SoC:高精度電子血壓檢測儀設計與應用

發(fā)布時(shí)間:2010-12-16 09:36    發(fā)布者:andy365
關(guān)鍵詞: 高精度 , 檢測儀 , 血壓
目前,臨床上對普通病人主要采用無(wú)創(chuàng )檢測的方法,它大致分為人工柯氏音法和示波法兩類(lèi)。人工柯氏音法雖然比較準確,但操作困難,受主觀(guān)因素影響較大;傳統的示波法雖然操作簡(jiǎn)單,但穩定性和個(gè)體適應性較差,不利于在臨床應用上的普及和推廣。
本文在示波法的基礎上,從硬件實(shí)現和軟件設計兩個(gè)方面改進(jìn)了原來(lái)的測量方法,并進(jìn)行了比對測試。該系統采用基于Σ-Δ型A/D轉換器的ADμC848作為核心處理器,并應用形態(tài)濾波等信號處理算法,簡(jiǎn)化了電路的設計和實(shí)現,提高了系統的可靠性和穩定性。

1 硬件設計

示波法進(jìn)行血壓檢測的主要過(guò)程是獲取袖帶內變化的壓力信號,分析從中分離出的脈搏信號,找到收縮壓和舒張壓對應的位置,從而得到數據。傳統的示波法測量是將來(lái)自傳感器的信號放大,對放大后的信號進(jìn)行低通濾波,得到壓力信號,并由一組A/D轉換器將其送入單片機,然后再對該壓力信號進(jìn)行帶通濾波,得到脈搏信號,由另一組A/D轉換器送入單片機。其基本結構如圖1所示。



采用了Σ-Δ型單片機ADμC848之后,簡(jiǎn)化了電路。

由于集成了高精度的16位Σ-Δ型A/D轉換器,且其A/D參考電壓可以編程調整(最小可達到10mV)。因此,它可以在保證精度和動(dòng)態(tài)范圍要求的情況下,直接進(jìn)行A/D轉換,而不必經(jīng)過(guò)放大。這樣,可以消除由于放大器的存在而帶來(lái)的動(dòng)態(tài)范圍改變、噪聲以及電壓失調等一系列問(wèn)題,并且減少了器件的使用,降低了實(shí)現成本。

由于該Σ-Δ型A/D轉換器提供了差模輸入方式,可以將傳感器給出的差模信號直接送入A/D轉換器,理論上其共模抑制比可以達到無(wú)窮大。因此,它可以大大降低由于前級放大電路的不匹配而造成的共模干擾。

由于Σ-Δ型A/D轉換器轉換過(guò)程要通過(guò)一個(gè)低通濾波器濾波,因此,在進(jìn)行A/D轉換之前,不必進(jìn)行濾波處理,可以直接將傳感器與A/D連接,然后再進(jìn)行數字濾波。

由于A(yíng)DμC848中集成了一個(gè)標準的恒流源,恒流數值可以通過(guò)軟件編程調節。因此,可以根據產(chǎn)品應用的不同環(huán)境,將一個(gè)標準的壓力輸出進(jìn)行采樣,然后進(jìn)行A/D轉換,再根據轉換結果及時(shí)調整恒流源,直到輸出期望的轉換數值,以實(shí)現產(chǎn)品的自動(dòng)校準。

改進(jìn)后的電子血壓計硬件結構如圖2所示。



2 軟件設計

經(jīng)過(guò)以上硬件處理后得到袖帶內壓力的變化曲線(xiàn),在軟件處理中,先要分離出其中的脈搏信號;然后去除干擾點(diǎn),擬合包絡(luò )曲線(xiàn),找到對應的平均壓;最后根據系數計算出收縮壓和平均壓。

在分離脈搏信號的過(guò)程中引入了形態(tài)濾波算法。由于袖帶內壓力信號與脈搏信號頻帶接近,直接采用帶通濾波會(huì )減小信號幅度,降低信噪比,給后面的處理帶來(lái)困難。而應用形態(tài)濾波處理算法,是從形態(tài)學(xué)角度分離信號,可以很好地提取脈搏信號。為了能夠實(shí)時(shí)完成信號分離,將采用開(kāi)運算進(jìn)行處理,削平原始信號中所有的波峰,再用原始信號與處理后的信號做差,得到分離出的脈搏信號。圖3為原始信號圖,圖4為分離出的脈搏信號。



為了有效抑制干擾,修復缺損的脈搏波,將根據每個(gè)脈搏波峰值與和它相鄰的脈搏波峰值之間所成角度的關(guān)系,決定每個(gè)脈搏波的可信程度。由于脈搏波幅值不是單調變化的,因此,這樣的判斷還需要考慮幅值因素。其具體方法見(jiàn)文獻[1]。

利用上面得到的每個(gè)脈搏波的權值信息進(jìn)行包絡(luò )擬合。由于所得包絡(luò )線(xiàn)明顯不對稱(chēng)(即二階擬合不能滿(mǎn)足要求),將采用帶權值的三階最小二乘擬合方式。擬合完成后,曲線(xiàn)上極大值所在位置對應的壓力值,就是平均壓的數值。

最后,參照文獻[2]中的方法,根據平均壓的大小決定采用何種幅度系數,并利用幅度系數計算出相應的收縮壓、舒張壓對應的位置,從而得到收縮壓、舒張壓的大小。

為了驗證所得血壓計的準確性,選取了一些典型的樣本,將其測量結果與人工聽(tīng)診的柯氏音法進(jìn)行比對。

首先,用人工聽(tīng)診的柯氏音法測量血壓數值a1,相隔15分鐘后,再用改進(jìn)后的電子血壓計進(jìn)行測量,得測量數值b;再等待15分鐘,用人工聽(tīng)診的柯氏音法重新測量一遍,測得血壓值a2,用a1與a2的平均值a作為人工聽(tīng)診柯氏音法所得的測量數值。所得測量數據如表1和表2所示。



從以上幾組典型的測量結果可以看出,應用本文所述的電子血壓計測量血壓,能夠保證血壓測量的精確度在5mmHg以?xún),基本滿(mǎn)足血壓測量的精度要求。

本文提出了一種基于SoC的血壓檢測儀器的實(shí)現方法。實(shí)驗證明,這種血壓檢測儀具有很好的精度,能夠滿(mǎn)足血壓測量的一般要求。
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