基于ARM的便攜式心血管無(wú)創(chuàng)檢測(cè)系統(tǒng)
本文利用半導(dǎo)體壓力傳感器獲得橈動(dòng)脈處的脈搏波信號(hào)，以ARM單片計(jì)算機(jī)構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)處理該脈搏波信號(hào)，通過(guò)提取脈搏波的特征點(diǎn)(主波、重搏前波和重搏波高度等)，對(duì)人體循環(huán)系統(tǒng)彈性腔分室網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行智能分析，從而達(dá)到對(duì)心血管健康狀況的多參數(shù)快速檢測(cè)。
1 檢測(cè)原理
人體血液循環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)充滿血液的胡克彈性體管道系統(tǒng)，在這個(gè)彈性管道系統(tǒng)中可分成心臟、動(dòng)脈、毛細(xì)血管、靜脈和神經(jīng)體液調(diào)節(jié)五個(gè)腔室，這些腔室相互連接溝通形成網(wǎng)絡(luò)，血液在此網(wǎng)絡(luò)中由心臟加壓搏出，經(jīng)動(dòng)脈至毛細(xì)血管，然后由靜脈回到心臟，從而形成在機(jī)體整體調(diào)節(jié)下以心臟為中心的周流不息的血液循環(huán)，以完成機(jī)體生命活動(dòng)的需要。其中，心臟搏出的血量和由靜脈回心的血量是完全均等平衡的。心臟收縮加力推動(dòng)血液循環(huán)，血液經(jīng)全身循環(huán)后回到心臟時(shí)，力能亦已消耗貽盡，而經(jīng)心臟收縮再次加力，重新循環(huán)，這就是修正了的Frank彈性腔分室網(wǎng)絡(luò)理論[1-2]。圖1給出了彈性腔分室網(wǎng)絡(luò)理論的示意圖。
2 儀器設(shè)計(jì)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
心血管功能參數(shù)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)儀的系統(tǒng)框圖如圖2所示。該儀器以32位ARM單片計(jì)算機(jī)LPC2114為核心，包括傳感器、充/放氣自動(dòng)控制電路、信號(hào)調(diào)理電路、液晶顯示器LCD、外部存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）電路、鍵盤、電源管理、USB接口等幾部分。
2.1.1 嵌入式處理器
目前嵌入式處理器[3-4]主要有以下幾類：基于ARM內(nèi)核的、MIPS、POWER PC、X86系列。對(duì)于嵌入式處理器的選擇需要考慮的因素主要有：外圍資源、價(jià)格、是否有片上Flash、開(kāi)發(fā)難易、應(yīng)用領(lǐng)域等。常見(jiàn)的嵌入式處理器的比較如表1所示。
考慮到本系統(tǒng)有低成本、低功耗、便攜式的要求，所以選用ARM處理器。ARM處理器的特點(diǎn)是處理速度快、超低功耗、開(kāi)發(fā)資源豐富、價(jià)格低廉易購(gòu)買，非常適合本系統(tǒng)的要求。具體芯片選擇PHILPS公司的32位ARM處理器LPC2114。該芯片具有加密功能、128KB片內(nèi)Flash 程序存儲(chǔ)器、空閑和掉電二個(gè)低功耗模式、4/8路（64/144腳封裝）10位A/D轉(zhuǎn)換器(轉(zhuǎn)換時(shí)間為2.44μs)，二個(gè)32 位定時(shí)器（帶4 路捕獲和4 路比較通道）、PWM單元（6 路輸出）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗。
2.1.2 傳感器
系統(tǒng)采用兩種傳感器：一個(gè)是專門用于血壓測(cè)量的壓阻式傳感器。另一個(gè)是半導(dǎo)體應(yīng)變片式壓阻傳感器，用于采集腕部的脈搏波。半導(dǎo)體式傳感器[5]主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。其中，敏感元件是彈性橫梁磷銅片，轉(zhuǎn)換元件是半導(dǎo)體應(yīng)變片，基本轉(zhuǎn)換電路是四臂差動(dòng)電橋。此半導(dǎo)體壓阻傳感器具有靈敏系數(shù)大、機(jī)械滯后小、阻值范圍寬、橫向效應(yīng)小等特性。
血壓傳感器選用臺(tái)灣生產(chǎn)的壓阻式傳感器MPS3100，其特性包括：氣壓范圍0-300mmHg，工作溫度范圍-40℃～85℃, 易用、易安裝于OEM設(shè)備、低價(jià)位SMD封裝，工作電源5V，因此MPS3100是一款非常適合于血壓測(cè)量的傳感器。為了減小溫度對(duì)傳感器信號(hào)的影響，在電路中特意設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路，使傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)失真更小。具體電路如圖3所示。
2.1.3 信號(hào)調(diào)理電路
由于脈搏波信號(hào)屬于微弱、低頻信號(hào)，幅度只有10mV左右，所以需要設(shè)計(jì)兩級(jí)信號(hào)放大電路。本儀器采用程控放大電路，并根據(jù)采集到的信號(hào)大小，利用軟件控制不同的放大倍數(shù)，使信號(hào)輸出的幅度在0.8V左右，具體電路如圖4所示。在采集脈搏信號(hào)時(shí)，必須施加預(yù)壓力，因此檢測(cè)到的脈搏信號(hào)中包含一直流分量。為了提取到有用的脈搏波信號(hào)，在二級(jí)放大電路前加了一個(gè)電容來(lái)濾掉這個(gè)直流分量，由IC9高精度運(yùn)算放大器再次將經(jīng)IC8放大的已經(jīng)不含直流分量的信號(hào)放大，并且通過(guò)IC7來(lái)控制信號(hào)的增益。AD8400是一個(gè)程控放大器，由ARM處理器根據(jù)采集脈搏波的幅值進(jìn)行調(diào)整和控制。IC9輸出信號(hào)幅值范圍在0～0.8V，該信號(hào)最后送往LPC2114的一路A/D中。
2.1.4 鍵盤和液晶顯示
顯示部分選用青云公司的液晶顯示屏LCM192641，大小為120mm×62mm×12.5mm，其供電電源為5V，帶有背光，控制器是KS0107，STN 黃藍(lán)模式。測(cè)量之前要求輸入個(gè)人的資料，例如：身高、體重、年齡以及時(shí)間的調(diào)整以及測(cè)量操作需要按鍵。
本設(shè)計(jì)采用薄膜鍵盤，它具有外形美觀、防水防塵防腐蝕、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、按鍵反應(yīng)靈敏、操作力均勻、無(wú)短路現(xiàn)象以及裝配方便的特點(diǎn)。儀器的鍵盤為28矩陣鍵盤，包括10個(gè)數(shù)字鍵0～9，4個(gè)方向鍵(上、下、左、右），“返回”和“確定”鍵。采用掃描輸入方式。如圖5所示，行線Key1、Key2的一端通過(guò)電阻接正電源，另外一端作為輸出端接LPC2114的I/O口。列線DB0～DB8作為輸入端接ARM的I/O口。這樣，當(dāng)沒(méi)有鍵按下時(shí)，兩路輸出均為高電平。若行線輸出為低電平，一旦有鍵按下，則對(duì)應(yīng)輸入的列線電位就會(huì)被拉低，通過(guò)讀入線的狀態(tài)就知道是否有鍵按下。鍵盤掃描的延時(shí)和去抖處理在軟件中實(shí)現(xiàn)。
2.1.5 電源管理
系統(tǒng)采用電池和電源適配器兩種方式供電。供電電池采用四節(jié)1.5V堿性電池，電源適配器采用輸出為6V的適配器，使儀器的使用更加方便。其電路如圖6所示。圖中，P8為電源適配器接口，電源適配器可通過(guò)D2和IC17將電壓穩(wěn)定在6V，然后對(duì)電池BAT進(jìn)行充電。
儀器電源的開(kāi)關(guān)由鍵POWER控制。未開(kāi)機(jī)前，三極管TR16截止，系統(tǒng)內(nèi)部沒(méi)有電源供應(yīng)。POWER鍵為點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，按下時(shí)Vbat經(jīng)R122和D7接地，三極管TR16導(dǎo)通，電源開(kāi)始給LPC2114及外圍電路供電。程序運(yùn)行的過(guò)程中，LPC2114始終將VCON置高電平，使TR17導(dǎo)通。雖然此時(shí)POWER鍵斷開(kāi)，但因?yàn)門R17導(dǎo)通，使三極管TR16的B極電位拉低，TR16導(dǎo)通，電源仍然正常供電。圖6中，OPEN接到LPC2114的一個(gè)外部中斷口，儀器在運(yùn)行的過(guò)程中，按下電源鍵POWER并放開(kāi)，OPEN產(chǎn)生上跳沿，引起中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中設(shè)置VCON為低電平，使三極管TR17截止，同時(shí)三極管TR16也隨之截止，從而切斷電源，實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)的功能。
輸出電源通過(guò)電阻R123、R124分壓，Vlow AD接入ARM的一路A/D中。當(dāng)檢測(cè)到蓄電池電壓低于設(shè)定閾值時(shí)，則提醒用戶插上電源適配器開(kāi)始工作并對(duì)蓄電池充電。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、軟件的可移植性并且便于日后升級(jí)，32位ARM單片計(jì)算機(jī)采用嵌入式操作系統(tǒng)是非常必要的。本系統(tǒng)采用源代碼公開(kāi)的μC/OSII操作系統(tǒng)，μC/OSII具有內(nèi)核小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可移植性和可裁剪性好等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用程序中包括若干個(gè)任務(wù)：液晶顯示、鍵盤掃描、USB通訊、外部存儲(chǔ)、充/放氣控制、測(cè)量任務(wù)、打印等，在測(cè)量任務(wù)中實(shí)現(xiàn)脈搏波和血壓的測(cè)量。脈搏波信號(hào)和血壓信號(hào)是通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的傳感器分別采集處理的，首先采集脈搏波信號(hào)，并對(duì)其放大、濾波、平均化、歸一化等處理后，計(jì)算脈搏波的特征點(diǎn)的特征值并保存；然后采集血壓信號(hào)，在放氣過(guò)程中，提取脈搏波的峰值組成的包絡(luò)線，利用示波法計(jì)算血壓和心率；最后通過(guò)血壓、心率、個(gè)人信息和已存的脈搏波特征值推算心血管參數(shù)。
3 測(cè)試結(jié)果
將本儀器用于人體心血管多參數(shù)的測(cè)量，共測(cè)量了56例無(wú)明顯心血管疾病病史的在校教師和學(xué)生，其中男生30例女生26例；年齡從20歲～54歲，然后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)測(cè)人群的心血管參數(shù)如表2所示。
利用便攜式心血管無(wú)創(chuàng)檢測(cè)儀能夠測(cè)量血管、心臟、血液、微循環(huán)四類參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，儀器的重復(fù)性好，性能穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，能夠較好地反映相應(yīng)的心血管健康狀況。特別是該儀器擺脫了傳統(tǒng)心血管檢測(cè)儀器對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴，采用一體化的設(shè)計(jì)，操作方便快捷、結(jié)果簡(jiǎn)單直觀、重量輕、體積小，適合個(gè)人及家庭的心血管多參數(shù)快速的檢測(cè)，對(duì)心血管的保健和預(yù)防起到了很好的指導(dǎo)作用。
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