摘 要： 采用MC68HC05SR3與MPX50GP所研制的脈象血壓儀，利用此血壓儀可進(jìn)行高低血壓、心律的測(cè)定以及脈象的動(dòng)靜態(tài)捕捉顯示。
關(guān)鍵詞： 收縮壓 舒張壓 脈象 平滑濾波 LMS自適應(yīng)算法
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測(cè)量血壓的傳統(tǒng)儀器是機(jī)械式水銀血壓計(jì)，電子血壓計(jì)是最近幾年才出現(xiàn)在市場(chǎng)上的。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常見(jiàn)的是Omron系列血壓計(jì)，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(dāng)前的電子血壓計(jì)與機(jī)械式的相比，雖然操作簡(jiǎn)單，界面友好，但在準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性上則不太理想，因而很難應(yīng)用于醫(yī)學(xué)專門領(lǐng)域。
脈診是中醫(yī)“望聞問(wèn)切”四診之一。其法就是通過(guò)對(duì)脈象的診斷，以估察病人的大致疾病，探察人體是否陰陽(yáng)失調(diào)、虛實(shí)寒熱等中醫(yī)所特有的征候。用電子設(shè)備來(lái)測(cè)量“脈象”，國(guó)內(nèi)也有過(guò)有關(guān)專家論述，但“脈象”信號(hào)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(hào)往往已經(jīng)面目全非，所以至今尚未有單位研制實(shí)現(xiàn)過(guò)。
本系統(tǒng)的研制力求能把血壓、心律、脈象的測(cè)量融為一體，以用于臨床醫(yī)學(xué)。我們?cè)谘芯繃?guó)內(nèi)外已有產(chǎn)品或設(shè)計(jì)構(gòu)思的基礎(chǔ)上，引入了多種先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)與智能技術(shù)，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(cè)量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，并加強(qiáng)了操作上的自動(dòng)性和智能性。目前本儀器已初步研制成功，其血壓的測(cè)量已遠(yuǎn)比市面上同類血壓計(jì)的效果好，脈象的提取也較理想。
1 測(cè)量原理
本設(shè)計(jì)所用的傳感器是Motorola公司的MPX50GP壓強(qiáng)傳感器。在0～40kPa的壓強(qiáng)范圍內(nèi)其輸出電壓信號(hào)范圍是20～60mV。微控制器采用Motorola公司的通用8位單片機(jī)MC68HC05SR3。圖形點(diǎn)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(jī)械式血壓測(cè)量。手臂和它的脈管采用一個(gè)環(huán)繞的氣泵的袖套來(lái)箍壓。在自動(dòng)泵氣的同時(shí)，對(duì)脈沖信號(hào)BP，袖套壓強(qiáng)信號(hào)CP同時(shí)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。隨著CP的增大，BP信號(hào)會(huì)出現(xiàn)并且振幅不斷增大，但增大到一定值后，振幅又會(huì)趨向于減小，直至BP信號(hào)最終消失。BP信號(hào)消失后，再加壓CP信號(hào)5kPa左右。
在排氣過(guò)程中，設(shè)定一個(gè)收縮壓的閥值與一個(gè)舒張壓的閥值。隨著排氣的進(jìn)行，當(dāng)CP下降到一定值時(shí)，BP又會(huì)重新出現(xiàn)，這時(shí)脈搏已沖開給阻塞住的脈管。對(duì)BP信號(hào)繼續(xù)進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，當(dāng)其振幅超過(guò)收縮壓的閥值時(shí)，此時(shí)的CP值就是收縮壓的大小。繼續(xù)跟蹤BP，隨后的BP信號(hào)振幅會(huì)繼續(xù)增大到一定值然后下降，當(dāng)其降到所設(shè)定的舒張壓的閥值時(shí)，此時(shí)所得的CP值就是舒張壓的大小。
在排氣中，把BP信號(hào)轉(zhuǎn)換為矩形波，利用此矩形波來(lái)觸發(fā)中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)n，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行計(jì)時(shí)t，則心律為
在捕定收縮壓之后CP再下降2kPa左右，BP信號(hào)最強(qiáng)，此時(shí)對(duì)其進(jìn)行快速的采集，大約在1.5BP周期內(nèi)采樣128個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)此數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)平滑與濾噪處理后就可得到64×128點(diǎn)陣的靜態(tài)脈象圖形。
動(dòng)態(tài)脈象的實(shí)時(shí)跟蹤顯示需另外進(jìn)行。在其跟蹤顯示中，根據(jù)跟蹤時(shí)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(dòng)態(tài)顯示效果，應(yīng)控制CP在一個(gè)合適的范圍內(nèi)變化，最理想的情況是CP始終恒定在一個(gè)點(diǎn)上。為了便于醫(yī)學(xué)診斷，在動(dòng)態(tài)顯示的同時(shí)提供對(duì)典型脈象的在線捕捉。
2 總體方案的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示：
微控制對(duì)袖套的泵排氣進(jìn)行控制，脈搏信號(hào)傳感器對(duì)袖套內(nèi)的氣壓進(jìn)行感測(cè)轉(zhuǎn)換。壓強(qiáng)傳感器輸出的電信號(hào)是很微弱的，壓強(qiáng)變化所產(chǎn)生的電信號(hào)只有幾μV，而無(wú)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(jí)要對(duì)信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)一級(jí)放大并去噪，再進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整與二級(jí)放大。
信號(hào)分離部分完成CP信號(hào)與BP信號(hào)的分離。所得的CP信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后直接輸出至壓力檢測(cè)通道。分離出的BP信號(hào)相對(duì)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(hào)為高)，因而后級(jí)放大部分對(duì)其進(jìn)行高頻濾波后再進(jìn)行三級(jí)放大。所得的信號(hào)又分成兩路：一路A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入微控器通道，微控器將對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波等各種數(shù)字處理。另一路則被整形轉(zhuǎn)換為矩形波，矩形波用于觸發(fā)中斷，從而進(jìn)行計(jì)時(shí)捕捉。
軟件部分是整個(gè)系統(tǒng)有效工作的核心，軟件系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
3 研制中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題
3.1 BP信號(hào)與CP信號(hào)的分離
傳感器MPX50GP的輸出由兩個(gè)信號(hào)組成：脈動(dòng)信號(hào)BP(1Hz左右)加在排氣壓降信號(hào)CP(＜0.4Hz)上。因此一個(gè)兩級(jí)高通濾波器被設(shè)計(jì)用于在BP信號(hào)進(jìn)入后級(jí)放大之前與CP信號(hào)分開。假如CP信號(hào)沒(méi)有被很好的抑制，BP信號(hào)的基線就不能穩(wěn)定，從而造成每個(gè)脈動(dòng)振蕩不能有相同的比較基準(zhǔn)。圖3給出了一個(gè)同時(shí)具有放大與高通濾波的兩級(jí)過(guò)濾器電路。
過(guò)濾器由兩個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)組成，這確定了兩個(gè)截止頻率。兩級(jí)的RC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)小心選擇以確保脈動(dòng)振蕩信號(hào)不會(huì)失真或丟失。兩個(gè)截止頻率能由如下的公式大致得出。
同時(shí)本過(guò)濾器的增益。由R2/R1決定，利用此增益可對(duì)分離出的極微小的BP信號(hào)進(jìn)行一次有效的放大。C3用來(lái)濾去高頻成份。
經(jīng)過(guò)此過(guò)濾器分離出的BP信號(hào)再經(jīng)過(guò)基線校準(zhǔn)、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(wú)論是血壓還是脈象的測(cè)量，都有一個(gè)極其關(guān)鍵的問(wèn)題：最終所得到的信號(hào)能在多大程度上如實(shí)地反映脈動(dòng)的真實(shí)變化。但同時(shí)，由于最初傳感器所輸出的信號(hào)是及其微弱的，如果電路設(shè)計(jì)得不夠合理，這微弱的信號(hào)就足以完全被噪聲淹沒(méi)。所以為了盡量地消除外來(lái)的噪聲干擾，在每一級(jí)的放大電路里，都應(yīng)有相應(yīng)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(jìn)行屏蔽。
第二個(gè)問(wèn)題是由于進(jìn)行了多級(jí)放大，放大過(guò)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(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電路，并在軟件上也進(jìn)行自動(dòng)回零的校正。
3.3 信號(hào)檢測(cè)上的數(shù)字處理
在測(cè)量的過(guò)程中，若要獲得正確的測(cè)量結(jié)果，被測(cè)者必須要盡量做到保持不動(dòng)，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(huì)形成一個(gè)脈沖的假信號(hào)，同時(shí)也將改變CP信號(hào)。像這樣由被測(cè)者的動(dòng)作所造成的不正確測(cè)量是血壓測(cè)量中一種典型的隨機(jī)信號(hào)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(cè)量中的眼假象干擾。所以本設(shè)計(jì)也采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)中的自適應(yīng)濾波技術(shù)來(lái)克服它，其中自適應(yīng)算法采用LMS自適應(yīng)算法。
軟件上進(jìn)行自動(dòng)回零的校正是必要的。利用軟件上的自動(dòng)回零校正技術(shù)，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(diào)誤差。當(dāng)信號(hào)采集系統(tǒng)接口于微控器時(shí)，自動(dòng)回零技術(shù)是很容易實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)利用上電啟動(dòng)時(shí)所經(jīng)歷的狀態(tài)為零壓狀態(tài)(上電啟動(dòng)時(shí)要保證已拔開進(jìn)氣塞)，具體算法如下：
·在上電啟動(dòng)時(shí)采樣傳感器輸出，存儲(chǔ)當(dāng)前零壓參考點(diǎn)的失調(diào)電壓值CZP。
·在當(dāng)前所測(cè)壓強(qiáng)下采樣傳感器輸出(包括BP與CP)，稱其為SP。
·從SP中減去CZP。
測(cè)脈象時(shí)，需要對(duì)波形進(jìn)行平滑處理。在數(shù)字信號(hào)處理中，常用的平滑濾波方法是移動(dòng)平均法與中值濾波法。移動(dòng)平均濾波法適于實(shí)時(shí)應(yīng)用，可以有效地降低信號(hào)的高頻背景噪聲；而中值濾波則對(duì)高頻毛刺的抑制作用更強(qiáng)。為了獲得盡量好的脈象波形，本設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用了這兩種方法。
對(duì)于脈搏的測(cè)量，則采用了累加平均法來(lái)優(yōu)化其結(jié)果。累加平均法的使用條件是：
·所要提取部分必須是重復(fù)的周期性信號(hào)，所要抑制的部分應(yīng)該是隨機(jī)噪聲；
·必須有一個(gè)同步觸發(fā)信號(hào)，使得每次測(cè)量能夠精確的重復(fù)。
應(yīng)用累加平均法可以很好地排除隨機(jī)噪聲以提純脈搏的周期。
3.4 面向用戶的一些設(shè)計(jì)
本儀器在設(shè)計(jì)的過(guò)程中盡量做到了交互界面的簡(jiǎn)單化，易操作性與易讀性。這除了技術(shù)上所具有的充、放氣的自動(dòng)性，泵壓點(diǎn)的自適應(yīng)智能外，還做到了下面幾點(diǎn)：
·僅用3個(gè)按鍵就實(shí)現(xiàn)了所有的控制功能；
·按鍵操作是安全的。也就是說(shuō)暫時(shí)不可用的鍵已由內(nèi)部程序暫時(shí)給關(guān)掉了，決不會(huì)因用戶的不合適按鍵產(chǎn)生錯(cuò)誤操作；
·有簡(jiǎn)單明了的指示燈或蜂鳴信號(hào)提示；
·液晶顯示的各界面形象而簡(jiǎn)潔；
·任何時(shí)候都可用關(guān)掉電源開關(guān)來(lái)停止測(cè)量后零壓點(diǎn)的重新測(cè)定。
綜上所述，本系統(tǒng)在測(cè)量的準(zhǔn)確性、精確度以及清晰度、穩(wěn)定性上都已達(dá)到了相當(dāng)高的要求，可適用于臨床醫(yī)學(xué)診斷。同時(shí)由于操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)性、智能性強(qiáng)、界面友好簡(jiǎn)潔，且成本不高，因而也適用于面向一般家庭的保健品市場(chǎng)。
參考文獻(xiàn)
1 余永權(quán).單片機(jī)與家用電器智能化技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社
2 劉松強(qiáng).數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)及其應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社