摘 要： 采用MC68HC05SR3與MPX50GP所研制的脈象血壓儀，利用此血壓儀可進行高低血壓、心律的測定以及脈象的動靜態(tài)捕捉顯示。
關鍵詞： 收縮壓 舒張壓 脈象 平滑濾波 LMS自適應算法
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測量血壓的傳統(tǒng)儀器是機械式水銀血壓計，電子血壓計是最近幾年才出現(xiàn)在市場上的。國內(nèi)市場上常見的是Omron系列血壓計，其產(chǎn)品已較成熟，而且已開發(fā)出品種較齊全的不同系列。當前的電子血壓計與機械式的相比，雖然操作簡單，界面友好，但在準確性，穩(wěn)定性上則不太理想，因而很難應用于醫(yī)學專門領域。
脈診是中醫(yī)“望聞問切”四診之一。其法就是通過對脈象的診斷，以估察病人的大致疾病，探察人體是否陰陽失調、虛實寒熱等中醫(yī)所特有的征候。用電子設備來測量“脈象”，國內(nèi)也有過有關專家論述，但“脈象”信號的提純難度較大。由于非線性變形以及各種干擾的影響，最終提取的信號往往已經(jīng)面目全非，所以至今尚未有單位研制實現(xiàn)過。
本系統(tǒng)的研制力求能把血壓、心律、脈象的測量融為一體，以用于臨床醫(yī)學。我們在研究國內(nèi)外已有產(chǎn)品或設計構思的基礎上，引入了多種先進的信號處理技術與智能技術，從而盡量排除脈象提取處理中的噪聲干擾與非線性變形，提高血壓測量的準確性與穩(wěn)定性，并加強了操作上的自動性和智能性。目前本儀器已初步研制成功，其血壓的測量已遠比市面上同類血壓計的效果好，脈象的提取也較理想。
1 測量原理
本設計所用的傳感器是Motorola公司的MPX50GP壓強傳感器。在0～40kPa的壓強范圍內(nèi)其輸出電壓信號范圍是20～60mV。微控制器采用Motorola公司的通用8位單片機MC68HC05SR3。圖形點陣液晶采用大連東方電腦有限公司的EDM12864B。
收縮壓與舒張壓的確定類似于機械式血壓測量。手臂和它的脈管采用一個環(huán)繞的氣泵的袖套來箍壓。在自動泵氣的同時，對脈沖信號BP，袖套壓強信號CP同時進行跟蹤監(jiān)測。隨著CP的增大，BP信號會出現(xiàn)并且振幅不斷增大，但增大到一定值后，振幅又會趨向于減小，直至BP信號最終消失。BP信號消失后，再加壓CP信號5kPa左右。
在排氣過程中，設定一個收縮壓的閥值與一個舒張壓的閥值。隨著排氣的進行，當CP下降到一定值時，BP又會重新出現(xiàn)，這時脈搏已沖開給阻塞住的脈管。對BP信號繼續(xù)進行跟蹤檢測，當其振幅超過收縮壓的閥值時，此時的CP值就是收縮壓的大小。繼續(xù)跟蹤BP，隨后的BP信號振幅會繼續(xù)增大到一定值然后下降，當其降到所設定的舒張壓的閥值時，此時所得的CP值就是舒張壓的大小。
在排氣中，把BP信號轉換為矩形波，利用此矩形波來觸發(fā)中斷進行計數(shù)n，同時對其進行計時t，則心律為
在捕定收縮壓之后CP再下降2kPa左右，BP信號最強，此時對其進行快速的采集，大約在1.5BP周期內(nèi)采樣128個數(shù)據(jù)，對此數(shù)據(jù)經(jīng)過平滑與濾噪處理后就可得到64×128點陣的靜態(tài)脈象圖形。
動態(tài)脈象的實時跟蹤顯示需另外進行。在其跟蹤顯示中，根據(jù)跟蹤時采樣刷新速率的不同可提供幾種模式以供選擇。為了獲得更理想的動態(tài)顯示效果，應控制CP在一個合適的范圍內(nèi)變化，最理想的情況是CP始終恒定在一個點上。為了便于醫(yī)學診斷，在動態(tài)顯示的同時提供對典型脈象的在線捕捉。
2 總體方案的設計
本設計的系統(tǒng)框圖如圖1所示：
微控制對袖套的泵排氣進行控制，脈搏信號傳感器對袖套內(nèi)的氣壓進行感測轉換。壓強傳感器輸出的電信號是很微弱的，壓強變化所產(chǎn)生的電信號只有幾μV，而無效的偏壓卻有20μV左右并混有大量的高頻噪聲。因而，前置放大級要對信號進行差動一級放大并去噪，再進行零點調整與二級放大。
信號分離部分完成CP信號與BP信號的分離。所得的CP信號進行A/D轉換后直接輸出至壓力檢測通道。分離出的BP信號相對微弱得多且存在一些敏感的高頻干擾(主要是電源的50Hz干擾，其頻率較1Hz左右的BP信號為高)，因而后級放大部分對其進行高頻濾波后再進行三級放大。所得的信號又分成兩路：一路A/D轉換后進入微控器通道，微控器將對其進行數(shù)字濾波等各種數(shù)字處理。另一路則被整形轉換為矩形波，矩形波用于觸發(fā)中斷，從而進行計時捕捉。
軟件部分是整個系統(tǒng)有效工作的核心，軟件系統(tǒng)的功能結構圖如圖2所示。
3 研制中的幾個關鍵問題
3.1 BP信號與CP信號的分離
傳感器MPX50GP的輸出由兩個信號組成：脈動信號BP(1Hz左右)加在排氣壓降信號CP(＜0.4Hz)上。因此一個兩級高通濾波器被設計用于在BP信號進入后級放大之前與CP信號分開。假如CP信號沒有被很好的抑制，BP信號的基線就不能穩(wěn)定，從而造成每個脈動振蕩不能有相同的比較基準。圖3給出了一個同時具有放大與高通濾波的兩級過濾器電路。
過濾器由兩個RC網(wǎng)絡組成，這確定了兩個截止頻率。兩級的RC網(wǎng)絡應小心選擇以確保脈動振蕩信號不會失真或丟失。兩個截止頻率能由如下的公式大致得出。
同時本過濾器的增益。由R2/R1決定，利用此增益可對分離出的極微小的BP信號進行一次有效的放大。C3用來濾去高頻成份。
經(jīng)過此過濾器分離出的BP信號再經(jīng)過基線校準、毛刺噪聲的濾波、放大等處理后其振幅的變化將是判定收縮壓、舒張壓的依據(jù)。
3.2 各種噪聲的抑制
無論是血壓還是脈象的測量，都有一個極其關鍵的問題：最終所得到的信號能在多大程度上如實地反映脈動的真實變化。但同時，由于最初傳感器所輸出的信號是及其微弱的，如果電路設計得不夠合理，這微弱的信號就足以完全被噪聲淹沒。所以為了盡量地消除外來的噪聲干擾，在每一級的放大電路里，都應有相應的噪聲濾除或抑制電路，此外要盡量的消除分布電容與分布電感的耦合，必要處要進行屏蔽。
第二個問題是由于進行了多級放大，放大過程中的非線性變形，以及由于器件的老化或溫度所造成的漂移也是不容忽視的，所以必須要有對應的動態(tài)補償電路，并在軟件上也進行自動回零的校正。
3.3 信號檢測上的數(shù)字處理
在測量的過程中，若要獲得正確的測量結果，被測者必須要盡量做到保持不動，也不能在被縛的臂膀上有肌肉突然緊張的現(xiàn)象，否則所造成的臂膀膨脹或收縮就會形成一個脈沖的假信號，同時也將改變CP信號。像這樣由被測者的動作所造成的不正確測量是血壓測量中一種典型的隨機信號的干擾，由于這種干擾的影響太大，所以必須要加以解決。這種干擾類似于腦電圖測量中的眼假象干擾。所以本設計也采用數(shù)字信號處理技術中的自適應濾波技術來克服它，其中自適應算法采用LMS自適應算法。
軟件上進行自動回零的校正是必要的。利用軟件上的自動回零校正技術，可以很好地消除元器件的老化或環(huán)境溫度等的變化所產(chǎn)生的失調誤差。當信號采集系統(tǒng)接口于微控器時，自動回零技術是很容易實現(xiàn)的。本設計利用上電啟動時所經(jīng)歷的狀態(tài)為零壓狀態(tài)(上電啟動時要保證已拔開進氣塞)，具體算法如下：
·在上電啟動時采樣傳感器輸出，存儲當前零壓參考點的失調電壓值CZP。
·在當前所測壓強下采樣傳感器輸出(包括BP與CP)，稱其為SP。
·從SP中減去CZP。
測脈象時，需要對波形進行平滑處理。在數(shù)字信號處理中，常用的平滑濾波方法是移動平均法與中值濾波法。移動平均濾波法適于實時應用，可以有效地降低信號的高頻背景噪聲；而中值濾波則對高頻毛刺的抑制作用更強。為了獲得盡量好的脈象波形，本設計綜合應用了這兩種方法。
對于脈搏的測量，則采用了累加平均法來優(yōu)化其結果。累加平均法的使用條件是：
·所要提取部分必須是重復的周期性信號，所要抑制的部分應該是隨機噪聲；
·必須有一個同步觸發(fā)信號，使得每次測量能夠精確的重復。
應用累加平均法可以很好地排除隨機噪聲以提純脈搏的周期。
3.4 面向用戶的一些設計
本儀器在設計的過程中盡量做到了交互界面的簡單化，易操作性與易讀性。這除了技術上所具有的充、放氣的自動性，泵壓點的自適應智能外，還做到了下面幾點：
·僅用3個按鍵就實現(xiàn)了所有的控制功能；
·按鍵操作是安全的。也就是說暫時不可用的鍵已由內(nèi)部程序暫時給關掉了，決不會因用戶的不合適按鍵產(chǎn)生錯誤操作；
·有簡單明了的指示燈或蜂鳴信號提示；
·液晶顯示的各界面形象而簡潔；
·任何時候都可用關掉電源開關來停止測量后零壓點的重新測定。
綜上所述，本系統(tǒng)在測量的準確性、精確度以及清晰度、穩(wěn)定性上都已達到了相當高的要求，可適用于臨床醫(yī)學診斷。同時由于操作簡單，自動性、智能性強、界面友好簡潔，且成本不高，因而也適用于面向一般家庭的保健品市場。
參考文獻
1 余永權.單片機與家用電器智能化技術.北京：電子工業(yè)出版社
2 劉松強.數(shù)字信號處理系統(tǒng)及其應用.北京：清華大學出版社