基于示波法的电子血压计的设计
【摘要】血压是反映血流动力学状态的最主要的监护指标之一，准确地测量血压对于我们的健康有着重要的意义，本文采用BP300S压力传感器实现准确的压力传感，将袖带内的气体压力转换成电信号，给出了基于示波法原理实现的电子血压计的软硬件设计过程。
【关键词】电子血压计;压力传感器;单片机
Abstract：The blood pressure is one of the main monitoring indicator that reflect the hemodynamic status，accurate measuring human body’s blood pressure has important significance to our health. The paper adopt BP300S pressure sensor to realize accurate pressure sensor and convert the gas pressure in the cuff into electrical signals。After that，it gives the design of the haraware and software of electronic blood pressure meter based on oscillometric principle.
Keywords：Electronic bloodpressure meter;Pressure sensor;Single chip microcomputer
引言
随着电子技术的进步，人们生活水平的不断提高，健康已经成为人们越来越关注的话题。许多便携化，家庭化的医学电子仪器逐渐深入到人们的日常生活当中，电子血压计产品目前已在国际市场上占据庞大而稳定的市场。血压计可以让人们随时测量自己的血压状况，也可以了解到自己的身体健康状况，对防病治病、及早发现疾病，都具有重要意义。
目前已有多种方法测定血压波形和血压值，水银血压计是最常用的方法。一般医院使用的水银血压计，是基于柯氏音法，专业医生可以用听诊器进行人工听诊，来判断收缩压和舒张压的值。但是柯氏音法测量血压易受外界干扰，与医生的熟练程度和专业技术有关，容易受环境和测量人员主观因素的影响，存在一定的误差。
示波法测量血压的过程与柯氏音法类似，通过给袖带充气来阻断上臂动脉血流，然后缓慢减压，在放气过程中检测袖带内的气体压力，提取重叠于血管壁搏动的微弱的脉搏波。靠仪器识别脉搏波振幅与气袖压力之间的相应关系，并加以差别，从而得出血压值。与脉搏波最大值对应的是平均压，收缩压和舒张压分别为第一个大于等于0.5倍的k值所对应的血压值及第一个小于等于0.8倍的k值所对应的血压值。
1.系统总体设计
本系统主要由压力传感器BP300，四路运算放大器LM324，两级放大电路，滤波电路，单片机ATmega16和LED显示器组成。核心部分是专用压力传感器BP300，信号处理芯片ATmega16。前者实现准确的压力传感，将袖带内的气体压力转换成电信号，后者控制整个电路的工作，使用AVR单片机ATmega16实现对信号的采集，处理，将收缩压和舒张压在LED屏上显示出来。系统整体设计框图如图1所示：
2.系统硬件设计
2.1 前置放大电路
生物电信号源本身是高内阻的微弱电信号源，所提取的被测信号非常微弱。而传感器和电路中的器件又会产生噪声。此外，从传感器获得的信号常为差模小信号，并含有较大共模部分，其数值有时远大于差模信号。因此，仪用放大器除具有足够大的放大倍数外，还应具有高输入电阻和高共模抑制比。同相并联结构前置放大电路，是生物放大器前置级经常采用的设计方案，本文选用由三运放构成的仪用放大器，如图2所示。
图3 滤波电路
2.2 滤波电路
在生命活动中，生物体的各种信息都是同时存在并彼此相关的，是一个极其复杂的系统，因此从生物体中有效的提取被测信号，是医学测量的重要问题。从传感器输出的信号实际是脉搏波与静压力信号的叠加，还有其他来自外界信号的高频干扰或直流低频分量，实际测压时，如果被测者身体移动可能会产生较大的干扰，而这种干扰与脉搏波的频率很相近，且幅值较大，另外50Hz工频干扰无处不在，所以应该采用抗干扰措施。虽然传感器有放大功能，但对脉搏波的放大能力有限，主要还是静压力信号，静压力信号属于低频信号，频率小于等于0.04Hz，脉搏波信号大约在0.1至30Hz左右，因此将混合信号分为两路，一路直接输入单片机进行模数转换，另一路经滤波放大后使其幅度尽量接近单片机模数转换模块的允许上限，提高采集数据的精度。采用了二阶无限增益多路反馈低通滤波，如图3所示。
2.3 二级放大电路的设计
理论上对于微弱的脉搏波可以通过一次放大达到要求，但是由于各种因素的影响，实验过程中前置放大电路仪表放大器的增益倍数越大，误差越大，所以放大倍数有限，实验中前置放大仅对信号放大了十倍，滤波后再通过二次放大对信号进行处理。采用反向放大电路，如图4所示。
图4 二级放大电路
图5 程序流程图
3.系统软件设计
主要运用AVR单片机的AD转化功能，实现数据的采集和存储，并利用算法对信号进行处理。
从生理上讲，人的血压一般在180mmHg以下，启动单片机，在袖带开始充气后对气体压力进行检测，当压力快接近200mmHg时，停止充气，用放气阀匀速放气，此时分别通过AVR单片机的PA1口和PA2口接收袖带内静压力信号和脉搏压，并转化为数字信号，将静压力信号的值存入血压数组，找出采集的每组脉搏波的峰值，存入脉搏波数组。信号采集完后，利用主函数处理数据，找出脉搏波数组的最大值，与之对应时刻的血压数组的值即为平均压，记为k，找出第一个大于等于0.5倍的k值所对应的血压值为收缩压，第一个小于等于0.8倍的k值所对应的血压值为舒张压。图5所示为软件设计流程图。
4.实验结果与分析
选取10组测量者，对同一个测量者在相同时间，相同地点分别采用本电子血压计和水银血压计进行测量，将测量结果进行比较以后，本血压计的测量结果均略有偏大，但可以控制在10mmHg的误差范围内。本电子血压计还有许多需要完善的地方，比如传统袖带式的固定方式可以改为指套式来测量，可以改进算法加快程序执行速度，增强血压计测量的准确性。
参考文献
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基金项目：2013年长治医学院校级课题“现代教育技术与专业教学的有效整合”。
作者简介：李瑞霞（1979—），女，山西沁水人，硕士研究生，讲师，主要从事生物医学工程方面的研究。
通讯作者：周晋阳（1958—），男，山西长治人，大学本科，教授，主要从事生物医学工程方面的研究。