【正文】 管的負(fù)荷，心臟必須加強收縮才能完成射血任務(wù) ，嚴(yán)重時可引起心室擴大，心輸出量減少，使循環(huán)功能發(fā)生障礙，血壓過高還可導(dǎo)致血管破裂，嚴(yán)重時要影響生命。因此動脈血壓不能過低也不能過高，維持一定相對穩(wěn)定的水平，才能維持人體組織的正常功能。 本課題是對電子血壓計的研究，讓人們隨時可以在家里測量自己的血壓，隨時關(guān)注自己的血壓情況，及早發(fā)現(xiàn)問題，能及時的去醫(yī)院就診，所以，及時、準(zhǔn)確地掌握自己血壓高、低壓變化的情況，適時治療和采取有效措施具有十一分積極的意義。 。 血壓測量技術(shù)的研究可以追溯到一個世紀(jì)以前。一百多年來，各種血壓算法相互繼承，相互作用，已經(jīng)形成了一套完整 的血壓測量技術(shù)體系。血壓測量技術(shù)可以分為直接法和間接法兩種。直接法血壓測量是將一根導(dǎo)管插入欲測部位的血管或心臟內(nèi)，通過導(dǎo)管內(nèi)的液柱同放在體外的應(yīng)變式傳感器、線性可變電感式差動變壓器、電容式傳感器等相連，從而測出導(dǎo)管端部的壓力。另一種形式是把傳感器放在導(dǎo)管的末端，直接測出端部所在點的血壓值。這種方法的優(yōu)點是測量準(zhǔn)確，并能進行連續(xù)測量。但它必須經(jīng)皮膚將導(dǎo)管插入血管內(nèi)，所以是一種創(chuàng)傷性的方法。 間接法是利用脈管內(nèi)壓力與血液阻斷開通時刻所出現(xiàn)的血流變化間的關(guān)系，從體表測出相應(yīng)的壓力值。由于這種方法不需要剖切的外科手 術(shù)，同時測量簡便，所以在臨床上得到廣泛的應(yīng)用，只是測量精度較基于單片機的電子血壓計設(shè)計 2 低，難以準(zhǔn)確測定心臟、靜脈系統(tǒng)的壓力。間接式血壓測量的方法很多，其中最主要的一種方法是利用袖帶充氣加壓阻斷動脈后，隨后緩慢放氣，在袖帶下或動脈的遠(yuǎn)端檢測脈搏的變化或血流的變化作為收縮壓和舒張壓的判據(jù)；也可把袖帶內(nèi)壓力波動的形式作為判據(jù)。間接法包括柯氏音法、示波法、超聲法、雙袖帶法、恒定袖帶壓力法、脈搏延時法等多種方法。在這些方法的基礎(chǔ)上，人們開發(fā)了很多自動及半自動的血壓間接測量系統(tǒng)，即各種類型的數(shù)字血壓計。 以往測量血壓都使用氣壓式血壓計，這種血壓 計除醫(yī)生外一般人不容易掌握，且自己為自己測量多有不便 。現(xiàn)代電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使這一測量儀器也進人了電子時代 ——電子血壓計。早期的電子血壓計有在電子手表的功能上再附加測量血壓功能，操作比較繁瑣。 電子 血壓計是利用現(xiàn)代電子技術(shù)與血壓間接測量原理進行血壓測量的醫(yī)療設(shè)備。電子式血壓計，其優(yōu)點為：使用簡易，可一人獨自操作；測量值便于記錄，體積輕巧便于攜帶。電子式血壓計具備了諸多優(yōu)點，越來越受到普通家庭的歡迎 ， 已經(jīng)成為家庭自測血壓的主要工具。 它 也越來越多地被用于醫(yī)院等醫(yī)療機構(gòu)。 醫(yī)院的醫(yī)生所使用的水銀柱式血壓計，只是壓 力測量的工具。認(rèn)為水銀柱式血壓計是精確的血壓計的觀點是片面的，因為水銀柱式血壓計只是一個壓力計而已，重點在于醫(yī)生通過聽診器進行的聽診。目前國際上發(fā)達(dá)國家普遍禁止使用水銀柱式血壓計，而采用精度更高的電子壓力計（表）。一般 自我測量血壓時 推薦使用符合國際標(biāo)準(zhǔn) (ESH 和 AAMI)的上臂式全自動電子血壓計。不推薦使用半自動、手腕式和指套式電子血壓計。自測血壓時，也以 3 次讀數(shù)的平均值記錄，同時記錄測量日期、時間、地點和活動情況。一般而言，自測血壓值低于診所血壓值。目前尚無統(tǒng)一的自測血壓正常值，推薦 135/85mmHg 為 正常上限參考值。 然而在中國，電子血壓計并沒有走進千家萬戶，人們對電子血壓計的準(zhǔn)確性存在著懷疑。 俄國科學(xué)家柯羅特柯夫發(fā)現(xiàn)了在體表對應(yīng)處能聽到動脈內(nèi)血流沖擊血管壁產(chǎn)生的脈動音，為紀(jì)念他，把這種聲音稱為 “柯氏音 ”(或 “柯氏聲 ”)。在用可加壓袖帶鎖閉肱動脈血流，并緩慢釋放袖帶內(nèi)壓力， 當(dāng)此外壓力與血管內(nèi)的 “收縮壓 ”相同或略低時， 開始有動脈血流，用聽診器監(jiān)聽到此時的 “柯氏音 ”并同時觀測到此時的袖帶壓力值，就可測出基于單片機的電子血壓計設(shè)計 3 相對應(yīng)的 “收縮壓 ”與同樣方法測出的 “舒張壓 ”— —這就是已有近 100年歷史的 “聽診法 ”汞柱式血 壓計的測量原理。所以，平常所說的 “血壓 ”，都是指用 “聽診法 ”在上臂肱動脈處測得的 “無創(chuàng)血壓 ”值；而無特別指明時， “血壓計 ”都是指袖帶法 “汞柱式血壓計 ”。 這種水銀式血壓計 其優(yōu)點為數(shù)值穩(wěn)定，其缺點為無法一個人自行操作，必須專業(yè)醫(yī)護人員操作，且肉眼觀察誤差極大，主觀性強，體積較大不易攜帶 。 在血壓測量方面，無創(chuàng)數(shù)字血壓計多采用示波法測量技術(shù)。國內(nèi)對血壓測量技術(shù)也進行了一定的研究，但將其技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的很少。目前，國內(nèi)市場上的數(shù)字血壓計多來自國外進口。進口的數(shù)字血壓計具有準(zhǔn)確性、重復(fù)性較好的優(yōu)點，但其測量技術(shù)作為公 司機密不予公開。 本次設(shè)計利用示波法原理來設(shè)計一種血壓計對血壓測量，該血壓計能夠?qū)ζ骄鶋海湛s壓，舒張壓測量，分別對這三種血壓計進行顯示。論文主要包括研究包括：對示波法原理的學(xué)習(xí)與研究；設(shè)計濾波電路對從壓力傳感器輸出的袖帶壓力信號、脈搏波信號的獲??；設(shè)計 A/D 轉(zhuǎn)換電路對模擬信號數(shù)字化處理；設(shè)計液晶顯示電路對其三種血壓的顯示；以及自動充放氣電路和鍵盤電路。研究學(xué)習(xí)血壓算法，編寫血壓判定程序?qū)ζ骄鶋?、收縮壓、舒張壓的計算。 基于單片機的電子血壓計設(shè)計 4 1 血壓計設(shè)計原理 示波法測量血壓原理 引言 在硬件電路設(shè)計之前，必須知道本系統(tǒng)的軟件算法分析是基于什么理論的，也就是說必須知道系統(tǒng)所需要提取的是什么信號。因此，本章首先對本系統(tǒng)血壓所基于的示波法理論做一個說明。 示波法概述 現(xiàn)代人患心血管疾病呈現(xiàn)低齡化趨勢，血壓是最重要的健康指標(biāo)，如果能經(jīng)常測量自己的血壓，就做到對自己的健康情況心理有數(shù)，早期發(fā)現(xiàn)問題，就能得到較好的治療效果。一般醫(yī)院使用的水銀血壓計，是基于柯氏法，專業(yè)醫(yī)生可以用聽診器聽到動脈血管的不同聲音，來判斷收縮壓和舒張壓的值。但科氏法存在一些固有的缺點：一是確定舒張壓比較困 難；二是此法憑人的視覺和聽覺，帶有主觀因素，除非專業(yè)醫(yī)生，一般人很難測準(zhǔn)血壓。以前也出現(xiàn)了多種科氏法電子血壓計，試圖實現(xiàn)血壓的自動檢測，但很快發(fā)現(xiàn)這類血壓計未能克服柯氏法的固有缺點，誤差大，重復(fù)性差。目前，國外大多數(shù)無 損自動血壓自動檢測儀器都采用示波法。 示波法（ Oscillometric method），也稱為振動法或測振法。 示波法是 70 年代發(fā)展起來的新方法。此法也需要用袖帶阻斷動脈血 流， 但在放氣過程中，不是檢測 柯氏音，而是檢測袖帶內(nèi)氣體的振蕩波。這些振蕩波起源于血管壁的搏動，理論計算和實踐均證明此 振蕩波與動脈收縮壓、平均壓及舒張壓有一定函數(shù)關(guān)系。 示波法 的優(yōu)點是： 1） 排除了操作者主觀因素影響，亦不受環(huán)境噪音干擾； 2） 可以精確測量出動脈平均壓。示波法是血壓無創(chuàng)測量方法中唯一能測量平均壓的方法。 3）重復(fù)性 、 一致性比較好 ； 4）準(zhǔn)確性比較高。 其主要缺點是： 1）易受外界振動的影響，如人為的振動袖帶、 氣管的振動、人的身體運動等。 2）易受放氣速度和氣管的 剛性度基于單片機的電子血壓計設(shè)計 5 影響。 示波法目前已成為一種廣泛接受和有效的自動無創(chuàng)血壓檢測方法。本文對血壓的測量也采用了示波法技術(shù)。 示波法原理 示波法一開始是用于測量平 均壓的，隨著對其研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)從示波法出發(fā)，還可以推導(dǎo)出人體的收縮壓、舒張壓等基本生理參數(shù) 。示波法血壓測量中采用充氣袖帶來阻斷動脈血流，當(dāng)動脈血流被阻斷時，由于近端血液的脈動，在袖帶內(nèi)可以檢測出動脈血流產(chǎn)生的氣壓振動波。首先，將袖帶充氣到高于收縮壓 20mmHg 左右，然后使袖帶緩慢放氣。當(dāng)袖帶內(nèi)壓力等于收縮壓（ PS）時，振動波幅度增大，隨著袖帶內(nèi)壓力不斷降低，振動波幅度不斷增大，當(dāng)袖帶內(nèi)壓力等于平均壓 (PM)時，動脈管壁處于去負(fù)荷狀態(tài)，振動波幅度達(dá)到最大。當(dāng)袖帶內(nèi)壓力小于平均壓時振動波幅值逐漸減小，袖帶 內(nèi)壓力小于舒張壓 (PD)以后，動脈管壁在舒張期已充分?jǐn)U張，管壁剛性增加，而振動波維持在較小的水平。示波法是根據(jù)不同袖帶壓力下的脈搏波幅度變化特征 (如圖 示 ),來識別動脈收縮壓、平均壓、舒張壓等。在袖帶放氣過程中袖帶內(nèi)的變化曲線如圖 所示。 圖 示波法測量血壓原理示意圖 為了詳細(xì)研究降壓曲線，讓信號通過二個不同頻帶的模擬通道，分別得到圖 (b)和圖 (c)的曲線。其中，圖 (b)濾除了圖 (a)降壓曲線的直流成份，并放大了交流成份，得到了脈動波，便 基于單片機的電子血壓計設(shè)計 6 于研 究變化。圖 (c)濾除了圖 (a)交流成份，反映出了靜壓的變化規(guī)律。 圖 袖帶放氣過程中袖帶內(nèi)的變化曲線 根據(jù)示波法得到的袖帶壓力信號圖 (c)和動脈壓力波圖 (b)結(jié)合算法可以求出血壓。 設(shè)計的總體思路 本論文討論的是基于單片機的電子血壓計設(shè)計，是以單片機為核心的電子控制系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。根據(jù)示波法為前提來測量血壓，而示波法需要對袖帶進行充放氣來獲取壓力信號和脈搏波，所以必須用單片機來控制充氣與放氣。要使單片機與血壓產(chǎn)生聯(lián)系就必須要使用傳感器，自 然地就會用到壓力傳感器。通過壓力傳感器傳送得到的電信號還不能被單片機分析應(yīng)用，這就需要對電信號的處理與轉(zhuǎn)換。電信號通過放大電路和濾波電路處理后，在經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供單片機分析計算得出結(jié)果存儲，從而通過顯示電路顯示出來。 根據(jù)示波法測量的原理以及血壓計的智能化要求，血壓計總體框圖如圖 所示。 基于單片機的電子血壓計設(shè)計 7 圖 血壓計設(shè)計系統(tǒng)總體框圖 測量中將袖帶套在人體上臂，靠肘關(guān)節(jié)一側(cè)，由單片機控制氣泵向袖 帶充氣，同時通過壓力傳感器采集壓力信號并設(shè)定充氣的最大值，當(dāng)袖帶壓達(dá)到預(yù)定值時停止充氣，此時，肱動脈血管受壓迫停止脈動，然后通過單片機控制放氣閥進行緩慢放氣，使袖帶壓力逐步減小，當(dāng)袖帶壓下降到肱動脈收縮壓以下時，肱動脈開始搏動，并隨著袖帶壓的下降不斷加強。袖帶壓力和肱動脈上的脈動信號經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號，對此電壓信號進行放大與兩路濾波處理，可以得到幅值適當(dāng)?shù)囊宦沸鋷盒盘柡鸵宦访}搏波信號，將其經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入單片機進行分析處理，計算結(jié)果并進行顯示。 袖 帶 壓力傳感器 濾波電路 袖帶壓力信號 脈搏波信號 顯示器 鍵 盤 單片機 A/D 轉(zhuǎn)換電路 充氣泵 放氣閥 基于單片機的電子血壓計設(shè)計 8 2 濾波電路設(shè)計 傳感器 現(xiàn)代控制技術(shù)即是對大量信息的采集、分析處理，然后進行相應(yīng)的控制一門技術(shù)。目前，傳感技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、日常生活、生物工程、醫(yī)療領(lǐng)域等。隨著傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的傳感器，它們正在快速地向智能化，微型化及多功能化等方向發(fā)展。常用的傳感器有光電傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、超聲傳感器、霍爾傳感器。本論文討論對血壓的測量選用的壓力傳感器。 壓力傳感器簡介 通常所說的壓力傳感器也包括壓強傳感器，主要用于測量接觸力，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境。壓力傳感器的種類繁多，如 電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻是壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。有直接測量壓力的，例如電阻式應(yīng)變片傳感器，也有測量壓強，再通過受壓面積換算為壓力的，例如擴散硅壓強傳感器。 壓阻式壓力傳感器是應(yīng)用最為廣泛的壓力傳感器，它具有精度高、測量范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、價格低以其較好的線性和頻率響應(yīng)等特點。壓阻式壓力傳感器主要由電阻應(yīng)變片組成，多為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。將應(yīng)變片通過特殊的粘合劑機密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力 變化時，電阻應(yīng)變片也隨之發(fā)生形變，使其阻值發(fā)生變化，從而使加在應(yīng)變片上的電壓發(fā)生變化。應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，所以一般都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路。 壓電壓力傳感器是利用石英、鈦酸鋇和酒石酸鉀鈉等壓電材料的正壓電效應(yīng)制成。壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才的保存。但實際情況并非如此，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力。它在各個領(lǐng)域被廣泛使用，如測量發(fā)動機內(nèi)部燃燒壓力與真空度，測量槍炮子彈在膛基于單片機的電子血壓計設(shè)計 9 中擊發(fā) 瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力，還有醫(yī)學(xué)上的心室導(dǎo)管室微音器也是由壓電壓力傳感器制成的。 壓力傳感器的選用 系統(tǒng)中需要用壓力傳感器模塊將袖帶內(nèi)壓力信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。示波法測量血壓對壓力傳感器的要求主要是線性度和方差。線性度高使得壓力 電信號轉(zhuǎn)換公式簡單，節(jié)約軟硬件設(shè)計。方差小則濾波后脈動壓力信號噪聲小。 常見的有根據(jù)金屬應(yīng)變片電容原理制成的壓力傳感器，它主要以手工生產(chǎn)為主，體積大，對生產(chǎn)經(jīng)驗要求高，所以，一致性，互換性較差。而根據(jù)硅晶片惠斯通原理制作的 壓 阻式壓力傳感器，具有更小的體積小 、重量輕、耗能低、響應(yīng)時間短等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械，消費類電子中 。本次設(shè)計采用 MOTOROLA 公司生產(chǎn)的 MP