嵌入式动态血压分析仪的设计与研究

成绩：学院：专业：班号：项目研究报告嵌入式动态血压分析仪的设计与研究摘要随着生活水平的提高,人们越来越关注自己的身体健康。血压是反映人体生理状况的最重要指标之一,正常的血压是保证身体健康的重要条件。血压测量结果对疾病的诊断及治疗方案具有重要的临床意义。动态血压监测(AmbulatoryBloodPressureMonitoring,ABPM)是一种在长时间内(通常是24小时)无创性的血压监测,能反映患者全天的血压波动情况,可获得偶测血压所无法获得的多种重要指标参数。因此,开发具有国际先进水平和自主知识产权的动态血压监测系统,对于提高人们的健康水平,降低人们的医疗费用,无疑具有重要的意义。针对目前市场上电子血压计只能进行偶次血压测量,不能进行24小时动态测量的实际情况,设计了本系统。本系统是集血压和心率于一体的便携式动态监护测算系统,由硬件和软件两大部分组成。基于嵌入式技术,采用一款三星基于ARM7TDMI核的高速处理器S3C44B0X芯片,扩展一系列完整通用外围器件。实现24小时动态血压监测(ABPM),远程血压监测等功能。本文对国内外血压检测系统的研究现状进行了详细分析,并对此有针对性的研究了动态血压测量的示波法原理及其检测和判别方法。通过研究波形特征法和幅度系数法,来判别收缩压与舒张压,并在此基础上总结改进,提出一种血压判别的新方法。在理论研究的基础上,本文进行了严格的仿真试验。通过采用最小二乘法拟合曲线,用示波法检测动态血压值,系统仿真检测波形。经示波法仿真实验结果和传统听诊法测量结果对比分析,最后证明,本系统能更好的实现测量的准确性,更好的反映测量者的血压真实情况。关键词：动态血压分析仪，嵌入式，最小二乘法，示波法中图分类号：北京理工大学《导航通信技术与应用》2011-2012-2结课论文1文献标识码：论文类别：C项目研究类别：DTheDesignandResearchinEmbeddedDynamicSphygmomanometerAbstract：Astheimprovmentofpeople’slivingstandard,peoplearefarmoreconcernabouttheirhealthsituation.Bloodpressureisthemostimprotanttargetwhichreflectthephysiologicalstatusofhumanbeing.Normalbloodpressure,whosetestingresulthastheextraordinarysensetothediajnoseandtherapyofdisease,istheimportantfactorthatinsureahealthybody.Ambulatorybloodpressuremonitoring,ABPM,isakindoflongtime,generally24hours,untrcumaticbloodpressuremonitoringsystem.ThusthedesignofhighlevelABPMmeanalottotheimprovementofpeople’shealthcondition,cuttingthemedicalfee.Consideringtheelectronicbloodmonitoronthemarketthatcannotmeasureallday,wedesignthissystem.Thissystemcannotonlymonitorbloodpressurebutalsoheartbeats.Thisarticleanalysetheresearchabroadandhomeindetail,Anddosomeresearchonthebloodpressureandthewaytodefineit.Keywords:Embeddedsystem;ABPM;Least-Squaresdraftcount;Oscillometricmethod;1引言动态血压监测(AmbulatoryBloodPressureMonitoring，ABPM)可弥补CBP的不足。既往ABPM主要用于鉴别白大衣、隐性及夜间高血压，近年来随着研究的深入，提出的谷/峰比(T/P比)、平滑指数(SI)、夜昼指数(DI)、压力负荷(BPL)等指标，提供更多有价值信息，在疾病诊断、药物疗效评价、疾病预测等方面有重要价值。1.1立项依据北京理工大学《导航通信技术与应用》2011-2012-2结课论文2目前ABPM在我国已广泛应用，但ABPM本身还很不完善，存在很大局限性。其中准确性差以及无统一诊断标准是ABPM最受关注的问题。尽管如此，ABPM仍是一项有发展前景的诊断技术，随着监测技术日益进步和临床研究不断深入，ABPM必将对高血压诊断治疗、预后和研究产生更为重要的意义和深远的影响。1.1.1项目研究或论文选题的目的及意义血压测量结果对疾病的诊断及治疗方案具有重要的临床意义。动态血压监测(AmbulatoryBloodPressureMonitoring,ABPM)是一种在长时间内(通常是24小时)无创性的血压监测,能反映患者全天的血压波动情况,可获得偶测血压所无法获得的多种重要指标参数。因此,开发具有国际先进水平和自主知识产权的动态血压监测系统,对于提高人们的健康水平,降低人们的医疗费用,无疑具有重要的意义。1.1.2国内外现状分析随着医疗科学的发展，医疗临床对人体血压测量的精确性和可靠性要求越来越高，这是因为在一些特殊病理条件下，如心脏病手术后、心脑血管疾病、高血压危象和休克病人等，需要根据人体血压的变化及时调整能对心血管系统产生明显影响的药物的给药速度和给药剂量，另外血压也是重症病人监护的重要监护指标。准确、及时地监测血压，对于了解病情、诊断疾病、指导心血管治疗和保障危重病人安全都极为重要。因此，研制既适合家庭保健人员又适合专业人士的智能型嵌入式动态血压计具有重要的现实意义。目前，市场上的主流电子血压计产品是“松下电工”和“欧姆龙”。fl}l针对市场上电子血压计只能进行偶次血压测量，不能进行24小时动态测量的实际情况，设计了本系统。本系统是集血压和心率于一体的便携式动态血压监护测算系统，采用三星的ARM7芯片S3C44BOX，扩展一系列外围器件，利用最小二乘法拟合曲线，通过示波法测量血压，实现血压测量的准确性和实时性。1.1.3相关文献综述1.2项目研究1.2.1项目研究内容动态血压系统的硬件基于示波法测量血压原理，整个系统总体上主要由气路部分、中央处理单元、模拟部分及模数转换部分、网络通信等几部分组成。系统采用大容量Flash，用于存储心电信号、血压数据和系统文件，使用LCD点阵显示和菜单控件，具有良好的人机对话界面。系统实现了心电信号和血压数据的采集、存储和显示，完成对心电信号的分析和心律失常等指标的显示，同时也提供与外界PC机通讯的USB接口，以便将心率及血压数据通过Internet传至远端的专家进一步会诊。1.2.1研究目标系统可在最佳时间，有效地实施心电、血压信号的检测、分析和诊断，为捕捉心血管疾病的潜在病理信息，提供有效的方案。其实现具体功能如下:（1）LCD显示窗口。可测量显示收缩压、舒张压和心率值。北京理工大学《导航通信技术与应用》2011-2012-2结课论文3(2)24小时动态血压监测(ABPNI}。反映全天的血压波动水平和趋势。(3)血压监测的远程通信。使用TCP/IP协议的Socket编程发送至与Internet连接的远端上位机上；也可通过USB接口，实现近距离的血压监测通信。(4)利用嵌入式Linux操作系统，在血压计中采用32位RISC内核ARM芯片，此芯片的特点是具有高性能、低功耗，可扩展一系列完整通用外围器件，使得本系统比传统血压计具有更加强大，高效的功能。(5)采用最小二乘曲线拟合算法，使处理的数据结果比传统更精准。测量精度符合AAMI及BHS性能标准。(6)硬件工作的低功耗。通过采用单气阀放气，分区分时供电，采用CMOS集成电路，ARM芯片使血压、脉搏信号具体检测过程如下：信号首先进入压力传感器电路→差分放大电路：对压力传感器输出的差分信号进行第一级放大，并将其作为袖压信号直接送到A/D转换器→高通滤波放大电路：将直流袖压信号滤除，只对交流的脉搏信号进行放大→低通滤波器：消除模拟通道引入的高频噪声干扰信号→A/D转换器→微控器通道：进行数字滤波；对袖带的泵排气进行控制。血压脉搏信号检测模块框图如图2-2所示。1.3拟解决的关键问题1.3.1技术关键气路部分由一个直流电机带动的气泵、两个电磁阀等机电元件组成，主要完成对袖带的充气(加压)及放气(减压)工作。当电磁阀关闭时，启动气泵给袖带充气。采用两个电磁阀的目的是保证一个阀出现故障时，仍能安全减压。同时，两个电磁阀的选择应有所区别，阶梯放气阀应具有反应快速、能实现精确放气北京理工大学《导航通信技术与应用》2011-2012-2结课论文4的要求，另一个阀应测量完毕或故障情况下实现大流量的放气，应称为泄气阀。气泵、袖带、电磁阀都过导管与多通接头相连，其中与气泵相连的导管上应装有单向阀，可使系统的漏气减至最小。数据采集部分主要包括一个压力传感器、运算放大器、两个低通滤波器和一个高通滤波器组成。主要完成袖带压力及脉搏信号检测。模拟信号的检测十分重要，它是整个系统的前处理部分，其质量的好坏直接影响到后面的处理。人体生理信息的特点是低频小信号(μV--mV量级)(0-300Hz)，低信噪比，因此传感器必需根据其特点精心选择，才能有效地提取生理信息并转换为电信号。在无创血压测量中的压力传感器通常采用的美国Motorola公司、NovaSensor公司和日本的富士通公司的产品，三者均属于应变式硅压阻传感器，利用单片硅压敏电阻器产生随压力变化而变化的输出电压，该电阻器用离子注入工序制作在硅膜上，电阻器本身就是一个应变计，施加在硅膜上的压力使应变计的阻值发生变化，从而使输出电压随所加压力产生成正比的变化。综合性价比及采购等诸多因素，为获得原始信号我们最后选用的是Motorola公司MPX53GP，它能将袖带内的气体振动信号转化为电信号，得到的电信号不仅包含气体的压力信号，还包含了脉搏的波动信号。因此要获得血压、脉搏的波动信号，就必须将这两种不同频率的信号分开。压力传感器用于测量迭加在一起的袖带压力和脉搏波的混合信号，再通过滤波器将这两个信号分开，分别送入A/D转换器，供ARM分析处理。压力传感器输出的电信号是很微弱的，压强变化所产生的电信号只有几μV,而无效的偏压却有20μV左右，并混有大量的高频噪声。因而，前置放大级要对信号进行差动一级放大并去噪，再进行零点调整于二级放大。MPX53GP的输出为0-50mV的差分信号，在微弱的有效信号中还包含有工频、静电和电磁耦合等共模干扰，针对此类生物信号的特殊性，初级放大电路应具有很高的共模抑制比，以及高增益、低噪声和高输入阻抗等特点。鉴于此，采用运算放大器AD420作为初级放大器，它具高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，使其在微弱信号的检测系统中广泛用作前置放大器。AD420是由三个放大器和经过激光调阻修正的电阻网络构成。在传统的三片运放方式的基础上做了一些改进，内部阻值的校准保证用户只需要外接一个电阻即可实现由1到上万倍的精确增益设定，减少了由于增益相关误差带来的数据采集的误差。运算放大器对传感器输出的差分信号进行放大，其输出为袖带压力和脉搏波的混合信号，但其中脉搏波信号所占比重极小，可直接作为袖带压力送入A/D转换器。运算放大器AD420的输出由两个信号组成：微弱脉搏波信号BP(1-30Hz左右)叠加在袖带压力信号CP(0.04Hz)上。如何提取出比较纯净的脉搏波信号是关键问题。首先进行低频滤波，滤除直流袖带压力信号，再对高频的脉搏波信号进行放大。但由于脉搏波信号非常微弱，应尽量减少滤波放大环节，