基于MSP430的人体无创健康指标测量仪设计

张梦洋　张天开　魏凯　樊镭

摘 要 基于MSP430的测量仪可以同时完成人体体温、脉搏、心跳、血压指标的动态测量，并配有无线报警模块，在当事人自身没有能力报警或无意识情况下自动通过无线网络报警给相关机构。通过利用脉搏传导时间（PTT）与血压的线性关系计算出血压值。提高了仪器测量指标的综合性和仪器本身实用性。

关键词 MSP430 温度 脉搏 心跳 血压 无线报警

引 言

伴随着我国老龄化日益严重，人体健康指标越来越受到人们重视。及时准确、动态地测量人体健康指标，可以有效预防心脑血管疾病，对人生命安全起到保障作用。

在体温、心跳、脉搏、血压等健康指标中，血压的测量最受人们重视；2013年世界卫生日的主题便是高血压。在我国高血压患者已经突破2亿，而高血压控制率却不足10%。高血压会导致人体一系列的心脑血管疾病，数据显示我国每年300万例心血管患者死亡中至少一半与高血压有关。因此人们应该长期、有效地监测自己的血压，了解血压值的标准临界值，以降低高血压给其患者所带来的伤害。

本文所设计测量仪能够同时测量体温、心跳、脉搏、血压等指标。传统仪器功能较单一，多仅能测量单一体征参数，同时测量人体多个指标需多仪器，给被测者造成不便。本测量仪通过测量脉搏传导时间（PTT），利用其与血压之间的线性关系，经过数据运算处理求得血压值。采用此种方法可以实现对温度、心跳、脉搏，血压同时测量。测量血压无需袖带加压，在保证测量达到要求精确度的同时更加方便。

社会已经进入互联网时代，社区网络覆盖率高，通过网络通信可完成自动报警。本检测仪可将所检测指标与人体健康指标正常值进行实时对比，当被测者身体指标出现较大变化，特别是出现自身无法呼救的状况时，检测仪上无线模块会自动将数据通过患者所在无线网络上传给相关机构进行报警。自动检测、及时报警能够提高被测者得到救治速度，具有一定现实意义。

1 测量仪总体设计

健康指标测量仪主要由MSP430F149单片机、温度测量、心电测量、脉搏测量、上位机通信等模块组成，系统总体框图如图1所示。

设计思路：首先系统分别通过温度测量模块、心电测量模块和脉搏测量模块将所测信号经过信号调理后传给单片机MSP430F149的A/D转换通道，从而得到所需数据并存储[1]。单片机对各项数据通过LCD显示的同时也对人体各项指标进行设限判断；当数据出现异常时，系统通过蜂鸣器进行报警，经过一段时间后若被测者不按系统键盘上的取消键，则系统自动通过无线模块将报警信号传送给相关机构，达到及时求助的目的。另外，系统存储数据还可以通过上位机通信模块传给上位机，相关专业人员可以通过上位机观察数据、波形，如图2和图3所示。

2 主要模块

2.1 体温测量模块

体温是人体重要的生理指标，测量方式包括口腔、腋窝和直肠测量；本设计选取腋窝作为测量部位；而用负温度系数热敏电阻做为温度传感器[2]，其中热敏电阻阻值与温度关系为：

其中R0与R分别代表温度为T0和T时热敏电阻的阻值。N为材料常数，可以用来表示在热敏电阻阻值与温度的关系。

为保证热敏电阻的阻值变化仅受外界温度影响，本设计选用DH905作为恒流源对热敏电阻进行电流驱动。并通过调节R1阻值使恒流源电流为100uA[3]。原理图如图4所示。

在实际应用当中，热敏电阻阻值与温度两者之间往往不满足线性关系，这就需要通过最小二乘法对两者关系进行拟合校正。实验数据见表1：

2.2 脉搏和心电测量模块

脉搏传感器选用HK2000B，其具有灵敏度高，抗干扰性强，过载能力大，一致性好，性能稳定可靠等特点[5]；心电测量采用常用的平板电极，进行相比传统测量使用电极数量少且方便的双电极心电测量[6]。

脉搏和心电测量所测得信号是较微弱的电压信号，在测量过程中会受到噪声和工频信号的干扰，因此将干扰信号消除或减到最小并进行放大是设计的重点。

首先，在信号处理过程中应针对噪声所处频率和信号自身不稳定性设计特定的滤波带、50Hz工频陷波器和抑制基线漂移的电路。脉搏信号频率在0.2-45Hz之间，因此设计的带通滤波器滤波带应为0.2-45Hz（如图6所示）；心电信号频率在0.5-100Hz[7]，应设计相应频率的带通滤波器[8]（如图7所示）。

传感器测得信号都是毫伏级的，而本设计选用单片机MSP430F149所自带的A/D转换通道，范围为0-3.3V，因此应对两者信号采取不同程度的放大，以使转换电压想匹配。为配合对干扰信号的消除，脉搏和心电信号的放大都采用两极放大，并且第一级放大器都选取具有高输入阻抗、高共模抑制比的仪表放大器AD620，这样将更大地提高测量的精确性。

2.3 血压测量模块

高血压能够引发一系列的心血管疾病[9]。文献报道利用脉搏传导时间可以计算出人体的血压值[10]，使24小时动态血压测量更加方便。并且由于测量方式简便、仪器体

积小，便于佩戴，被测者可以独立进行血压测量。

对于血压与脉搏传导时间的关系，根据Moens-Korteweg公式[11]，可得出

其中P代表血压值，K为传递距离，E0代表在压力为零的情况下的弹性模量，g为重力加速度，γ为代表血管特征的一个量，为0.016到0.018（mmHg）， ρ代表血液密度，a为血管壁的厚度，d为血管内径。如果忽略随着血压改变时血管内径和血管壁的微小变化，则该式中只有P和T为变量，对T进行求导，得

其中P代表人体血压，T为脉搏传导时间。由式（12）可得出人体血压同脉搏传导时间（PTT）具有线性关系，a，b作为待定系数，可通过最小二乘法进行拟合得到[12]；求收缩压时，T值可由式（13）求得。

Tp为脉搏波形达到最高点的时刻，TR为心电波形达到R波的时刻，如图8所示。利用极值法确定两点的时刻[13]，即满足式（13），其中数值ak所对应的时刻便是波形达到最高点的时刻。

对舒张压的求取则选择两种信号图像的最低点，方法和上述一致。

选取3组被测者实际测量进行验证，通过该方法所测得血压偏差值满足美国医疗仪器促进协会要求，即平均偏差小于5mmHg，标准偏差小于8mmHg，详细结果如表2所示。

2.4 其它模块

检测仪电源模块中，电压经芯片MAX856转换产生3.3V和5V电压；液晶采用低功耗的ST7565；由于检测仪所测数据种类多、数量大，因此采用可串行控制的功耗

低的存储芯片24C256进行数据存储并通过芯片PL2303进行USB转换以方便与上位机的通信[14]。检测仪的报警部分主要由蜂鸣器和无线模块两部分共同构成，其中无线模块选用体积小、功耗低、通信距离长的NRF2401[15]。当被测者健康指标异常时首先由蜂鸣器发出响声作为警报，一段时间后若CPU没有检测到按键模块中报警取消键按下，则系统默认为被测者需要急救，会通过无线模块向相关机构发出警报。

3 软件设计

健康指标测量仪用于对人体温度、血压、脉搏等健康指标进行准确测量并及时报警，其具体流程图如图9所示。设备进行初始化后便开始各项健康指标的采集，伴随着实时存储和显示。当有一项或多项指标超过设定的正常范围时，开始报警。报警分两个阶段：第一阶段为蜂鸣器报警，通过发声提醒被测者，使其采取相应措施，并在30s内按下取消键结束报警；第二阶段为无线模块报警，即30s内系统没有检测到取消键按下，自动判定被测者自身无法报警，系统会通过无线持续向相应机构报警。

4 小结

本文介绍基于MSP430F149的健康指标测量仪的主要设计和具体实施方案。针对不同参数采用不同算法，去除袖带来进行血压测量，在保证测量信号准确性的同时，也使得测量变得方便易行。整合无线报警功能进一步保障被测者的生命安全。

参考文献

[1] 胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

[2] 王恩信，荆玉兰，王鹏程，等.NTC热敏电阻器的现状与发展趋势[J].电子元件与材料，1997，（04）：3-11.

[3] 胡润峰.NTC热敏电阻温度传感器[J].传感器世界，2001，7（7）：31-34.

[4] 李庆扬，王能超，易大义.数值分析[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.

[5] 邵阳.脉搏与血压测试方法的研究[J].医疗装备，1995，（12）：8-11.

[6] 田蕴青，孙晓静.心电图自动诊断系统的研制[J].中国医疗器械杂志，2001，25（4）：204-206.

[7] 段新昱，林家瑞，司海芹.ECG监视过程中的消噪问题[J].国外医学，生物医学工程分册，1992，（3）：10-17.

[8] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001.

[9] 吴杰.动态血压监测及临床应用[J].世界医疗器械，1998，（4）：16-20.

[10] Xiang Hai-yan， Yu Meng-sun.Continuous measurement of blood pressure using pulse wave transit time[J]. Chinese Medical Equipment Journal， 2006，27（2）：19-21.

[11] X.F.Teng， Y.T.Zhang. An evaluation of a PTT-Based method for noninvasive and cuffless estimation of arterial blood. pressure[J]. Engineering in Medicine and Biology Society，2006，（7）：6049-6052.

[12] 张政波，吴太虎.无创血压测量技术与发展[J].中国医疗器械杂志，2003，27（3）：196-198.

[13] Shannon C E.The mathematical theory of communication[J].The Bell System Technical Journal，1948，27（3）：379-423.

[14] 高传善.接口与通信[M].上海：复旦大学出版社，1989.

[15] 冯锡生，朱荣.无线数据通信[M].北京：中国铁道出版社，1997.