纮康科技無前置放大器血壓計(jì)應(yīng)用方案

一、血壓測(cè)量法介紹:

血壓量測(cè)方式可分兩大類：一為侵入式，另一為非侵入式測(cè)量方式。侵入式的血壓量測(cè)，皆需由醫(yī)療人員操作，使用上有許多限制。其一般常見的血壓計(jì)則為非侵入式的水銀式血壓計(jì)與電子式血壓計(jì)兩種。

而水銀式血壓計(jì)所使用的方式為聽診法(Korotkoff Method)與電子式血壓計(jì)所使用之振盪法(Oscillometric Method)有所不同。傳統(tǒng)的水銀式血壓計(jì)，使用時(shí)將壓脈袋充氣至壓力大于人體的收縮壓時(shí)，動(dòng)脈血管會(huì)因擠壓而達(dá)閉塞情形使血管內(nèi)無血液流動(dòng)。接著測(cè)量人員以固定速率洩?dú)?，藉由聽診器聽到第一個(gè)低沈的衝擊聲(Korotkoff Sounds)時(shí)，讀取水銀壓力計(jì)上的讀值，此即為收縮壓;若當(dāng)壓脈袋壓力小于血管壓力時(shí)則就無聲音，此時(shí)讀值即為舒張壓。而目前家庭中最常用的則為電子式血壓計(jì)，其除自動(dòng)化測(cè)量外，也不需測(cè)量人員協(xié)助聽診。測(cè)試方法主要透過壓脈袋內(nèi)的壓力感測(cè)器來偵測(cè)壓力變化，藉此來判斷血壓值。其電子式血壓計(jì)組成件除感測(cè)器外，尚需有加壓幫浦、洩壓閥與微控制器的組合才能達(dá)到自動(dòng)化測(cè)量。量測(cè)方式于一開始對(duì)壓脈袋加壓，當(dāng)壓脈袋內(nèi)壓力大于人體的收縮壓后，再控制洩壓閥減壓。利用壓脈帶在加壓和減壓過程中，將心臟跳動(dòng)時(shí)在血管壁的震動(dòng)反應(yīng)到壓脈帶中感應(yīng)的壓脈波變化，進(jìn)從測(cè)量壓脈帶中壓力和振幅計(jì)算出收縮壓、舒張壓與平均壓值[1,2]。

二、纮康科技HY11P系列簡(jiǎn)介:

電子式血壓計(jì)的設(shè)計(jì)需要前置復(fù)雜的硬體設(shè)計(jì)來完成訊號(hào)取樣，并搭配微控制器進(jìn)行訊號(hào)取樣，一般需要通過以下步驟，如圖 1。生理信號(hào)通過感測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)前置放大器進(jìn)行信號(hào)放大和處理，再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行採(cǎi)樣，將類比信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)位信號(hào)。微控制器再進(jìn)行自動(dòng)化控制及后端數(shù)位信號(hào)處理演算法來進(jìn)行信號(hào)分析處理，計(jì)算出有意義的資料。而本文將說明，如何在省略前置放大器情況下，使用纮康科技[3] HY11P14單片機(jī)(SOC)來完成電子式血壓計(jì)應(yīng)用方案。

HY11P系列晶片具備高性能、高整合性規(guī)格，如圖 2，能大幅簡(jiǎn)化方案之周邊電路：

CPU 為加強(qiáng)型精簡(jiǎn)指令集，包含硬體乘法指令及查表指令。其晶片8KWord OTP (One Time Programmable) Type程式記憶體，512Byte資料記憶體，足夠供演算法需求。2.2V to 3.6V工作電壓範(fàn)圍，適合手持電池式產(chǎn)品使用。-40℃~85℃工作溫度範(fàn)圍更符合工業(yè)規(guī)格需求。內(nèi)建高精度可校正RC振盪器，可節(jié)省外接振盪器的零件需求。晶片具有彈性多種工作時(shí)脈切換選擇主頻率網(wǎng)路，讓使用者達(dá)到最佳省電規(guī)劃。CPU支援待機(jī)模式及睡眠模式的指令驅(qū)動(dòng)功能，以進(jìn)行更有效的功率管理，在非量測(cè)中模式下更達(dá)省電效益。即使連續(xù)測(cè)量模式下，晶片功耗僅2.25mW，進(jìn)入深層睡眠模式也只有2uW的耗電，更適合本方案的節(jié)能需求。具備多重防當(dāng)機(jī)功能，對(duì)于電源系統(tǒng)有啟動(dòng)重置晶片功能，維持微處理器正常工作。并有硬體堆疊滿重置與看門狗重置功能，降低因外部干擾所產(chǎn)生晶片當(dāng)機(jī)現(xiàn)象。內(nèi)建高解析度全差動(dòng)輸入ΣΔADC類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器：

晶片主要核心為內(nèi)建高解析度類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器，該核心整合應(yīng)用系統(tǒng)以達(dá)SOC晶片化的目的。在輸入的類比訊號(hào)不放大的設(shè)定下，ADC的性能可以高達(dá)ENOB有20bits的超高解析能力。ADC內(nèi)建可程式化增益放大器功能，間接省去傳統(tǒng)外接前置儀表放大器的功能。ADC內(nèi)建放大倍率最高達(dá)128倍率，等效可解析的RMS Noise可達(dá)小訊號(hào)100nV的分析能力。ADC在取樣頻率為250KHZ設(shè)定下，能夠完整取樣訊號(hào)資料，不僅ADC的超取樣架構(gòu)提高了訊號(hào)的解析能力，可程式化的數(shù)位超取樣選擇，也使得ADC解碼輸出率可設(shè)定成從8HZ到1KHZ的訊號(hào)輸出速度，足以符合250HZ以內(nèi)的取樣頻寬。而在程式設(shè)定輸出率約244HZ狀態(tài)下，ADC輸入訊號(hào)最小解析能力還可以達(dá)0.56uVms，足以分析出微小壓力感測(cè)器的訊號(hào)輸出範(fàn)圍。一般血壓計(jì)壓力感測(cè)器靈敏度約 50uV／mmHg，相對(duì)于ADC解析度而言，等效每mmHg約有10倍的解析能力。終端的二階疏狀濾波器搭配超取樣架構(gòu)也扮演了低通濾波的功能。

內(nèi)建低電壓14段檢測(cè)功能，即時(shí)提示電池使用量。同時(shí)也可以利用ADC前置網(wǎng)路通道，進(jìn)行實(shí)際電壓測(cè)量顯示功能。內(nèi)建多達(dá)80點(diǎn)數(shù)的LCD液晶驅(qū)動(dòng)顯示，滿足該方案下的各血壓值顯示、時(shí)鐘模式及其他額外功用點(diǎn)數(shù)顯示功能。內(nèi)建液晶驅(qū)動(dòng)電壓的升壓設(shè)計(jì)，即使在電源電壓為低電壓下，液晶驅(qū)動(dòng)器顯示明亮度一樣可被使用者所接受。多樣化的數(shù)位功能支援，達(dá)到完整的數(shù)位控制方案：

豐富的多功能數(shù)位週邊，可以有更多的應(yīng)用想像空間，包含有8-bit Timer A、16-bit Timer B、8-bit Timer C模組及內(nèi)建支援?dāng)?shù)位訊號(hào)比較模組、擷取模組、脈衝寬度調(diào)變PWM(Pulse-width modulation)模組及頻率調(diào)變PFD(Pulse-frequency divider)功能等。其內(nèi)建的串列通訊SPI模組與RS232模組，更適合于PC通訊的一個(gè)橋樑。

叁、測(cè)量線路說明:

電子式血壓計(jì)中，感測(cè)器扮演一個(gè)很重要的角色。當(dāng)心臟跳動(dòng)時(shí)血管壁的震動(dòng)需要通過感測(cè)器來轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，而血壓計(jì)使用的壓力傳感器多為半導(dǎo)體製程電阻式的壓力傳感器，其傳感器電阻溫飄係數(shù)將近為1000PPM／℃等級(jí)，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，多使用了運(yùn)算放大器產(chǎn)生一個(gè)定電流源系統(tǒng)，來提高傳感器的穩(wěn)定度及降低漂移量。圖 3為使用外接放大器來完成壓力傳感器定電流迴路。



使用纮康科技高解析度全差動(dòng)輸入ΣΔADC類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器進(jìn)行訊號(hào)取樣時(shí)，只要再外接參考電阻(Rf)，配合ΣΔADC輸入訊號(hào)與參考訊號(hào)比例計(jì)算法，就可以輕鬆完成定電流控制迴路效果，如圖 4，而不需再設(shè)計(jì)一般連接運(yùn)算放大器的方式。而式 1說明ΣΔADC數(shù)位輸出碼等效公式，可得知由輸入待測(cè)電壓差(ΔVIN=SI+ - SI-)與ΣΔADC參考電壓差(ΔVREF=VR+ - VR-)之比例關(guān)係。而式 2分別計(jì)算圖 4中的ΔVIN、ΔVREF，因此計(jì)算出的結(jié)果相同于外接放大器所求得定電流迴路效果，只與ΔR(壓力傳感器差動(dòng)變化量)及Rf(參考電阻)有關(guān)。因此 Rf只選用一般電組，其溫飄系數(shù)約只有50PPM／℃左右，其測(cè)量結(jié)果也只受Rf與當(dāng)下ΔVR變化影響，因此大幅降低壓力傳感器所貢獻(xiàn)的溫度漂移量。



四、測(cè)試結(jié)論:

整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量線路，只需要傳感器配合參考電阻就完成定電流效果，壓力傳感器的差動(dòng)訊號(hào)直接輸入ΣΔADC網(wǎng)路中，只需要單通道網(wǎng)路連接，透過ΣΔADC內(nèi)置可程式放大器(PGA、ADGN)即可進(jìn)行訊號(hào)放大與取樣。當(dāng)系統(tǒng)將壓脈袋加壓時(shí)，即開始進(jìn)行訊號(hào)取樣，在判斷不到壓脈波變化之后，則啟動(dòng)洩?dú)忾y降壓。在此時(shí)，HY11P高解析度ΣΔADC則能輕易測(cè)量差動(dòng)變化量，即使在升壓過程中，仍可以準(zhǔn)確測(cè)量壓力值和共振振幅。

一般電子血壓計(jì)會(huì)經(jīng)過前置放大器進(jìn)行訊號(hào)處理與濾波，將訊號(hào)分辨成血壓訊號(hào)(DC Signal)及振盪法所測(cè)得共振振幅訊號(hào)(AC Signal)，透過DC+AC雙路測(cè)量通道分別進(jìn)行訊號(hào)取樣，并經(jīng)過數(shù)位濾波演算法計(jì)算出血壓值。而HY11P系列內(nèi)建高解析度ΣΔADC，便于將傳感器輸出直接連接ΣΔADC類比網(wǎng)路，無須外接前置放大器，也不用切換測(cè)量網(wǎng)路，只要透過單通道測(cè)量方法，即可測(cè)得塬始的DC+AC訊號(hào)。圖 5則簡(jiǎn)單說明了HY11P ΣΔADC直接轉(zhuǎn)換出從傳感器輸出差動(dòng)訊號(hào)的塬始取樣資料。圖 6說明，透過了軟體設(shè)計(jì)數(shù)位濾波演算法，建立高通濾波功能及積分演算方式，就能將圖 5的塬始資料輕易計(jì)算出共振振幅訊號(hào)。有了共振信號(hào)后，搭配周邊壓脈袋容量、材質(zhì)等判斷校正后，則可以計(jì)算出平均壓，進(jìn)而計(jì)算出收縮壓與舒張壓等壓力值資料。


五、參考電路:

圖 7 電子血壓計(jì)應(yīng)用電路說明血壓計(jì)應(yīng)用方案，除既有電源系統(tǒng)、幫浦控制、周邊控制與顯示外，訊號(hào)測(cè)量區(qū)塊(如圖 7 電子血壓計(jì)應(yīng)用電路 Sensor Measurement)，已經(jīng)大幅減少所需零件。訊號(hào)處理的設(shè)計(jì)不再?gòu)?fù)雜繁瑣，簡(jiǎn)化的測(cè)量線路不僅降低許多外來干擾因素，也減輕PCB佈局的設(shè)計(jì)考量。單通道的測(cè)量方法，高精度的訊號(hào)取樣都保留了塬始信號(hào)的準(zhǔn)確度，大幅度降低雙通道濾波測(cè)量與網(wǎng)路切換造成的訊號(hào)失真并間接簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)面積與成本。



[1] J. G. Webster, Medical Instrumentation – Application and Design, 3rd edition, John Wiley & Sons, Inc., pp.317-328, 1998.

[2] 蔡建新、張唯真，“生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)”，北京大學(xué)出版社，1997。