并且減少了器件的使用，降低了實現(xiàn)成本。

　　由于該Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器提供了差模輸入方式，可以將傳感器給出的差模信號直接送入A/D轉(zhuǎn)換器，理論上其共模抑制比可以達(dá)到無窮大。因此，它可以大大降低由于前級放大電路的不匹配而造成的共模干擾。

　　由于Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過程要通過一個低通濾波器濾波，因此，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前，不必進(jìn)行濾波處理，可以直接將傳感器與A/D連接，然后再進(jìn)行數(shù)字濾波。

　　由于ADμC848中集成了一個標(biāo)準(zhǔn)的恒流源，恒流數(shù)值可以通過軟件編程調(diào)節(jié)。因此，可以根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用的不同環(huán)境，將一個標(biāo)準(zhǔn)的壓力輸出進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果及時調(diào)整恒流源，直到輸出期望的轉(zhuǎn)換數(shù)值，以實現(xiàn)產(chǎn)品的自動校準(zhǔn)。

　　改進(jìn)后的電子血壓計硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2 軟件設(shè)計

　　經(jīng)過以上硬件處理后得到袖帶內(nèi)壓力的變化曲線，在軟件處理中，先要分離出其中的脈搏信號;然后去除干擾點，擬合包絡(luò)曲線，找到對應(yīng)的平均壓;最后根據(jù)系數(shù)計算出收縮壓和平均壓。

　　在分離脈搏信號的過程中引入了形態(tài)濾波算法。由于袖帶內(nèi)壓力信號與脈搏信號頻帶接近，直接采用帶通濾波會減小信號幅度，降低信噪比，給后面的處理帶來困難。而應(yīng)用形態(tài)濾波處理算法，是從形態(tài)學(xué)角度分離信號，可以很好地提取脈搏信號。為了能夠?qū)崟r完成信號分離，將采用開運算進(jìn)行處理，削平原始信號中所有的波峰，再用原始信號與處理后的信號做差，得到分離出的脈搏信號。圖3為原始信號圖，圖4為分離出的脈搏信號。

　　為了有效抑制干擾，修復(fù)缺損的脈搏波，將根據(jù)每個脈搏波峰值與和它相鄰的脈搏波峰值之間所成角度的關(guān)系，決定每個脈搏波的可信程度。由于脈搏波幅值不是單調(diào)變化的，因此，這樣的判斷還需要考慮幅值因素。其具體方法見文獻(xiàn)[1]。

　　利用上面得到的每個脈搏波的權(quán)值信息進(jìn)行包絡(luò)擬合。由于所得包絡(luò)線明顯不對稱(即二階擬合不能滿足要求)，將采用帶權(quán)值的三階最小二乘擬合方式。擬合完成后，曲線上極大值所在位置對應(yīng)的壓力值，就是平均壓的數(shù)值。

　　最后，參照文獻(xiàn)[2]中的方法，根據(jù)平均壓的大小決定采用何種幅度系數(shù)，并利用幅度系數(shù)計算出相應(yīng)的收縮壓、舒張壓對應(yīng)的位置，從而得到收縮壓、舒張壓的大小。

　　為了驗證所得血壓計的準(zhǔn)確性，選取了一些典型的樣本，將其測量結(jié)果與人工聽診的柯氏音法進(jìn)行比對。

　　首先，用人工聽診的柯氏音法測量血壓數(shù)值a1，相隔15分鐘后，再用改進(jìn)后的電子血壓計進(jìn)行測量，得測量數(shù)值b;再等待15分鐘，用人工聽診的柯氏音法重新測量一遍，測得血壓值a2，用a1與a2的平均值a作為人工聽診柯氏音法所得的測量數(shù)值。所得測量數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

　　從以上幾組典型的測量結(jié)果可以看出，應(yīng)用本文所述的電子血壓計測量血壓，能夠保證血壓測量的精確度在5mmHg以內(nèi)，基本滿足血壓測量的精度要求。

　　結(jié)論

??????? 該方法的硬件集成度高，設(shè)計實現(xiàn)簡便;軟件設(shè)計集合了形態(tài)濾波等多種先進(jìn)算法，精確度高，抗干擾性強(qiáng)。實驗證明，這種血壓檢測儀具有很好的精度，能夠滿足血壓測量的一般要求。