《电子技术应用》
您所在的位置:首页 > 其他 > 业界动态 > 基于ARM的便携式心血管无创检测系统

基于ARM的便携式心血管无创检测系统

2008-07-08
赵学玲1,2,徐可欣1,张乐石1

    摘 要: 根据脉搏波" title="脉搏波">脉搏波信号和修正了的弹性腔分室网络模型,设计和开发了基于ARM的便携式心血管无创检测系统。介绍了传感器设计中温度补偿、信号调理、键盘以及电源管理等几个关键的问题。
    关键词: 脉搏波  弹性腔  压力传感器  ARM  嵌入式系统

 

    目前对心血管健康状况的检测方法大多数是应用于医院的临床诊断,有的是有创伤性的,给人体带来痛苦甚至感染;有的需要专业医生操作,检测过程非常繁琐。特别是大多数心血管功能参数的检测仪器比较笨重,价格不菲,不适用于普通家庭用户的使用。因此,研究方便快捷的无创伤心血管健康状况的检测方法和装置,实现家庭及个人心血管健康状况的检测,对预防心血管疾病的发生具有重要的意义。
    本文利用半导体压力传感器获得桡动脉处的脉搏波信号,以ARM单片计算机构成的嵌入式系统处理该脉搏波信号,通过提取脉搏波的特征点(主波、重搏前波和重搏波高度等),对人体循环系统弹性腔分室网络模型进行智能分析,从而达到对心血管健康状况的多参数快速检测。
1 检测原理
    人体血液循环系统是一个充满血液的胡克弹性体管道系统,在这个弹性管道系统中可分成心脏、动脉、毛细血管、静脉和神经体液调节五个腔室,这些腔室相互连接沟通形成网络,血液在此网络中由心脏加压搏出,经动脉至毛细血管,然后由静脉回到心脏,从而形成在机体整体调节下以心脏为中心的周流不息的血液循环,以完成机体生命活动的需要。其中,心脏搏出的血量和由静脉回心的血量是完全均等平衡的。心脏收缩加力推动血液循环,血液经全身循环后回到心脏时,力能亦已消耗贻尽,而经心脏收缩再次加力,重新循环,这就是修正了的Frank弹性腔分室网络理论[1-2]。图1给出了弹性腔分室网络理论的示意图。

 

 

2 仪器设计
2.1 硬件设计

    心血管功能参数无创检测仪的系统框图如图2所示。该仪器以32位ARM单片计算机LPC2114为核心,包括传感器、充/放气自动控制电路、信号调理电路、液晶显示器LCD、外部存储器、实时时钟(RTC)电路、键盘、电源管理、USB接口等几部分。

 

 

2.1.1 嵌入式处理器
    目前嵌入式处理器[3-4]主要有以下几类:基于ARM内核的、MIPS、POWER PC、X86系列。对于嵌入式处理器的选择需要考虑的因素主要有:外围资源、价格、是否有片上Flash、开发难易、应用领域等。常见的嵌入式处理器的比较如表1所示。

 

 

    考虑到本系统有低成本、低功耗、便携式的要求,所以选用ARM处理器。ARM处理器的特点是处理速度快、超低功耗、开发资源丰富、价格低廉易购买,非常适合本系统的要求。具体芯片选择PHILPS公司的32位ARM处理器LPC2114。该芯片具有加密功能、128KB片内Flash 程序存储器、空闲和掉电二个低功耗模式、4/8路(64/144脚封装)10位A/D" title="A/D">A/D转换器(转换时间为2.44μs),二个32 位定时器(带4 路捕获和4 路比较通道)、PWM单元(6 路输出)、实时时钟和看门狗。
2.1.2 传感器
    系统采用两种传感器:一个是专门用于血压测量的压阻" title="压阻">压阻式传感器。另一个是半导体应变片式压阻传感器,用于采集腕部的脉搏波。半导体式传感器[5]主要由敏感元件、转换元件和基本转换电路构成。其中,敏感元件是弹性横梁磷铜片,转换元件是半导体应变片,基本转换电路是四臂差动电桥。此半导体压阻传感器具有灵敏系数大、机械滞后小、阻值范围宽、横向效应小等特性。
    血压传感器选用台湾生产的压阻式传感器MPS3100,其特性包括:气压范围0-300mmHg,工作温度范围-40℃~85℃, 易用、易安装于OEM设备、低价位SMD封装,工作电源5V,因此MPS3100是一款非常适合于血压测量的传感器。为了减小温度对传感器信号的影响,在电路中特意设计了温度补偿电路,使传感器转换后的信号失真更小。具体电路如图3所示。

 

 

2.1.3 信号调理电路
    由于脉搏波信号属于微弱、低频信号,幅度只有10mV左右,所以需要设计两级信号放大电路。本仪器采用程控放大电路,并根据采集到的信号大小,利用软件控制不同的放大倍数,使信号输出的幅度在0.8V左右,具体电路如图4所示。在采集脉搏信号时,必须施加预压力,因此检测到的脉搏信号中包含一直流分量。为了提取到有用的脉搏波信号,在二级放大电路前加了一个电容来滤掉这个直流分量,由IC9高精度运算放大器再次将经IC8放大的已经不含直流分量的信号放大,并且通过IC7来控制信号的增益。AD8400是一个程控放大器,由ARM处理器根据采集脉搏波的幅值进行调整和控制。IC9输出信号幅值范围在0~0.8V,该信号最后送往LPC2114的一路A/D中。

 


2.1.4 键盘和液晶显示
    显示部分选用青云公司的液晶显示屏LCM192641,大小为120mm×62mm×12.5mm,其供电电源为5V,带有背光,控制器是KS0107,STN 黄蓝模式。测量之前要求输入个人的资料,例如:身高、体重、年龄以及时间的调整以及测量操作需要按键。
    本设计采用薄膜键盘,它具有外形美观、防水防尘防腐蚀、寿命长、性能稳定、按键反应灵敏、操作力均匀、无短路现象以及装配方便的特点。仪器的键盘为28矩阵键盘,包括10个数字键0~9,4个方向键(上、下、左、右),“返回”和“确定”键。采用扫描输入方式。如图5所示,行线Key1、Key2的一端通过电阻接正电源,另外一端作为输出端接LPC2114的I/O口。列线DB0~DB8作为输入端接ARM的I/O口。这样,当没有键按下时,两路输出均为高电平。若行线输出为低电平,一旦有键按下,则对应输入的列线电位就会被拉低,通过读入线的状态就知道是否有键按下。键盘扫描的延时和去抖处理在软件中实现。

 

2.1.5 电源管理
    系统采用电池和电源适配器" title="电源适配器">电源适配器两种方式供电。供电电池采用四节1.5V碱性电池,电源适配器采用输出为6V的适配器,使仪器的使用更加方便。其电路如图6所示。图中,P8为电源适配器接口,电源适配器可通过D2和IC17将电压稳定在6V,然后对电池BAT进行充电。


    仪器电源的开关由键POWER控制。未开机前,三极管TR16截止,系统内部没有电源供应。POWER键为点动开关,按下时Vbat经R122和D7接地,三极管TR16导通" title="导通">导通,电源开始给LPC2114及外围电路供电。程序运行的过程中,LPC2114始终将VCON置高电平,使TR17导通。虽然此时POWER键断开,但因为TR17导通,使三极管TR16的B极电位拉低,TR16导通,电源仍然正常供电。图6中,OPEN接到LPC2114的一个外部中断口,仪器在运行的过程中,按下电源键POWER并放开,OPEN产生上跳沿,引起中断,在中断服务函数中设置VCON为低电平,使三极管TR17截止,同时三极管TR16也随之截止,从而切断电源,实现关机的功能。
    输出电源通过电阻R123、R124分压,Vlow AD接入ARM的一路A/D中。当检测到蓄电池电压低于设定阈值时,则提醒用户插上电源适配器开始工作并对蓄电池充电。

2.2 软件设计
    为了实现系统工作的稳定性、软件的可移植性并且便于日后升级,32位ARM单片计算机采用嵌入式操作系统是非常必要的。本系统采用源代码公开的μC/OSII操作系统,μC/OSII具有内核小、结构简单、可移植性和可裁剪性好等优点。应用程序中包括若干个任务:液晶显示、键盘扫描、USB通讯、外部存储、充/放气控制、测量任务、打印等,在测量任务中实现脉搏波和血压的测量。脉搏波信号和血压信号是通过两个独立的传感器分别采集处理的,首先采集脉搏波信号,并对其放大、滤波、平均化、归一化等处理后,计算脉搏波的特征点的特征值并保存;然后采集血压信号,在放气过程中,提取脉搏波的峰值组成的包络线,利用示波法计算血压和心率;最后通过血压、心率、个人信息和已存的脉搏波特征值推算心血管参数。
3 测试结果
    将本仪器用于人体心血管多参数的测量,共测量了56例无明显心血管疾病病史的在校教师和学生,其中男生30例女生26例;年龄从20岁~54岁,然后对测量数据进行统计分析,实测人群的心血管参数如表2所示。

 

 

    利用便携式心血管无创检测仪能够测量血管、心脏、血液、微循环四类参数。实验结果表明,仪器的重复性好,性能稳定,测量结果准确,能够较好地反映相应的心血管健康状况。特别是该仪器摆脱了传统心血管检测仪器对计算机的依赖,采用一体化的设计,操作方便快捷、结果简单直观、重量轻、体积小,适合个人及家庭的心血管多参数快速的检测,对心血管的保健和预防起到了很好的指导作用。
参考文献
[1] 柳兆荣,李惜惜.弹性腔理论及其在心血管系统分析中的应用[M].北京:科学出版社,1987.
[2] 南昌市第二医院脉图研究室.脉图曲线方程组[J].江西中医药,1980,(3):80-91.
[3] 王田苗.嵌入式系统设计与实例开发[M].北京:清华大学出版社,2002.
[4] 吴明晖.基于ARM的嵌入式系统开发与应用[M].北京:人民邮电出版社,2004.
[5] 张维新.半导体传感器[M].天津:天津大学出版社, 1990.
[6] 陈国伟,伍富贵.21世纪心血管疾病研究展望[J]. 新医学,2001, 32(8):455-457.