用MC68HC05SR3研制的脉象血压仪系统
2009-05-05
作者：张吉文 余永权
摘 要： 采用MC68HC05SR3与MPX50GP所研制的脉象血压仪，利用此血压仪可进行高低血压、心律的测定以及脉象的动静态捕捉显示。
关键词： 收缩压 舒张压 脉象 平滑滤波 LMS自适应算法
测量血压的传统仪器是机械式水银血压计，电子血压计是最近几年才出现在市场上的。国内市场上常见的是Omron系列血压计，其产品已较成熟，而且已开发出品种较齐全的不同系列。当前的电子血压计与机械式的相比，虽然操作简单，界面友好，但在准确性，稳定性上则不太理想，因而很难应用于医学专门领域。
脉诊是中医“望闻问切”四诊之一。其法就是通过对脉象的诊断，以估察病人的大致疾病，探察人体是否阴阳失调、虚实寒热等中医所特有的征候。用电子设备来测量“脉象”，国内也有过有关专家论述，但“脉象”信号的提纯难度较大。由于非线性变形以及各种干扰的影响，最终提取的信号往往已经面目全非，所以至今尚未有单位研制实现过。
本系统的研制力求能把血压、心律、脉象的测量融为一体，以用于临床医学。我们在研究国内外已有产品或设计构思的基础上，引入了多种先进的信号处理技术与智能技术，从而尽量排除脉象提取处理中的噪声干扰与非线性变形，提高血压测量的准确性与稳定性，并加强了操作上的自动性和智能性。目前本仪器已初步研制成功，其血压的测量已远比市面上同类血压计的效果好，脉象的提取也较理想。
1 测量原理
本设计所用的传感器是Motorola公司的MPX50GP压强传感器。在0～40kPa的压强范围内其输出电压信号范围是20～60mV。微控制器采用Motorola公司的通用8位单片机MC68HC05SR3。图形点阵液晶采用大连东方电脑有限公司的EDM12864B。
收缩压与舒张压的确定类似于机械式血压测量。手臂和它的脉管采用一个环绕的气泵的袖套来箍压。在自动泵气的同时，对脉冲信号BP，袖套压强信号CP同时进行跟踪监测。随着CP的增大，BP信号会出现并且振幅不断增大，但增大到一定值后，振幅又会趋向于减小，直至BP信号最终消失。BP信号消失后，再加压CP信号5kPa左右。
在排气过程中，设定一个收缩压的阀值与一个舒张压的阀值。随着排气的进行，当CP下降到一定值时，BP又会重新出现，这时脉搏已冲开给阻塞住的脉管。对BP信号继续进行跟踪检测，当其振幅超过收缩压的阀值时，此时的CP值就是收缩压的大小。继续跟踪BP，随后的BP信号振幅会继续增大到一定值然后下降，当其降到所设定的舒张压的阀值时，此时所得的CP值就是舒张压的大小。
在排气中，把BP信号转换为矩形波，利用此矩形波来触发中断进行计数n，同时对其进行计时t，则心律为
在捕定收缩压之后CP再下降2kPa左右，BP信号最强，此时对其进行快速的采集，大约在1.5BP周期内采样128个数据，对此数据经过平滑与滤噪处理后就可得到64×128点阵的静态脉象图形。
动态脉象的实时跟踪显示需另外进行。在其跟踪显示中，根据跟踪时采样刷新速率的不同可提供几种模式以供选择。为了获得更理想的动态显示效果，应控制CP在一个合适的范围内变化，最理想的情况是CP始终恒定在一个点上。为了便于医学诊断，在动态显示的同时提供对典型脉象的在线捕捉。
2 总体方案的设计
本设计的系统框图如图1所示：
微控制对袖套的泵排气进行控制，脉搏信号传感器对袖套内的气压进行感测转换。压强传感器输出的电信号是很微弱的，压强变化所产生的电信号只有几μV，而无效的偏压却有20μV左右并混有大量的高频噪声。因而，前置放大级要对信号进行差动一级放大并去噪，再进行零点调整与二级放大。
信号分离部分完成CP信号与BP信号的分离。所得的CP信号进行A/D转换后直接输出至压力检测通道。分离出的BP信号相对微弱得多且存在一些敏感的高频干扰(主要是电源的50Hz干扰，其频率较1Hz左右的BP信号为高)，因而后级放大部分对其进行高频滤波后再进行三级放大。所得的信号又分成两路：一路A/D转换后进入微控器通道，微控器将对其进行数字滤波等各种数字处理。另一路则被整形转换为矩形波，矩形波用于触发中断，从而进行计时捕捉。
软件部分是整个系统有效工作的核心，软件系统的功能结构图如图2所示。
3 研制中的几个关键问题
3.1 BP信号与CP信号的分离
传感器MPX50GP的输出由两个信号组成：脉动信号BP(1Hz左右)加在排气压降信号CP(＜0.4Hz)上。因此一个两级高通滤波器被设计用于在BP信号进入后级放大之前与CP信号分开。假如CP信号没有被很好的抑制，BP信号的基线就不能稳定，从而造成每个脉动振荡不能有相同的比较基准。图3给出了一个同时具有放大与高通滤波的两级过滤器电路。
过滤器由两个RC网络组成，这确定了两个截止频率。两级的RC网络应小心选择以确保脉动振荡信号不会失真或丢失。两个截止频率能由如下的公式大致得出。
同时本过滤器的增益。由R2/R1决定，利用此增益可对分离出的极微小的BP信号进行一次有效的放大。C3用来滤去高频成份。
经过此过滤器分离出的BP信号再经过基线校准、毛刺噪声的滤波、放大等处理后其振幅的变化将是判定收缩压、舒张压的依据。
3.2 各种噪声的抑制
无论是血压还是脉象的测量，都有一个极其关键的问题：最终所得到的信号能在多大程度上如实地反映脉动的真实变化。但同时，由于最初传感器所输出的信号是及其微弱的，如果电路设计得不够合理，这微弱的信号就足以完全被噪声淹没。所以为了尽量地消除外来的噪声干扰，在每一级的放大电路里，都应有相应的噪声滤除或抑制电路，此外要尽量的消除分布电容与分布电感的耦合，必要处要进行屏蔽。
第二个问题是由于进行了多级放大，放大过程中的非线性变形，以及由于器件的老化或温度所造成的漂移也是不容忽视的，所以必须要有对应的动态补偿电路，并在软件上也进行自动回零的校正。
3.3 信号检测上的数字处理
在测量的过程中，若要获得正确的测量结果，被测者必须要尽量做到保持不动，也不能在被缚的臂膀上有肌肉突然紧张的现象，否则所造成的臂膀膨胀或收缩就会形成一个脉冲的假信号，同时也将改变CP信号。像这样由被测者的动作所造成的不正确测量是血压测量中一种典型的随机信号的干扰，由于这种干扰的影响太大，所以必须要加以解决。这种干扰类似于脑电图测量中的眼假象干扰。所以本设计也采用数字信号处理技术中的自适应滤波技术来克服它，其中自适应算法采用LMS自适应算法。
软件上进行自动回零的校正是必要的。利用软件上的自动回零校正技术，可以很好地消除元器件的老化或环境温度等的变化所产生的失调误差。当信号采集系统接口于微控器时，自动回零技术是很容易实现的。本设计利用上电启动时所经历的状态为零压状态(上电启动时要保证已拔开进气塞)，具体算法如下：
·在上电启动时采样传感器输出，存储当前零压参考点的失调电压值CZP。
·在当前所测压强下采样传感器输出(包括BP与CP)，称其为SP。
·从SP中减去CZP。
测脉象时，需要对波形进行平滑处理。在数字信号处理中，常用的平滑滤波方法是移动平均法与中值滤波法。移动平均滤波法适于实时应用，可以有效地降低信号的高频背景噪声；而中值滤波则对高频毛刺的抑制作用更强。为了获得尽量好的脉象波形，本设计综合应用了这两种方法。
对于脉搏的测量，则采用了累加平均法来优化其结果。累加平均法的使用条件是：
·所要提取部分必须是重复的周期性信号，所要抑制的部分应该是随机噪声；
·必须有一个同步触发信号，使得每次测量能够精确的重复。
应用累加平均法可以很好地排除随机噪声以提纯脉搏的周期。
3.4 面向用户的一些设计
本仪器在设计的过程中尽量做到了交互界面的简单化，易操作性与易读性。这除了技术上所具有的充、放气的自动性，泵压点的自适应智能外，还做到了下面几点：
·仅用3个按键就实现了所有的控制功能；
·按键操作是安全的。也就是说暂时不可用的键已由内部程序暂时给关掉了，决不会因用户的不合适按键产生错误操作；
·有简单明了的指示灯或蜂鸣信号提示；
·液晶显示的各界面形象而简洁；
·任何时候都可用关掉电源开关来停止测量后零压点的重新测定。
综上所述，本系统在测量的准确性、精确度以及清晰度、稳定性上都已达到了相当高的要求，可适用于临床医学诊断。同时由于操作简单，自动性、智能性强、界面友好简洁，且成本不高，因而也适用于面向一般家庭的保健品市场。
参考文献
1 余永权.单片机与家用电器智能化技术.北京：电子工业出版社
2 刘松强.数字信号处理系统及其应用.北京：清华大学出版社