血壓仿真器設計

1、血壓仿真器的設計一、 設計目的及意義隨著生活水平的提高，人們越來越觀注自己的身體健康，血壓是身體健康與否的一個重要指標。據2001年全國普查顯示，我國平均每三個家庭就有一個高血壓患者；慢性低血壓的發(fā)病率為4%左右，其在老年人群中可高達10%。因此，研制既適合家庭保健人員又適合專業(yè)人士使用的動態(tài)血壓測量儀具有重要的意義。目前，市場上的使用的血壓計大部分仍是水銀血壓計，也有一些動態(tài)血壓記錄儀。水銀血壓計每次測量必須由醫(yī)生戴上聽診器進行測量，測量過程復雜，只能是每個醫(yī)生一次對一個人進行測量；而且對不同的醫(yī)生，測量結果可能不同：對同一個人來說，影響血壓因素非常多，由于每次測量的時間不可能很長，測得結果

2、在某些情況就不能真實的反映被測對象的血壓值。然而，將脈搏波的記錄引入動態(tài)血壓技術，可提供24小時內的每次血壓測量結果。與水銀血壓計相比，它具有反映各時點的血壓狀況、血壓晝夜變化的規(guī)律等優(yōu)點，并且從根本上解決了“白大衣”高血壓的誤檢誤診?；谝陨犀F(xiàn)狀，本課題提出血壓仿真器的設計，以便于以后設計動態(tài)血壓測量儀。二、 研發(fā)現(xiàn)狀本設計研究的動態(tài)血壓檢側儀屬于微機檢側與控制領域，通過對它的研究將對自己以后從事機電一體化產品的開發(fā)具有重要的意義。由于單片機具有集成度高、功能強、速度快、體積小、功耗低可靠性高、價格便宜、實用靈活、開發(fā)周期短、適合國情等諸多優(yōu)點，因此，在工業(yè)控制系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)、自動測試系

3、統(tǒng)、智能儀器儀表、遙感遙測、通訊設備、機器人、高檔家電中隨處可見其身影。而且單片機可以與C語言、VB等高級計算機語言相結合，使其更方便控制信號的轉換和電路的總體設計。作為生物醫(yī)學工程專業(yè)的學生，掌握單片機基本知識，學會其運用，并為以后在此基礎上結合醫(yī)學儀器設備及相關領域設計智能化產品和提高某些產品性能具有重要的實踐意義。 電機控制相關技術的發(fā)展現(xiàn)狀：目前，異步電動機矢量控制技術、直接轉矩控制技術乃至無傳感器的直接轉矩控制技術已實用化，生物醫(yī)學工程、人工神經網絡、自適應控制狀態(tài)觀測器等方法已得到廣泛采用。未來，交流電機控制技術將隨控制理論、計算機技術和電子技術的發(fā)展，圍繞解決異步電動機非解藕性及

4、參數依賴性等問題，致力于新的控制策略、器件及系統(tǒng)的研究。本設計（血壓測量計）可以進行簡單的血壓模擬?？衫梦⑷跣盘柕哪M技術設計出動態(tài)血壓測量計而且還可以計脈搏的個數。原理是利用脈沖信號的對人體的脈搏波進行的模擬和利用單片機對電機的正轉和反轉控制進行的袖帶內的充放氣過程的模擬，以及應用濾波電路完成對模擬血壓的測量和計數。以目前較為流行的PIC單片機AT89C52為血壓測量計的核心，利用單片機對電機的正反轉產生的類似于對袖帶內的快速充氣和慢慢放氣的過程，并且送入單片機中集成的A/D轉換模塊將血壓模擬信號轉換為數字信號，并且將此信號在示波器中顯示出來，最后在于模擬人體脈搏波信號進行比較、顯示、計數

5、傳輸等處理。本系統(tǒng)具有常見血壓測試系統(tǒng)的特點，具有周期測量功能，可每隔一段預設時間，進行血壓測量，可以修改不同的參數（放大倍數、脈沖信號波幅、電機正反轉速率大小等），類似于血壓測量過程中改變測量對象，選擇不同的測量模式，同時也具有很多血壓自動測量系統(tǒng)不具有的優(yōu)點：準確度、靈敏度更高；環(huán)境干擾（溫度、對象、磁場等）對于測量的影響變??；測量速度變快；測量成本變低，易于在市場進行推廣；操作簡單，對于操作人員無專業(yè)知識技能和經驗的要求，便于普及使用；體積小，便于攜帶和儲存；安全無損傷，適于對人體進行測量。本設計符合我們學生的操作水平，便于設計和模擬，也可以根據學生需要修改程序。三、 基本原理無創(chuàng)血壓測

6、量方法有很多，目前常見的有柯氏音法和示波法?？率弦舴ㄊ桥R床上常用的無創(chuàng)檢測方法。利用充氣袖帶壓迫動脈血管，隨著袖帶壓力的下降，動脈血管呈完全阻閉漸開全開的變化過程，通過辨別血流受阻過程中的過流聲音及相應的壓力點來確定收縮壓和舒張壓。但是柯氏音法存在幾個方面的問題：量值依賴于人的聽覺、視覺及協(xié)調程度，具有主觀性并難以標準化；血壓測量容易受環(huán)境噪音干擾；無法直接測量動脈平均壓，只能用經驗公式進行估算。示波法，又稱測振法，是通過建立收縮壓Ps、舒張壓Pd、平均壓Pm與袖套壓力波的關系來判別血壓的。其原理是有檢測裝置內的壓力傳感器感知袖帶下的肱動脈最初和最大搏動，將壓力信號轉換為電信號經過放大、濾波處

7、理，提取靜壓直流分量和脈動交流分量，并給予相應的采集處理，獲取所需的被測量。與柯氏音法相比，示波法不依賴與柯氏聽音，抗環(huán)境干擾能力強，同時排除了操作者主觀因素的影響，具有較廣的適用范圍。此外，由于脈搏波與血壓有較為穩(wěn)定的相關性，因此利用示波原理測量的血壓結果比柯氏音法更為準確。所以本課題采用示波法測血壓?；诜艢膺^程的示波法測量血壓的原理圖如圖1。當袖帶壓（靜壓）高于收縮壓Ps時，動脈被壓閉，此時因近端脈搏的沖擊而呈現(xiàn)細小的震蕩波；當袖帶壓小于收縮壓Ps時，則波幅增大；當袖帶壓等于平均壓Pm時，動脈血管壁處于去負荷狀態(tài)，波幅達到最大值Om；當袖帶壓小于舒張壓Pd以后，動脈血管腔在舒張期已充分擴

8、展，管壁剛性增加，因而波幅維持在較小的水平。因此，只要在氣袖放氣過程中連續(xù)測定振蕩波（振蕩波一般呈現(xiàn)近似拋物線的包跡），振蕩波的包絡線所對應的袖帶壓間接地反映了動脈血壓。 圖1 示波法示意圖 在示波法測量中，主要從脈搏波構成的鐘形包絡中識別特征點來獲取血壓值。目前主要采用兩種方法：方法一，由Geddes提出的固定比率算法。首先尋找脈搏波鐘形包絡的頂點Om，其對應的袖帶壓Pm，即為平均壓；另外，在包絡線上升沿存在一點Os和下降沿存在一點Od，分別對應收縮壓Ps和舒張壓Pd。Os和Od的大小可根據如下經驗公式求得： Os/Om=0.55 （1.1）Od/Om=0.82 （1.2）臨床實際測量中，上

9、述經驗公式中的取值變化范圍較大，式（1.1）為：0.450.57；式（1.2）為：0.690.89。方法二：根據包絡Os、Od點的變化陡度較大，而Om變化較小的特點，對脈搏包絡進行微分，從而得到對應的收縮壓Ps、舒張壓Pd、平均壓Pm。目前設計中大多采用方法一，即由平均壓經過經驗公式（1.1）、（1.2）獲取收縮壓和舒張壓的辦法。因此，本課題亦采用此種方法。四、 系統(tǒng)設計在以上的分析中已經確定：本課題采用示波法測量血壓。采用示波法測血壓時，需要同時記錄袖帶壓和脈搏波，由這兩個信號可計算出血壓值（收縮壓、舒張壓、平均壓）。而袖帶壓對應于壓力傳感器輸出信號中的直流分量，脈搏波對應于交流分量。因此可

10、以通過如下方法獲得袖帶壓和脈搏波信號：將壓力傳感器獲得的信號經前置放大電路進行預處理，然后通過低通濾波電路提取出袖帶壓力信號；將預處理后的信號輸入到高通濾波電路、中間級放大電路、低通濾波電路，于是得到脈搏波信號。然后將袖帶壓力信號和脈搏波信號經A/D轉換后送至單片機進行處理，繼而由單片機控制氣泵、排氣閥以及顯示、報警等裝置。由以上分析，可得到動態(tài)血壓測量儀的系統(tǒng)原理框圖如圖2所示：壓力傳感器低通濾波前置放大多路A/D單片機顯示存儲低通濾波中間放大高通濾波報警排氣閥放氣氣泵充氣袖帶氣囊袖帶壓力信號脈搏波信號 圖2 動態(tài)血壓測量儀的系統(tǒng)原理框圖在進行動態(tài)血壓測量儀的設計前，先進行血壓仿真器的設計。

11、血壓仿真器可以產生模擬血壓信號，并對其進行測量與顯示。其主要組成部分有：信號發(fā)生器，可用于產生模擬電壓信號；濾波電路，對信號進行濾波，以除去干擾；A/D轉換，將模擬信號轉換成數字信號，然后送入單片機；單片機，用于對輸入的信號進行進一步的處理并顯示，同時控制電機。信號發(fā)生器濾波電路A/D 單 片 機顯示電機 圖3 系統(tǒng)原理框圖五、 樣機制造5.1 硬件模塊 信號發(fā)生器該單元電路是模擬人體的脈搏波信號的產生。由交流電源、整流、濾波等幾部分組成，整流電路將交流電壓變換成單方向脈動的直流電；濾波電路再將單方向脈動的直流電中所含的大部分交流成分濾掉，得到一個較平滑的直流電；其實調節(jié)電容C的大小可以進一步

12、得到希望的鐘形包絡的信號。各部分工作原理如下：整流主要是靠的二極管的單向導電作用，它能夠將交流電壓變成單向的但脈動成分很大的直流電壓。在電路中應用的單相橋式整流電路，在變壓器次級電壓相同的情況下，輸出電壓平均值高、脈動系數小，管子承受的反向電壓和半波整流電路一樣。雖然二極管用了四只，但小功率二極管體積小，價格低廉，因此全波橋式整流電路得到了廣泛的應用。 濾波整流輸出的電壓是一個單方向脈動電壓，雖然是直流，但脈動較大，在有些設備中不能適應（如電鍍和蓄電池充電等設備）。為了改善電壓的脈動程度，需在整流后再加入濾波電路，實驗中濾波電路是電容濾波。由于電容兩端電壓不能突變，因而負載兩端的電壓也不會突變

13、，使輸出電壓得以平滑，達到濾波目的。通過整流濾波電路所獲得的直流電源電壓是比較穩(wěn)定的，當電網電壓波動或負載電流變化時，輸出電壓會隨之改變。這時得到的這個信號就是類似于鐘形包絡的信號，把它接到示波器的A通道，就顯示出來了一個類似于鐘形包絡的信號，而如果把這個信號線接到四通道多路器74HC4006后在接到了示波器的B通道上，這時顯示出來了一個類似于方波的信號，其實這就是人體的脈搏波模擬信號。 濾波電路LM324是一款帶有真差動輸入的四運算放大器，具有一些顯著優(yōu)點。該放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流大致為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一（對每一個放大器而言）。共模輸入范圍

14、包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。輸出電壓范圍也包含負電源電壓。U4:A構成40 Hz二階低通巴特沃思濾波器，運放接成跟隨器，放大倍數為1，信號由運放同相端輸入，接成壓控電壓型(VCVS)濾波器。巴特沃思濾波器的最小條件是和，如果取，那么 ，。因為這種設計方法中中總是取最大的電容，通過換算確定R，以使=1F，則，取特征5.6k，=0.5F。經過低通濾波器得到的直流信號一路送往ADC0803的VIN+引腳，一路送往AT89C52的P3.3/INT1引腳，另一路送到高通濾波器繼續(xù)提取微弱的脈搏振蕩信號。和又構成了0.4Hz一階高通濾波器，U4:B構成電壓跟隨器，閉環(huán)放

15、大倍數為1。 單片機及其控制電路 單片機用于產生模擬脈搏波信號，并對經A/D轉換的模擬信號進行測量，然后通過LED將收縮壓和舒張壓顯示出來；并根據血壓信號控制電機的正轉與反轉（以此來控制袖帶的充氣與放氣）。5.2軟件模塊（程序設計、軟件測試）5.3系統(tǒng)測試六、小結該設計已進行到實驗模擬階段，對于試制樣品、動物實驗、臨床實驗等階段還有待于繼續(xù)展開實施。是否可以制成成品，投入使用，目前還是個未知數，有待進一步的研究。雖然本設計較以往的血壓測量有了很大的改進，但本設計任然存在不足：沒有設置血壓信號存儲功能，不便于對血壓信號的對比、統(tǒng)計，進而可能影響對于疾病的診斷，對此，我們會在下一步的設計研究中，進行修改，希望會有更完善的設計結果。參考文獻：【1】 鄧親愷，現(xiàn)代醫(yī)學儀器設計原理，北京