医学电子仪器设计第6章血压测量仪器设计.ppt

第六章血压测量仪器设计,6.1血压的监测意义6.2血压的直接测量方法6.3血压的间接测量方法6.4电子血压计的电路设计6.5单片机控制系统设计6.6动态血压监测6.7动态血压监测影响因素,6.1血压的监测意义,血压（BloodPressure,BP）是一个重要的生命参数，是指血液对血管壁的压强，通常用相对压强表示。血管分为容量血管和阻力血管,平均压的计算公式经验公式：平均压=舒张压+（收缩压-舒张压）/3。,6.2血压的直接测量方法,基本原理：连通器原理血压的直接测量是通过将测压导管插入被测体的血管内来进行的，测压导管经皮由动脉穿刺后留置固定，由测压导管上的压力传感器将压力信号转换成电信号，并在监视器上显示动脉压力波形。,直接测压装置,液体耦合法血管内压力传感器,直接血压测量问题,1测量装置的校正问题，包括零位校正（调零）和传感器灵敏度校正,直接血压测量问题,2静水压的影响在测量中心静脉压时，一般要求把传感器安放在与心房同一水平的高度。,直接血压测量问题,3波形的畸变4凝血,6.3血压的间接测量方法,间接测压法是一种非创伤性血压测量技术，常称为无创压（Non-InvasiveBloodPressure，NIBP），它可以测得收缩压、舒张压和平均压。,将袖带绑定在上臂，对袖带充气，对上臂加压，这个压力可通过机体组织传递到动脉上。当充气压大于动脉压时，血管被压扁而关闭，当充气压小于动脉压时，血管开通。根据这个原理，可以通过测量血管恰好开通或关闭时的袖带内压，来测量收缩压和舒张压。测量的方法有听诊法、搏动法、超声多普勒法等。,6.3血压的间接测量方法,6.3.1柯氏音法柯氏音法（Auscultatory）也称为听诊法，1905年苏联医生Korotkoff发现了柯氏音，奠定了柯氏音听诊法血压测量的基础，,柯氏音原理,给气袖加压直到使动脉壁闭合，然后再逐步降低气袖压力，当气袖压刚好等于收缩压时，血管被冲开，听诊器能听到柯氏音，此时的气袖压就是收缩压。气袖压继续下降，直到刚好低于舒张压时柯氏音消失，这样也就测得了舒张压。如用程序控制气泵给袖带充气和控制气阀逐步放气，用传感器测压，并显示血压数值就构成了自动测压系统。,6.3血压的间接测量方法,2测振法测振法的测量过程与柯氏音法相同，亦需要采用充气袖套来阻断动脉流，但在放气过程中不是检测柯氏音，而是检测气袖内气体的振荡波（测振法由此得名），振荡波起源于血管壁的搏动。,测振现象,1当气袖内压（静压）高于收缩压时，动脉被压闭，此时因近端脉搏的冲击而呈现细小的振荡波；2当气袖内压小于收缩压时，则波幅增大；3气袖压等于平均压时，动脉管壁处于去负荷（Unloading）状态，波幅达到最大值；4当气袖压力小于舒张压以后，动脉管腔在舒张期已充分扩展，管壁刚性增加，因而波幅维持在较小的水平。,袖带内压、搏动波和柯氏音的时相关系,典型电子血压计的结构框图,6.4电子血压计的电路设计,6.4.1血压信号提取过程1、由恒流源电路提供压力传感器稳定的电流，以提高测量准确度；2、由压力传感器产生差动电压信号；3、由集成运放LM324及可变电阻组成前置差动放大线路；4、此信号在经过0.8Hz一阶高通滤波后，去除DC值（静态压所对应的电压），避免在血管脉动信号放大时，放大器进入饱和区；5、信号再经过放大，成为血压脉动波形，再经过38Hz二阶低通滤波去除电源及皮肤与臂带摩擦的高频干扰，而后进入系统；,血压信号提取过程,6、在MCU内做信号处理及自动控制充气泵开关及放气阀动作；7、通过放大器所产生的振荡血压，先找出最大振幅值Amax，往前找0.5Amax的值即为收缩压，往后找0.8Amax的值为舒张压，将上述两点与DC电压（静态压所对应的电压）做对照，把DC电压值（静态压所对应的电压）换算为所对应的压力值，则为收缩压与舒张压的值；8、在脉动波形出现的时间内计算出有多少个波形，然后乘上60，即为每分钟的心跳数；9、在所有信号摄取运算完毕后，将收缩压、舒张压及脉率显示在LCD显示屏上；,电子血压计系统,6.4.2传感器及模拟信号电路,常用传感器型号BP01型压力传感器FGN一605PGSRMPS-3100-006G压阻式压力传感器,电子血压计电路,模拟电路分解,传感器恒流供电电路和传感器电桥电路差分放大电路，得到直流分量，即袖带内的压力值二阶高通滤波电路，滤除直流分量交流放大电路，得到交流分量，也就是振荡波的波形低通滤波消除高频噪声，得到干净的振荡波信号,6.5单片机控制系统设计,6.5.1单片机资源分析测量血压过程：按激活键，单片机PWM输出控制气泵充气至200mmHg高，慢慢以每秒约下降5mmHg的速度阶梯放气。压力传感器输出信号经差分放大器后变单端信号一路送入单片机ADC监视直流分量，另一路送入0.8Hz二阶高通滤波器滤除直流分量。,测量血压过程,交流分量经200倍放大后输入38Hz二阶低通滤波器去除电源及皮肤与袖带摩擦的高频噪声和工频干扰并将此信号维持在05V之间，滤波后的交流分量送入单片机ADC计算幅值，先找出最大振幅值Amax，再往前找幅值为0.5Amax的瞬态位置对应血压直流分量即为收缩压，往后找幅值为0.8Amax的瞬态位置对应血压直流分量即为舒张压，将计算出的收缩压和舒张压结果输出至液晶驱动器显示。,电源开关设计,表6-1LCD显示内容,软开关工作原理,当系统开机时，长按下开关S1时SGM3005的IN1接高电平，即COM1与NO1相连，NO1接电源，所以COM1接电源，COM2也接电源，开始为系统供电。开关断开后COM1接NC1悬空，但COM2被单片机输出信号KEY_HOLD（连接到模拟开关的IN2端）控制，仍接电源继续为系统供电。,软开关工作原理,系统关机时，电源键长按，单片机内部的定时器判断按键按下的时间长度，达到关机设定的时间长时，单片机给KEY_HOLD管脚一低电平，COM2与电源断开，停止为系统供电。,显示段码数计算,血压计电路端口设计,6.5.2单片机工作流程,初始化工作接通开机按键，上电电路工作，给单片机供电，单片机进行初始化工作，如初始化寄存器，SRAM，系统时钟，设置模块如PWM、ADC、Timer、RTC、UART、GPIO等的设置做必要的初始化，开中断，显示全部段码1秒钟，然后关闭显示，等待开始测量的信号。,按键输入,有按键按下时低电平脉冲通过此端口输入，单片机中断服务子程序每隔10ms判断一次端口状态，连续读到3次（消除按键抖动处理）低电平，则判断按键有效，按键有效后控制启动一次血压测量，对液晶屏输出显示测量过程画面，将袖带压的值在屏幕上显示。,气泵充放气,判断开始测量按键有效后启动血压测量功能，微控制器输出控制指令气泵进行充气，当充气到达一定压力值时，血流被完全阻断，系统将自动转入放气阶段电机需要较大的功率驱动，最简单的解决方法用三极管即可，如果有特殊要求可以用专门的驱动芯片。,气泵充放气,电机的启动阶段有较大的过载电流，如果直接加阶跃信号会产生很大的电流变化，通过PWM功能模块给气泵充气可以缓慢增加电机电流，从而平稳启动气泵。停止充气的条件是ADC0测到的血压直流分量大于4V（200mmHg）,放气的速率由微控制器进行控制，通过单片机内的定时器控制气阀的放气时间可以平稳的降低袖带气压。气泵及气阀均为感性负载，需并联续流二极管以防止烧坏器件。,测量血压,两路ADC转换心跳脉冲通过CCP1(输入捕捉/输出比较/脉宽调制模块)触发ADC信道1采样血压交流分量测出每个脉冲的峰峰值，同时计算出这个脉冲时间段内ADC信道0测到的血压直流分量的平均值。把峰峰值和直流平均值作为一对数据记录起来，每个心跳脉冲会对应一对数据。,测量血压,ADC信道0测到的血压直流分量小于1V表示气压低于50mmHg，是单次测量结束的标志。为了最大限度地利用A/D转换的采样速度，用中断来采集A/D转换后的数据。为了找到脉搏波的峰值，采用定时A/D转换的方法，定时器每2ms启动一次A/D转换过程。,ADC数据处理,ADC信道1测量血压交流分量的采样率为2kHz经过ADC多次测量去除异常数据，将多次测量的数据先做比较，去掉个别与大多数数据相差较大的数据，对剩下的数据中取偏大(小)的几个数据取平均，从而得到高(低)峰值,工作流程图,计算收缩压和舒张压,图6-15血压交直流信号及收缩压和舒张压位置,计算收缩压和舒张压,单片机在测量过程中已经存储各个脉搏波的峰值，以及每个脉搏波的间隔时间。然后开始统计记录下来的若干组峰峰值和直流平均值，找出峰峰值最大的值Amax，再往前找峰峰值最接近0.5Amax的一对数据，其中血压直流分量即为收缩压，往后找峰峰值最接近0.8Amax的一对数据，其中血压直流分量即为舒张压。,6.5.3调整方法,零压输出调整前置电路增益的调整满量程调整,6.6动态血压监测,6.6.1动态血压测量意义和内容一个人昼夜24小时内，每间隔一定时间内的血压值称为动态血压，动态血压计（AmbulatoryBloodPressureMonitoring，ABPM）测量内容包括收缩压、舒张压、平均动脉压，心率以及它们的最高值和最低值，大于或等于21.3/12.6kPa(160/95mmHg)或/和18.7/12.0kPa(140/90mmHg)百分数等项目。为了解患者全天的血压波动水平和趋势，动态血压监测提供了极有价值的信息。,动态血压仪分类,袖带式指套式,动态血压监测优点,(1)去除了偶测血压的偶然性，避免了情绪、运动、进食、吸烟、饮酒等因素影响血压，较为客观真实地反映血压情况。(2)动态血压可获知更多的血压数据，能实际反映血压在全天内的变化规律。(3)对早期无症状的轻高血压或临界高血压患者，提高了检出率并可得到及时治疗。(4)动态血压可指导药物治疗。在许多情况下可用来测定药物治疗效果，帮助选择药物，调整剂量与给药时间。(5)判断高血压病人有无靶器官(易受高血压损害的器官)损害。有心肌肥厚、眼底动态血管病变或肾功能改变的高血压病人，其日夜之间的差值较小。(6)预测一天内心脑血管疾病突然发作的时间。在凌晨血压突然升高时，最易发生心脑血管疾病。(7)动态血压对判断预后有重要意义。,6.6.2仪器结构,6.6.3单片机控制系统,单片机控制系统组成记录仪的核心控制单元。开始使用记录仪时，通过PC机设置测量参数（如系统时间，测量间隔等）；测量过程中定时向血压模块发送测量命令、接收测量结果，然后在记录仪的液晶屏上显示和存储到内部的存储器中；连接PC机时将存储器中的数据读出后上传到PC机上。,6.6.4软件工作流程,6.6.5PCB设计,采用四层电路板设计，其中内电源层只作为接地平面不走信号线。同时打过孔时要注意保证有可靠的地回路；模拟电路与数字电路元件放置时也要有效的分开；将流过大电流的元件或插头（如充气泵，放气阀门等）放置在一起，远离模拟和数字电路元器件；布线时尽量增加通过大电流的导线的宽度（一般要求50mil以上）；布线时要对电流的回路有足够的判断，尽量减小回路面积。,6.6.6液晶显示控制,通常动态血压记录仪的显示采用段码液晶屏，通过MSP430F413单片机内部液晶控制单元进行显示控制。待机时液晶屏显示记录仪的系统时间；测量过程中显示实时的袖带压力；每次测量结束后可以显示收缩压、舒张压、平均压、脉率等数据信息。如果测量失败还可以显示失败原因的代码。,6.6.7电源处理模块及其相关电路设计,血压计选用2节5号电池作为电源的输入血压测量模块在不测量血压时处于关闭状态