《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種新型的嵌入式動態(tài)血壓監(jiān)測儀研制
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第5期
鄧 琛1,，梁曉鋒2,，梁鑒如1，滕旭東1
1.上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院,，上海201600,； 2.西安睿創(chuàng)電子科技有限公司，陜西 西安710075
摘要： 提出一種基于ARM Cortex-M3的嵌入式動態(tài)血壓監(jiān)測儀的設(shè)計方案,。該方案采用高斯分布曲線對人體脈搏波包絡(luò)進行擬合,，通過優(yōu)化高斯分布參數(shù)和狀態(tài)反饋參數(shù), 提高了算法運算速度和精度,實驗結(jié)果表明新型的嵌入式動態(tài)血壓監(jiān)測儀具有精度高、重復(fù)性好,、抗干擾能力強等特點,。
中圖分類號： TP274+.5
文獻標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)05-0029-03
Design and development of a new embedded ambulatory blood pressure monitoring system
Deng Chen1，Liang Xiaofeng2,，Liang Jianru1,，Teng Xudong1
1.Institute of Electrical and Electronic Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201600,，China,； 2.Xi′an Rironic Electronic Technology Co.，Ltd.,，Xi′an 710075,，China
Abstract： This paper proposes a design program of embedded dynamic blood pressure monitor based on ARM Cortex-M3. An improved algorithm is put forward in this scheme，which uses Gauss distribution curve to fit the envelope of human pulse wave. The experimental results show that the method is effective.
Key words : ambulatory blood pressure measurement,；embedded microprocessor,；Gauss curve fitting；peak envelope

    高血壓是引起心血管疾病的罪魁禍?zhǔn)字?。動態(tài)電子血壓儀器體積小,，測量方便，能有效地檢測和預(yù)防高血壓病的發(fā)生,。目前用于臨床的無創(chuàng)電子血壓監(jiān)護儀大多采用示波法原理進行血壓測量[1],，但該方法受到脈沖峰值包絡(luò)線形狀的影響，其準(zhǔn)確性和重復(fù)性難以讓人滿意[2],。本文提出一種新嵌入式動態(tài)血壓監(jiān)測儀的設(shè)計方案,，具有測量精度高、重復(fù)性好,、便攜式,、功耗低等特點，適用于社區(qū)醫(yī)療和家庭監(jiān)護等場合,。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    所設(shè)計的嵌入式動態(tài)血壓監(jiān)測儀主要由微處理模塊,、信號預(yù)處理模塊、驅(qū)動電路,、壓力傳感器以及充氣泵等裝置構(gòu)成[3],。如圖1所示。

1.1 微處理器模塊
    微處理器（MCU）是系統(tǒng)的核心,，它完成血壓信號采集,、處理、存儲以及人機接口控制等功能,。為了滿足設(shè)計要求,，選用STM32系列32位微處理器STM32F103RBT6，該微處理器基于ARM Cortex-M3內(nèi)核,，片上資源豐富,，內(nèi)置2個16通道12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，及其各種類型的高速串口,，具備帶喚醒功能的低功耗模式,，特別適用于低功耗,、高性能、低成本的嵌入式應(yīng)用,。
1.2 信號預(yù)處理模塊
    本設(shè)計的血壓測量采用示波法,，通過檢測袖帶充放氣和動脈搏動產(chǎn)生的復(fù)合壓力信號的變化對血壓值進行判定。由于本系統(tǒng)對氣閥采用智能控制策略,，因此袖套內(nèi)的氣泵充放氣可實現(xiàn)智能控制,。傳感器采用靈敏度高、穩(wěn)定性好的微型壓力傳感器,，負(fù)責(zé)袖套內(nèi)壓力信號的檢測,。由于獲得的信號是袖帶充放氣和動脈搏動產(chǎn)生的復(fù)合壓力信號，為了分離脈搏波信號和適應(yīng)臨床應(yīng)用的血壓信號,，必須對采集的復(fù)合壓力信號進行預(yù)處理[4],。信號預(yù)處理模塊由放大器、低通濾波器和高通濾波器等組成,。其中信號放大器選擇高性能儀表放大器AD620,，它具有共模抑制比高、增益控制簡單,、功耗低等特點,，非常適合弱信號放大。
    為了從采集的復(fù)合信號中分離出脈搏波信號和袖帶充放氣壓力信號,，本系統(tǒng)設(shè)計了一個低通濾波器和一個高頻濾波器,。壓力傳感器輸出的復(fù)合壓力信號經(jīng)前置放大器放大后被送到低通濾波器,，去除高頻噪聲后的輸出一方面作為袖帶充放氣壓力信號被送入微處理器內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器,，另一方面繼續(xù)被送入一個高頻濾波器，得到所需的脈搏波信號,，通過放大器放大后的脈搏波信號也被送入微處理器內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器中,。
1.3 人機交互模塊
    本系統(tǒng)采用ALIENTEK的2.8英寸TFT LCD模塊作為人機交互模塊，LCD顯示模塊控制器選擇ILI9320,，觸摸屏控制器XPT2046為該模塊自帶,。觸摸屏用來控制輸入，LCD用來顯示所采集的血壓信號,。
2 軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)軟件在Keil MDK 3.80A開發(fā)環(huán)境中調(diào)試完成,。程序設(shè)計采用C語言，它主要實現(xiàn)袖帶充放器智能控制,、血壓信號采集,、壓力信號合成及脈搏波信號的LCD實時顯示，并實現(xiàn)觸屏人機交互界面控制,、動態(tài)血壓信號擬合,、血壓值的計算等,。
    除了常規(guī)的血壓信號采集、系統(tǒng)控制,、信號分離以及信號實時顯示等模塊的程序設(shè)計外,，動態(tài)血壓信號擬合算法、血壓值的計算是決定本動態(tài)血壓監(jiān)測系統(tǒng)精度的關(guān)鍵,。
    在示波法血壓測量過程中,，根據(jù)脈搏波幅度與袖帶壓力之間的關(guān)系來估計血壓。脈搏波最大值對應(yīng)的是平均壓,，收縮壓Ps和舒張壓Pd分別由對應(yīng)的脈搏波最大幅值的比例來確定[5],。人體脈搏波信號是一種微弱信號，信噪比較低,。在檢測和采集時,，由于受測量儀器、人體等方面的影響,，所采集的信號中通常存在如下兩類噪聲：一類是50 Hz的工頻干擾,、基線漂移、人體呼吸等低頻干擾,，其頻率小于1 Hz,；另一類是由于受測者肢體抖動、肌肉緊張而引起的干擾,，其頻率范圍較大,。這些干擾信號對脈搏波信號的后續(xù)分析處理都會帶來很大的影響。脈搏波峰值點可以由如下表達(dá)式表示：   
  

    本算法考慮到脈搏波信號樣本的整體噪聲（包括人體噪聲和測量噪聲）,，設(shè)定初始高斯分布參數(shù),然后計算樣本值與對應(yīng)的高斯分布值之差的平方以得到各個樣本的噪聲值,，再計算所得的各個樣本的噪聲值之和。用本次迭代得出的整體噪聲與上次迭代得出的整體噪聲相比,，若兩者之差小于收斂指標(biāo),，則判斷為收斂。選擇合適的收斂判斷方式和收斂指標(biāo),，有利于在脈搏波信號處理時間和處理精度之間達(dá)到平衡,。當(dāng)收斂判斷單元判斷整體噪聲收斂時，確定出整體噪聲最小化的脈搏波峰值包絡(luò)線,，就可以得出最優(yōu)化的高斯分布參數(shù)μ和σ,。
3 實驗方法
    從與袖帶連接的壓力傳感器接收脈搏波信號，取得多個脈搏波信號樣本,。從壓力傳感器接收的脈搏波信號是模擬信號,，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。采樣點數(shù)可以根據(jù)測量精度和測量時間的要求確定,。圖3是使用本算法得到的人體脈搏波的包絡(luò)曲線示意圖,。其中,，曲線①是經(jīng)過歸一化處理的人體脈搏波的包絡(luò)曲線，曲線②是高斯分布曲線擬合計算所得的曲線,?？梢钥闯觯€①中噪聲非常大,，幾乎無法進行收縮壓,、舒張壓的計算；而曲線②是用高斯分布曲線擬合后的脈搏波波峰值包絡(luò)線,，它是整體噪聲最小化的平滑曲線,，在其基礎(chǔ)上可以準(zhǔn)確地確定收縮壓、舒張壓,。

 

 

    用美國FLUCK BP PUMP2無創(chuàng)血壓監(jiān)護儀測試儀對本系統(tǒng)進行測試,，每組血壓值重復(fù)測試100次。表1是用FLUCK BP PUMP2測試所得到的5組收縮壓/舒張壓的均值和方差,。
    測試結(jié)果表明,，用本系統(tǒng)多次測量收縮壓/舒張壓的結(jié)果差異不大，重復(fù)性較好;收縮壓/舒張壓均值與用FLUCK BP PUMP2無創(chuàng)血壓監(jiān)護儀測試儀設(shè)定的收縮壓/舒張壓誤差約為1%,，說明該系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地測量收縮壓/舒張壓,。
    本研究應(yīng)用基于極大似然法估算最優(yōu)化的高斯分布參數(shù)，有效地提高了無創(chuàng)式電子血壓測量裝置的測量精度,；采用嵌入式微處理器技術(shù),，設(shè)計并實現(xiàn)了一種新型的嵌入式動態(tài)血壓監(jiān)測系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明,，該系統(tǒng)能夠非常方便地對血壓信號進行24小時實時監(jiān)測,；與傳統(tǒng)的血壓監(jiān)測方法相比較，重復(fù)性得到了顯著的改善,，從而提高了測量精度,，為基于無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控提供了可行方案,，具有很好的市場應(yīng)用前景,。
參考文獻
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