具备血流参数检测功能的电子血压计的设计研究*

李 洋 张 松* 杨益民 杨 琳 王杨柳 邵 晶 陈国柱

高血压、心血管疾病是常见病和多发病之一。随着人们生活水平的提高、工作压力的增强，除了老年人外，中青年人也越来越多地受到高血压、心血管疾病的威胁。高血压疾病常常伴有严重的并发症，由高血压疾病引起的病死率位居各种疾病第三位。心血管疾病无论在发达国家还是发展中国家其病死率均占第一位。在临床，血压的变化是评价高血压疾病的重要指标，人体血流参数是评价心血管疾病的重要依据，在计算血流参数时，血压是一个必不可少的因素。为了共同遏制高血压、心血管疾病的蔓延，设计一款具备血流参数检测功能的电子血压计，不但可以测量出血压值，亦可以得到人体血流参数值，为临床诊断治疗高血压、心血管疾病提供更为可靠的依据[1]。

1 电子血压计的工作原理

目前，电子血压计普遍采用示波法计算血压值。示波法通过压力脉搏波与压力的同时记录来测量血压。示波法需要用袖套阻断动脉血流，在缓慢均匀放气过程中检测袖套内的气体压力振荡波，放气过程中连续记录的振荡波的脉动成分呈现近似抛物线的包络。示波法计算血压值的关键在于找到放气过程中连续记录的脉动的包络及其与动脉血压的关系。当袖套内压力远高于收缩压时，脉搏波消失，随着袖套内压力下降，脉搏波开始出现。当袖套内压力从高于收缩压降到收缩压以下时，脉搏波会突然增大，在平均动脉压时脉搏波幅值达到最大，然后脉搏波又随袖套内压力下降而衰减[2-3]。

目前，普遍采用幅度系数法来判定收缩压和舒张压的值。该方法是将示波信号的幅值与信号的最大幅度相比进行归一化处理，通过确定收缩压和舒张压的归一化值来识别收缩压与舒张压[4]。

2 血流参数的检测

目前，国内外大部分医院采用有创的手段获得血流参数值。有创的方法虽然准确但由于费用大、危险性高等特点，仅限于重症患者的检测、不适用于健康人的日常保健。经过临床实验证实，在桡动脉脉搏波中蕴含着大量与生理、病理学相关的信息，为通过桡动脉脉搏传感器而获取脉搏搏动波形数据并分析计算与脉搏搏动特征密切相关的血流参数提供了物理学和医学的基础[5-6]。

常用的桡动脉压力脉搏波检测主要是膜式检测方式。这种检测方式是将压力传感器置于一个很小的空间内，并用一个有很好弹性和强度的膜密封该空间，将膜置于手腕脉搏跳动处，感受桡动脉的压力并传给应变片。利用膜式压力传感器检测脉搏波，并估算血流参数值已广泛应用在临床检查中。在实际应用中发现，使用膜式压力传感器检测桡动脉脉搏波时，对检测位置和施加在传感器上的力度都有严格的要求，这种检测方式很难普及到家庭医疗保健领域。为了改善上述膜式压力传感器检测桡动脉脉搏波的缺点，陈廷鋆等[7]提出了一种气囊式检测方法。这种方法是将传感器置于气囊(即袖套)中，将气囊裹于手腕处，通过加压装置对气囊充气，当气囊中的压力达到一定程度后，测量桡动脉脉搏波,其检测方式简单、方便，无需他人的帮助，且不需要任何操作技巧。

但这种检测方法也存在着缺点，气囊与检测装置之间需要使用橡胶气体导管连接，存在一定长度的气路，有较大的阻尼和滤波作用，致使脉搏信息中的一些高频谐波被大大衰减，使得检测到的脉搏波较光滑，不能满足波形的测量。通过进行了膜式压力传感器和气囊式压力传感器同时检测脉搏波的对比实验，在发现两种检测方式的相互关系后，对脉搏波无创检测血流参数模型进行了相应修改[7-8]。

3 总体设计

具备血流参数检测功能的电子血压计的总体设计如图1所示。

图1 具备血流参数检测功能的电子血压计总体设计框图

在图1中，①C8051F020单片机为本装置的处理与计算核心，负责接收其他各电路发来的信号，并控制其他各电路的工作；②气体压力传感器、快速加压气泵、电子快速排气阀和机械式定速排气阀等是电子血压计的重要组成部分，其中气体压力传感器需要设计专门的恒流源驱动电路来驱动其正常工作；③LCD显示电路采用分辨率为240×320的TFT液晶屏，型号为XT240374P13，采用16位并行总线接口方式；④XT240374P13共有37根管脚，其中有16根数据总线管脚，低8位的数据总线管脚与单片机的P6口相连，高8位数据总线管脚与单片机的P7口相连；5根控制信号管脚CS、RS、RD、WR、RESET分别与单片机的P3.0、P3.1、P3.2、P3.3、P3.4相连，LCD主要用于显示人机交互界面、测量得到的血压值和血流参数值等信息；⑤Flash存储电路的核心是AT45DB081型Flash存储芯片，其存储密度高，引脚资源占用少，电源电压低、功耗小，有较广泛的应用。AT45DB081型Flash存储芯片的存储容量为8650752(264字节×4096页×8位)位，以SPI串行总线与单片机进行通信，使用简单、方便。本装置利用AT45DB081型Flash存储芯片存储检测结果，方便用户日后对历次检测结果的浏览；⑥日历时钟电路采用S3530A型实时时钟芯片，该电路用于提供测量时的时间和日期，Flash存储模块中存储的历次检测结果就是以日历时钟电路提供的时间和日期来排序的。

4 硬件设计

具备血流参数检测功能的电子血压计的硬件设计重点为恒流源驱动电路、电源电路和放大滤波电路的设计。

4.1 气体压力传感器与恒流源驱动电路的设计

设计选用GE公司生产的NPC1220型气体压力传感器，该气体压力传感器需要使用恒流源驱动，其测压范围最高可以达到300 mmHg，符合设计的需要。恒流源驱动电路与气体压力传感器的连接电路如图2所示。

图2 恒流源驱动电路与气体压力传感器的连接电路

4.2 电源电路的设计

具备血流参数检测功能的电子血压计需要多路电源电压，例如快速加压气泵、电子快速排气阀、机械式定速排气阀、LCD显示模块、Flash存储模块及日历时钟电路等需要3.3 V的正电压，恒流源驱动电路需要9 V的正电压与±5 V的电压，放大滤波电路需要±5 V的电压，设计时采用超霸9 V碳性电池的作为系统的总能源，并提供所需的＋9 V电压，利用AS1117-3.3型电源芯片将＋9 V电压转化为＋3.3 V电压，利用AS1117-5.0型电源芯片将＋9 V电压转化为＋5 V电压，利用MAX735型电源芯片将＋5 V电压转化为－5 V电压。

4.3 放大滤波电路的设计

用气体压力传感器采集到的脉搏波信号属于低频微弱信号，容易受到外界电磁信号的干扰，因此需要搭建放大滤波电路进行去除干扰，并放大脉搏波信号，经过处理的脉搏波信号便于单片机的采集与计算。在放大滤波电路中加入基线调节电路，可以有效的控制脉搏波信号的直流漂移，从而减小由直流漂移引起的计算误差。放大滤波电路的设计框图如图3所示。由于人体脉搏波信号的主要频率分量为0.1～8 Hz，故二阶低通滤波器的截止频率设计为30 Hz。

图3 放大滤波电路的设计框图

5 软件设计

软件部分主要实现了以下功能：①浏览历次的检测结果；②修改系统时间；③控制快速加压气泵，实现对袖套的自动充气加压；④控制机械式定速排气阀，使袖套内的压力以5 mmHg•s-1的速度下降；⑤计算血压值与血流参数值，如外周阻力TPR、心脏指数CI、心输出量CO、心搏出量SV、血管顺应性AC、血流半更新率ALK、血流半更新时间ALT以及血流平均滞留时间Tm等。其软件流程如图4所示。

图4 单片机软件整体流程图

在袖套内压完全阻断手腕处血液流动的基础上，再增加30 mmHg的压力，此时袖套内的压力值即为加压阈值。减压阈值在软件设计中被定义为常量，数值为30 mmHg，当匀速减压过程中袖套内的压力达到减压阈值时，即认为本次血压检测结束，程序跳转到计算血压处，利用“幅度系数法”计算得到平均动脉压、收缩压和舒张压的值[9-12]。得到血压值后迅速控制快速加压气泵对袖套加压至平均动脉压，并保持压力不变，连续测量脉搏波30 s时，利用得到的脉搏波信息计算人体的各项血流参数，将本次的检测结果显示在LCD液晶屏上，并提示用户是否存储检测结果。

罗志昌教授等[17]提出一个以脉图面积变化为基础的脉搏波波形特征量K值，利用K值与收缩压、舒张压，即可计算心输出量、心搏出量、心脏指数、血管外周阻力、血液黏度、血管顺应性、血流半更新率、血流半更新时间以及血流平均滞留时间等心血管血流参数。利用这个方法计算可得到人体各项血流参数[13-19]。

6 讨论

具备血流参数检测功能的电子血压计，不但可以测量出血压值，还可得到人体各项血流参数，扩展了电子血压计的功能，更好地辅助临床对高血压、心血管疾病的诊断。该血压计采用9 V的碳性电池供电，实现了手持、便携的目的，使得检测不需地域、时间的限制，可随时随地进行测量，并将测量的结果选择性地存储在Flash存储芯片中，显示在LCD显示屏上，以便按检测日期查看历次的检测结果。将血压计与血流参数检测功能结合在一起是本装置的创新点，通过后期与欧姆龙公司生产的电子血压计(HEM-845)与北京工业大学开发的心血管血流参数检测系统(TPCBS-II)进行对比实验发现，具备血流参数检测功能的电子血压计可以很好的完成测量血压的功能，血压的测量结果与欧姆龙电子血压计(HEM-845)的测量结果在统计学上没有差异。与TP-CBS-II型心血管血流参数检测系统的对比实验结果表明，二者的血流参数检测结果在统计学上没有显著性差异。

7 结语

在检测桡动脉脉搏波时，气囊式检测方法使整个检测过程变得简单、方便，不需他人辅助，可独立完成操作。但与膜式检测方法相比，气囊式检测方法在测量桡动脉脉搏波方面仍存在其缺点。因为较长气路的存在，使得到的桡动脉脉搏波变得光滑从而失去部分频率稍高的谐波成份，用这样的脉搏波计算出的血流参数则会丢失部分信息，使得检测结果存在一定的误差。但通过上述的对比实验证实，虽然用气囊式检测方法得到的脉搏波有一定的失真，但经过对脉搏波无创检测血流参数模型的修正后，气囊式检测方法与膜式检测方法测量所得到的血流参数结果在统计学上没有显著性差异。因此，用气囊式检测方法取代膜式检测方法将会成为一种趋势，也会成为一个科学实践热点。

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