基于光電檢測脈搏波的多功能電子血壓計(jì)

　　引 言

　　近年來，由于我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活方式的轉(zhuǎn)變，心血管病發(fā)病率及相關(guān)危險(xiǎn)因素呈不斷上升趨勢，人們也越來越注意自己的身心健康。過去測量血壓必須到醫(yī)院，由醫(yī)生用水銀血壓計(jì)檢測才行，但隨著科技水平的發(fā)展，血壓計(jì)正在迎來電子血壓計(jì)的新時(shí)代。只要擁有了家用電子血壓計(jì)，人們就可以坐在家里隨時(shí)監(jiān)測血壓的變化，如發(fā)現(xiàn)血壓異常便可及時(shí)去醫(yī)院就診。

　　系統(tǒng)工作原理

　　心臟的間歇性射血產(chǎn)生從主動脈根部出發(fā)沿著動脈管系傳播的脈搏波。脈搏波到達(dá)之處，動脈管內(nèi)的力學(xué)參量（如流量、壓力、血流速度、血管橫截面積等）將產(chǎn)生變化。在每個(gè)心動周期中，心臟間歇性的舒張和收縮將引起主動脈管壁時(shí)張時(shí)縮的振動和主動脈血液壓力時(shí)高時(shí)低的變化。這種動脈管壁的振動稱為動脈脈搏。動脈脈搏波在主動脈近心端形成的同時(shí)，立即以波動的方式將所發(fā)生的血壓、血流量和血管壁周期性的振動沿著動脈樹一直擴(kuò)散到整個(gè)動脈系統(tǒng)，從而形成整個(gè)動脈系統(tǒng)中血壓時(shí)低時(shí)高、血流量時(shí)慢時(shí)快、血管壁時(shí)縮時(shí)張的波動，這三類脈搏波是相互伴隨產(chǎn)生的，因而可統(tǒng)稱為動脈脈搏波。

　　圖1 血紅蛋白消光曲線

　　圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

　　本多功能電子血壓計(jì)，采用光電容積法進(jìn)行測量。其原理是：光束通過透射傳送到光電接收器信號的不同。人體血液紅細(xì)胞中的血紅蛋白（Hb）與氧分子作可逆性結(jié)合，結(jié)合后的 Hb 稱含氧血紅蛋白（HbO2），兩者具有不同的吸收曲線：在紅光譜區(qū) 600nm~700nm 內(nèi)血紅蛋白Hb吸收的光線較少，而HbO2吸收的光線較多；在紅外光譜區(qū) 800nm~1000nm 內(nèi)血紅蛋白Hb吸收的光線較多，而HbO2吸收的光線較少。在光路上，除了動脈血紅蛋白外，還有許多其它吸收體，將嚴(yán)重影響測量精度，因此紅光和紅外光LED因盡可能相互靠近，通過人體中的單一組織位置透射光線，并采用時(shí)間復(fù)用處理來透射光線。同時(shí)在檢測端，將透過手指的透射光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電壓信號，因此得到光電容積脈搏波信號。最后基于光電傳感器的檢測原理和Lambert-Beer定律，可以將透射光強(qiáng)與光電傳感器的輸出電壓相關(guān)聯(lián)，建立心血管系統(tǒng)參數(shù)收縮和舒張壓計(jì)算方法，設(shè)計(jì)無創(chuàng)連續(xù)血壓測量方法測試設(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)為：使用簡單方便、測量精度高、測量值便于記錄、體積輕巧便于攜帶等。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　本多功能電子血壓計(jì)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要包括LPC1788主控模塊、電源及復(fù)位模塊、LCD觸摸屏模塊、信號調(diào)理模塊、光電脈搏波傳感器模塊和選配的Zigbee模塊等六大模塊。

　　主控LPC1788

　　主控采用NXP新推出的基于ARMCortex-M3的LPC1788微處理器，它具有高性能、高集成度、低功耗等的特點(diǎn)，廣泛用于低功耗和處理要求高集成度的嵌入式應(yīng)用，非常適合本方案的設(shè)計(jì)要求。它包括高達(dá)512kB的Flash存儲器、高達(dá)96kB的數(shù)據(jù)存儲器、4kB的EEPROM存儲器、一個(gè)用于SDRAM和靜態(tài)存儲器存取的外部存儲器控制器、一個(gè)LCD面板控制器、一個(gè)8通道12位ADC等。外部只需加入很少芯片就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，充分滿足了本設(shè)計(jì)的需要，并可使整個(gè)系統(tǒng)體積減小、功耗降低，控制了成本，提高了穩(wěn)定性。

　　光電傳感器

　　本系統(tǒng)采用了透射式雙波長測量法，傳感器選用深圳美的連電子有限公司生產(chǎn)的 S0012A 型指套透射式可重復(fù)使用的血氧探頭。透射式光電脈搏傳感器包括光發(fā)射和光電接收兩部分：對于光發(fā)射電路，探頭內(nèi)部選擇了940nm的紅外發(fā)光二極管和波長為660nm的紅色發(fā)光二極管以頭尾相接的方式并聯(lián)作為脈搏檢測電路的光源；接收電路的核心元件是光敏二極管。為了獲得最佳的信噪改善比，要求前置放大器的設(shè)計(jì)采用低噪聲放大器設(shè)計(jì)原則，盡量降低輸入級的噪聲，因此選用低噪聲光敏器件，以獲得最小的噪聲系數(shù)。

　　信號調(diào)理（放大和濾波）

　　脈搏波是以心臟搏動為動力源，是一種微弱低頻的生理信號， 具有頻率低、信號弱和阻抗高等特點(diǎn)。因此應(yīng)用于人體生理信息測量的模擬電路因能夠有效地提高輸入阻抗和共模抑制比，抑制溫度漂移以及隨機(jī)噪聲。本系統(tǒng)中，選用了低功耗高精度的儀用放大器 AD620，它被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)測量以及那些提供微弱信號而共模干擾較大的場合。

　　脈搏波的主要頻率分量一般在0.1Hz~15Hz之間，既要頻帶合適，以便得到信號檢出時(shí)的最大保真度，又要要濾除各種干擾，如50Hz工頻干擾、各種外界中高頻噪聲；為與數(shù)據(jù)采集電路適配，輸出端的輸出阻抗要低，模擬信號的極性、狀態(tài)信號的電平和幅度的動態(tài)范圍等都必須符合配接的規(guī)定。本設(shè)計(jì)采用Maxim公司的MAX267，它是Maxim眾多開關(guān)電容濾波器（SCF）芯片中較簡潔的一種。內(nèi)部包含兩個(gè)已經(jīng)固定成帶通型，并且使用相同的Q參數(shù)和頻率變換比例的二階SCF和一個(gè)運(yùn)放。通過選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娮韬蚎參數(shù)，能夠組成不同波紋率的Butterworth或Chebyshev濾波器。這樣就大大減少了外圍電路，且使用靈活，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于采用集成運(yùn)放組成的濾波電路，非常適合于本設(shè)計(jì)。