高血压是引起心血管疾病的罪魁祸首之一。动态电子血压仪器体积小，测量方便，能有效地检测和预防高血压病的发生。目前用于临床的无创电子血压监护仪大多采用示波法原理进行血压测量[1]，但该方法受到脉冲峰值包络线形状的影响，其准确性和重复性难以让人满意[2]。本文提出一种新嵌入式动态血压监测仪的设计方案，具有测量精度高、重复性好、便携式、功耗低等特点，适用于社区医疗和家庭监护等场合。

1 系统硬件设计
    所设计的嵌入式动态血压监测仪主要由微处理模块、信号预处理模块、驱动电路、压力传感器以及充气泵等装置构成[3]。如图1所示。

1.1 微处理器模块
    微处理器（MCU）是系统的核心，它完成血压信号采集、处理、存储以及人机接口控制等功能。为了满足设计要求，选用STM32系列32位微处理器STM32F103RBT6，该微处理器基于ARM Cortex-M3内核，片上资源丰富，内置2个16通道12位模/数转换器，及其各种类型的高速串口，具备带唤醒功能的低功耗模式，特别适用于低功耗、高性能、低成本的嵌入式应用。
1.2 信号预处理模块
    本设计的血压测量采用示波法，通过检测袖带充放气和动脉搏动产生的复合压力信号的变化对血压值进行判定。由于本系统对气阀采用智能控制策略，因此袖套内的气泵充放气可实现智能控制。传感器采用灵敏度高、稳定性好的微型压力传感器，负责袖套内压力信号的检测。由于获得的信号是袖带充放气和动脉搏动产生的复合压力信号，为了分离脉搏波信号和适应临床应用的血压信号，必须对采集的复合压力信号进行预处理[4]。信号预处理模块由放大器、低通滤波器和高通滤波器等组成。其中信号放大器选择高性能仪表放大器AD620，它具有共模抑制比高、增益控制简单、功耗低等特点，非常适合弱信号放大。
    为了从采集的复合信号中分离出脉搏波信号和袖带充放气压力信号，本系统设计了一个低通滤波器和一个高频滤波器。压力传感器输出的复合压力信号经前置放大器放大后被送到低通滤波器，去除高频噪声后的输出一方面作为袖带充放气压力信号被送入微处理器内置的A/D转换器，另一方面继续被送入一个高频滤波器，得到所需的脉搏波信号，通过放大器放大后的脉搏波信号也被送入微处理器内置的A/D转换器中。
1.3 人机交互模块
    本系统采用ALIENTEK的2.8英寸TFT LCD模块作为人机交互模块，LCD显示模块控制器选择ILI9320，触摸屏控制器XPT2046为该模块自带。触摸屏用来控制输入，LCD用来显示所采集的血压信号。
2 软件设计
    本系统软件在Keil MDK 3.80A开发环境中调试完成。程序设计采用C语言，它主要实现袖带充放器智能控制、血压信号采集、压力信号合成及脉搏波信号的LCD实时显示，并实现触屏人机交互界面控制、动态血压信号拟合、血压值的计算等。
    除了常规的血压信号采集、系统控制、信号分离以及信号实时显示等模块的程序设计外，动态血压信号拟合算法、血压值的计算是决定本动态血压监测系统精度的关键。
    在示波法血压测量过程中，根据脉搏波幅度与袖带压力之间的关系来估计血压。脉搏波最大值对应的是平均压，收缩压Ps和舒张压Pd分别由对应的脉搏波最大幅值的比例来确定[5]。人体脉搏波信号是一种微弱信号，信噪比较低。在检测和采集时，由于受测量仪器、人体等方面的影响，所采集的信号中通常存在如下两类噪声：一类是50 Hz的工频干扰、基线漂移、人体呼吸等低频干扰，其频率小于1 Hz；另一类是由于受测者肢体抖动、肌肉紧张而引起的干扰，其频率范围较大。这些干扰信号对脉搏波信号的后续分析处理都会带来很大的影响。脉搏波峰值点可以由如下表达式表示：   
  

    本算法考虑到脉搏波信号样本的整体噪声（包括人体噪声和测量噪声），设定初始高斯分布参数,然后计算样本值与对应的高斯分布值之差的平方以得到各个样本的噪声值，再计算所得的各个样本的噪声值之和。用本次迭代得出的整体噪声与上次迭代得出的整体噪声相比，若两者之差小于收敛指标，则判断为收敛。选择合适的收敛判断方式和收敛指标，有利于在脉搏波信号处理时间和处理精度之间达到平衡。当收敛判断单元判断整体噪声收敛时，确定出整体噪声最小化的脉搏波峰值包络线，就可以得出最优化的高斯分布参数μ和σ。
3 实验方法
    从与袖带连接的压力传感器接收脉搏波信号，取得多个脉搏波信号样本。从压力传感器接收的脉搏波信号是模拟信号，通过模数转换器（ADC）转换为数字信号。采样点数可以根据测量精度和测量时间的要求确定。图3是使用本算法得到的人体脉搏波的包络曲线示意图。其中，曲线①是经过归一化处理的人体脉搏波的包络曲线，曲线②是高斯分布曲线拟合计算所得的曲线。可以看出，曲线①中噪声非常大，几乎无法进行收缩压、舒张压的计算；而曲线②是用高斯分布曲线拟合后的脉搏波波峰值包络线，它是整体噪声最小化的平滑曲线，在其基础上可以准确地确定收缩压、舒张压。

    用美国FLUCK BP PUMP2无创血压监护仪测试仪对本系统进行测试，每组血压值重复测试100次。表1是用FLUCK BP PUMP2测试所得到的5组收缩压/舒张压的均值和方差。
    测试结果表明，用本系统多次测量收缩压/舒张压的结果差异不大，重复性较好;收缩压/舒张压均值与用FLUCK BP PUMP2无创血压监护仪测试仪设定的收缩压/舒张压误差约为1%，说明该系统能够较准确地测量收缩压/舒张压。
    本研究应用基于极大似然法估算最优化的高斯分布参数，有效地提高了无创式电子血压测量装置的测量精度；采用嵌入式微处理器技术，设计并实现了一种新型的嵌入式动态血压监测系统。实验结果表明，该系统能够非常方便地对血压信号进行24小时实时监测；与传统的血压监测方法相比较，重复性得到了显著的改善，从而提高了测量精度，为基于无线网络的远程医疗监控提供了可行方案，具有很好的市场应用前景。
参考文献
[1] D′ANGELO L T，LOHMANN M，LUETH T C.A new device for motion-aware ambulatory blood pressure measurement[C].  Proceedings-5th in International Conference on Pervasive Computing Technologies for Healthcare(PervasiveHealth) and Workshops，2011：17-23.
[2] Wang Qun，Wang Yongping.An improved algorithm for noninvasive blood pressure[C].Proceedings in International Symposium on Bioelectronics and Bioinformatics(ISBB)，2011：41-44.
[3] 王勇.基于ARM处理器的便携式心电血压检测仪[J].电子技术应用，2006，32(7)：71-73.
[4] HOSOHATA K，SAITO S，ASAYAMA K.Progress report on  the hypertension objective treatment based on measurement  by electrical devices of blood pressure(HOMED-BP) study：status at february 2004[J].Clinical and Experimental Hypertension，2007，29(1)：69-81.
[5] 曾建国，陈光梦，王健.基于ARM的无线动态血压监护仪的设计[J].中国医疗器械杂志，2006，30（6）：424-427.
[6] 李雪情，张永亮，郑莹莹，等.基于示波法和高斯拟合的血压测量方法[J].传感技术学报，2010，23(12)：1679-1685.