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![基于光电容积脉搏波的无创连续血压测量方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/02928e3050e2524de4187e73.png)
专利名称：基于光电容积脉搏波的无创连续血压测量方法专利类型：发明专利
发明人：李晓风,李皙茹,谭海波,许金林,吕波,元沐南,程龙乐,潘婉苏
申请号：CN201710546746.6
申请日：20170706
公开号：CN107157461A
公开日：
20170915
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及血压测量技术领域，具体地说，涉及一种基于光电容积脉搏波的无创连续血压测量方法。
其包括以下步骤：步骤一、采集测量对象的容积脉搏波，获取数字容积脉搏波；步骤二、提取数字容积脉搏波的最大幅值Hp、最小幅值Ht和心脏搏动周期T，进而获取数字容积脉搏波在一个心脏搏动周期T中的脉搏波波形面积Aarea和脉搏波平均幅值Have；步骤三、获取二阶微分容积脉搏波，提取二阶微分容积脉搏波在一个心脏搏动周期T中的第一上升支点P1和第二上升支点P2，进而获取脉搏波传导时间PWTT，脉搏波传导时间PWTT为第一上升支点P1和第二上升支点P2间的时间差；步骤四、获取脉压差DP；步骤五、获取收缩压SBP；步骤六、获取舒张压。
本发明测量精度高且测量简便。
申请人：中国科学院合肥物质科学研究院
地址：230001 安徽省合肥市蜀山湖路350号科学岛
国籍：CN
代理机构：北京科亿知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：汤东凤
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本文通过文献复习［1-7］，综合分析不同血压脉搏波特征变化，提出针对不同脉搏特征下的传导时间提取算法，通过逐步回归分析建立血压模型，并据此模型实时测量人体收缩压与舒张压,实现血压的便捷、无创连续测量并可彻底摆脱袖套束缚。
1基本原理血流动力学研究表明，动脉中血液从心脏向外周传播时，由于人体末端很多小动脉、微动脉和毛细血管起着阻力血管的作用，所以血管中血液是存在向心的反射作用的，这些往返脉搏波的线性组合构成动脉中脉搏波的特征形状［8］。
对于动脉硬化的情况而言,其血管弹性降低,血管中血液流速加快,使人体末端的反射血液提前返回心室,这些反射波与推进波的叠加效应,使人体脉压抬升；而动脉状况较好的情况下,血管弹性较好,血液流速较慢,反射波的到来将延迟,收缩期压力将减少。
因此,反射波与推进波汇合的时间,是可以反映脉搏波传导时间的,并可作为反映血压状况的参数。
Hiroshi等［9］在对由容积脉搏波进行二次微分后的加速脉搏波进行研究时发现,加速脉搏波各特征点能很好地反映血液微循环过程。
从加速脉搏波中, 可以清晰看到波形呈现很有规律的上升和下降（图1）。
这些上升支和下降支可以很好地解释心脏搏动引起的血液迸出、血液反射等血液微循环过程,且微循环过程有如下解释。
O-A段：由心脏逬出的血液在20~30mmHg的血压作用下,推进至人体末端的某个小动脉（如手指端）,并流进毛细血管,但是毛细血管极其细微而密集的特性,使推进至此的血液无法快速通过静脉流回心脏,因此,毛细血管中血液容量便急剧增加。
图1 光电容积脉搏波（a）和对应加速脉搏波（b）的图解说明Fig.1 Illustration of PPG pulse wave（a）and accelerated pulse wave（b）A-B段：上述增加的血液在经过一定时间不断向前推进后,会出现一个快速下降过程。
B-C段：随着血液到达末端终点,会遇到静脉的阻碍,因此,来自静脉的反射血液便停留在毛细血管中,再次产生的结果就是毛细血管中血液容量再次有所增加。
![一种基于光电容积脉搏波特征的无创血压测量装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/03c3e292294ac850ad02de80d4d8d15abe230069.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710300226.7(22)申请日 2017.04.28(71)申请人 哈尔滨工业大学深圳研究生院地址 518000 广东省深圳市南山区西丽镇深圳大学城哈工大校区(72)发明人 马婷 陈杨 齐良坤 程硕 刘颖轲 (74)专利代理机构 深圳市科吉华烽知识产权事务所(普通合伙) 44248代理人 于标(51)Int.Cl.A61B 5/021(2006.01)A61B 5/0402(2006.01)A61B 5/00(2006.01)(54)发明名称一种基于光电容积脉搏波特征的无创血压测量装置(57)摘要本发明提供了一种基于光电容积脉搏波特征的无创血压测量装置，包括处理器、脉搏波模块、信号处理模块、血压测量校准模块。
本发明的有益效果是：本发明通过对光电容积脉搏波信号的处理，提取脉搏波的特征，提出了新的可以替代脉搏波传输时间的参数：平均斜率传输时间MSTT，由于平均斜率传输时间不受心脏射血前期（PEP）的影响，从而消除了PEP对于无创血压连续测量装置的影响，实现了通过单一的生理信号光电容积脉搏波来估算血压，并且采用被动式的测量方式，减少了外部因素对于测量装置的影响，本发明可以实现实时的无创血压连续测量，易于操作，可用于穿戴式，方便用户日常使用。
权利要求书2页 说明书8页 附图5页CN 107233087 A 2017.10.10C N 107233087A1.一种基于光电容积脉搏波特征的无创血压测量装置，其特征在于：包括处理器、脉搏波模块、信号处理模块、血压测量校准模块，所述脉搏波模块，用于采集人体的脉搏波信号，得到PPG信号；所述信号处理模块，用于接收脉搏博模块传输的PPG信号，对PPG信号进行预处理；所述血压测量校准模块，用于提供血压的校准参数，并将校准参数传输至所述处理器；所述处理器，用于接收血压测量校准模块传输的校准参数、以及所述信号处理模块传输的经预处理的PPG信号，从预处理后的PPG信号中提取平均斜率传输时间MSTT、特征S和特征PA，然后根据平均斜率传输时间MSTT、特征S和特征PA与血压之间的关系，结合血压测量校准模块提供的校准参数进行线性拟合建立算法模型，获取模型系数，再进行血压的估算，从而得到实时血压数据。
基于光电容积脉搏波的无创血压连续测量研究进展
叶青;章祎枫;沙金亮;方桦;余瑛
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2024(24)5
【摘要】在临床诊断过程中,血压能够反映患者血液流动、身体体征变化等生理信息,是诊断组织器官健康状态的重要参考数据。
由于传统血压测量方法存在有创、间断等局限性,利用光电容积脉搏波描记法(photo plethysmo graphy, PPG)实现血压的无创连续检测成为当前血压测量的热门研究领域。
为此,首先简要介绍了PPG的理论背景与技术原理;其次阐述了利用PPG进行血压预测的具体流程,包括公开数据集、评估标准、预处理方法、特征提取与模型建立,并就不同方法的优缺点进行了对比分析;最后,总结了基于PPG实现无创血压连续测量的挑战与未来研究方向,为今后的研究提供参考。
【总页数】19页(P1756-1774)
【作者】叶青;章祎枫;沙金亮;方桦;余瑛
【作者单位】江西中医药大学计算机学院;江西中医药大学中医人工智能重点研究室;南昌大学教育技术与教学资源中心
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
【相关文献】
1.基于光电容积脉搏波的无创血糖测量研究
2.基于光电容积脉搏波描记法的无创连续血压测量
3.基于脉搏波相位差的无创连续血压测量方法
4.基于多波长光电容积脉搏波采集系统的连续血压测量方法
5.基于光电容积脉搏波的无袖带血压测量技术研究进展
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中文图书分类号：R318.6密级：公开UDC：38学校代码：10005硕士学位论文MASTERAL DISSERTATION论文题目：基于光电容积脉搏波的无创血压检测技术的研究论文作者：吕伟学科：生物医学工程指导教师：张松论文提交日期: 2009.04国内图书分类号：R318.6单位代码：10005学号：S200615033密级：公开北京工业大学硕士学位论文题目基于光电容积脉搏波的无创血压检测技术的研究英文并列The Study of non-invasive blood pressure题目measurement based on PhotoPlethysmograph Pulse wave研究生姓名：吕伟专业：生物医学工程研究方向：生物医学电子学与仪器导师姓名：张松职称：副教授论文报告提交日期：2009-04学位授予日期授予单位名称和地址：北京工业大学（北京市朝阳区平乐园100号）独 创 性 声 明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
签名： 日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名： 导师签名： 日期：摘要摘要动脉血压是人体重要的生理指标之一，能够反映出人体心脏和血管的功能状况，是临床上诊断疾病、观察治疗效果的重要依据。
在当前的血压检测技术中，普遍存在可操作性差的问题，而且人体血压随着生理周期、个人情绪、外界和内在的各种刺激而产生变化，具有明显的波动性。
基于光电容积脉搏波的无创血压检测技术研究目录目录1绪论 (1)1.1研究背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.3本文主要研究内容及章节安排 (5)2光电容积脉搏波血压检测理论分析 (7)2.1脉搏波概述 (7)2.1.1脉搏波的产生 (7)2.1.2脉搏波的分类 (7)2.1.3光电容积脉搏波的检测原理 (8)2.2光电容积脉搏波的特征 (9)2.2.1光电容积脉搏波的组成成分和特点 (9)2.2.2光电容积脉搏波的波形特征 (10)2.2.3光电容积脉搏波的特征点 (11)2.3光电容积脉搏波和动脉血压的关系 (11)2.3.1动脉血压的形成 (11)2.3.2脉搏波特征血压检测的研究状况 (11)2.3.3基于脉搏波特征参数的血压检测路线 (12)2.4本章小结 (12)3光电容积脉搏波采集系统设计 (13)3.1采集系统方案设计 (13)3.2脉搏波信号硬件调理电路设计 (14)3.3脉搏波采集软件设计 (20)3.3.1软件设计流程 (20)3.3.2数据的采集和发送 (20)3.4本章小结 (21)4光电容积脉搏波特征检测研究 (23)4.1脉搏波信号去噪 (23)4.2脉搏波特征点检测 (25)4.2.1小波变换的基本理论 (25)4.2.2基线漂移的去除 (29)4.2.3特征点检测的研究 (31)4.2.4结果分析 (39)4.3脉搏波特征参数提取与血压的采集 (39) 4.3.1特征参数的提取 (39)V西安理工大学硕士学位论文VI 4.3.2动脉血压的采集 (41)4.4本章小结 (42)5血压建模及实验验证 (43)5.1特征参数与血压相关关系分析 (43) 5.1.1逐步回归分析原理 (43)5.1.2逐步回归分析步骤 (43)5.1.3逐步回归分析结果 (45)5.2血压预测模型 (47)5.2.1血压预测模型建立 (47)5.2.2预测模型的结果 (47)5.3结果分析 (49)5.4拓展验证 (50)5.5本章小结 (50)6总结与展望 (51)6.1总结 (51)6.2展望 (51)致谢 (53)参考文献 (55)绪论1绪论1.1研究背景及意义随着人们生活水平的不断提高，不健康、不合理、不规律的饮食，加之现代生活节奏快，工作强度和压力大，以高血压为代表的心脑血管疾病呈现高发态势。
脉搏波分析研究进展李霞陆琤刘星星【摘要】脉搏波作为人体重要的生理信号，包含机体的多种生理病理信息，在心血管功能检测、临床监护、中医客观化研究等方面具有重要实用价值，也一直是心血管领域内研究热点之一。
目前的脉搏波分析方法主要包括时域和频域的参数提取及数学建模等方法。
随着信号处理技术的发展和人体生理机制的深入研究，脉搏波包含的更多有价值信息将被挖掘，在相关疾病的预防、诊断及治疗等方面发挥更大作用。
【期刊名称】北京生物医学工程【年(卷),期】2015(000)005【总页数】4【关键词】脉搏波；应用；分析方法0 引言脉搏波不仅受心脏本身的影响，同时还受流经各级动脉及分支中各种生理病理因素如血管阻力、血管壁弹性和血液黏性等的影响，因而从下游外周动脉反射回来的反射波强度和波形随不同的生理病理因素变化将会有很大的差异。
反射波与原来从心脏出发的脉搏波相叠加后形成脉搏波，其中蕴藏着丰富的心血管系统生理病理信息[1]。
心血管生理特性的改变会引起脉搏波信号的强度、形态、节律以及速率等各参数发生变化，因此可以通过对脉搏波进行分析，提取其中包含的生理病理信息，为心血管疾病相关的早期检测或者后期治疗指导提供一种有效的技术手段。
1 脉搏波分析应用领域1.1 评价血管弹性脉搏波速度是目前临床较为认可的评价大动脉弹性的指标。
心脏收缩将血液射入主动脉，主动脉壁扩张形成脉搏波，脉搏波则以一定速度沿着血管壁传播。
由于动脉血管内血液是不可压缩的液体，脉搏波主要通过血管壁传播，因此血管功能是影响脉搏波速的主要因素[2]。
Teemu等[3]研究了脉搏波速度与颈动脉中膜厚度(IMT)、局部动脉僵硬度(C-dist)、肱股动脉血流介导舒张(FMD)等参数的关系，发现脉搏波速度在年轻人血管损伤评价中较其他方法更有优势。
李迎等[4]将健康者和高血压患者的颈-股动脉脉搏波速进行对比，发现高血压病患者颈-股动脉脉搏波速显著高于健康者，证实了颈-股动脉脉搏波速可反映动脉早期功能改变。
基于脉搏波的新型血流参数检测仪的研制吴水才;刁越;刘有军;张松【期刊名称】《北京工业大学学报》【年(卷),期】2005(031)002【摘要】为了解决现有的脉搏血流参数检测仪需要事先测量血压值、操作不方便的缺陷,开发了一种基于PC机的新型脉搏血流参数检测仪,可更方便地实现心血管参数的无损检测. 本系统集成了一个由RS232串口控制的无创血压测量模块,可实现血压的自动测量. 脉搏波信号通过桡动脉脉搏压力传感器获得,经过信号放大、滤波和A/D转换进入计算机. 系统软件通过病人身高、体重、血压值等参数根据双弹性腔模型计算出波形系数、心率等血流参数. 对比实验和可重复性实验证明本系统具有良好的准确性和较高的可重复性,可以被开发为临床应用的产品,更适合家庭使用.【总页数】5页(P189-193)【作者】吴水才;刁越;刘有军;张松【作者单位】北京工业大学,生命科学与生物工程学院,北京,100022;北京工业大学,生命科学与生物工程学院,北京,100022;北京工业大学,生命科学与生物工程学院,北京,100022;北京工业大学,生命科学与生物工程学院,北京,100022【正文语种】中文【中图分类】R318.6【相关文献】1.应用光电容积脉搏波法研制新型血流参数监护系统 [J], 杨益民;李旭雯;罗志昌;张松2.基于容积血流脉搏波的心血管血流参数监护模块的研制 [J], 王燕;张松;杨益民;罗志昌3.基于MSP430单片机的便携式心血管血流参数检测仪的研制 [J], 杜旭;吴水才;侯立亚;任新颖;张松4.基于脉搏波的新型血压与血管硬度测量仪的研制 [J], 全晓莉;黄丽雯;佘丽;周南权5.基于C8051F005新型接地电阻检测仪的研制 [J], 曹青松;黎林因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于容积脉搏波的血压参数测量与标定的方法研究文章编号：1671-7104(2010)01-0004-05【作者】【摘要】【关键词】【中图分类号】【文献标识码】【Writers 】【 Abstract 】【Key words 】丁有得，邓亲恺*，梁妃学，郭劲松南方医科大学基础医学院生物信息学研究室，广东，广州， 510515提出通过人体指端一点位置测量脉搏波传播时间，进而标定收缩压、舒张压。
具体方法是通过交替点亮红光和红外光获取容积脉搏波，经放大滤波及信号处理后得到加速脉搏波，通过测量其中推进波和反射波之间的脉搏波传播时间来建立与血压的关系。
根据数据回归分析建立收缩压测量方程式，根据容积脉搏波中交直流成分之间存在的线性关系及数据回归分析，建立相应的舒张压测量方程式。
通过临床33例人体实验，其中18人作为训练组，15人作为对照组，并与基于传统充气袖带测量的OMRON电子血压仪测量结果作对照验证，结果表明有较好的一致性。
此方法简单易行，可望作为一种无创、连续血压参数测量的标定方法。
容积脉搏波；传播时间；收缩压；舒张压；标定R443.8ADing Youde, Deng Qinkai, Liang Feixue, Guo JinsengInstitute of Bioinformatics, School of Basic Medical Sciences, Southern Medical University, Guangzhou, 510515 Physiology parameters measurement based on volume pulse wave is suitable for the monitoring blood pressure continuously. This paper described that the systolic blood pressure（SBP） and diastolic blood pressure （DBP）can be calibrated by measuring the pulse propagation time, just on one point of fi nger tip. The volume pulse wave was acquired by lighting the red and infrared LED alternately, and after signal processing, an accelerated pulse wave was obtained. Then by measuring the pulse wave propagation time between the progressive wave and refl ected wave, we can fi nd the relationship of the time and the blood pressure, and establish the related systolic blood pressure measurement equation. At the same time, based on the relationship between alternating current and direct current components in the volume pulse waveforms and through regression analysising, the relevant diastolic blood pressure measurement equation can be established. 33 clinical experimentation cases have been worked by dividing them into two groups: training group (18 cases) and control group (15 cases), by comparing with the measuring results of the OMRON electronic sphygmomanometer. The results indicated that the two methods had good coherence. The measurement described is simple and reliable, and may be served as a new method for noninvasively and continuously measurement of blood pressure.volume pulse wave, systolic blood pressure, diastolic blood pressure, Pulse Propagation time, blood pressure, calibrate心血管血流参数的实时监护对心血管疾病诊断、治疗、手术麻醉期的临床监护、危重病人的抢救等有重要的作用。
脉搏波能反映许多重要的心血管血流动力学信息，通过光电容积脉搏波无创测量心血管血流参数，由于其稳定性、适应性、重复性比较理想，特别适合于临床长时间的监护。
随着科学技术的不断进步和国内外学者对容积脉搏血流信号的机理与信息特征的深入研究[1]，基于容积脉搏波的监护模块研究不再仅仅停留在血氧和脉率这两个指标上，获取血压参数信息也成为近年来研究的重点与热点[2~4]。
此问题难点在于如何对容积脉搏血流进行标定，特别是如何建立起与血压的关系。
目前的研究主要包括两种方法：一种是根据容积脉搏波和压力脉搏波之间的转换关系得到血压参量[1][5]；另一种是利用脉搏波传导时间测量出血压[6-7]。
前者一般无法摆脱充气袖带的束缚和压力不断变化对人体的影响，长时间测量会给测试者带来不适感；后一种方法是近年来出现的一种新思路，无需充气袖带, 只要检测脉搏波传导时间, 即可间接推算出每搏血压值。
已有的研究一般是测量不同位置两点心电信号与脉搏波信号，脉搏波信号与脉搏波信号，要求操作人员有一定的医学知识，对检测部位要求十分严格，操作不便。
为了克服上述两种测量方法的不足，本文提出只用指端一点检测脉搏波传导时间的方法，减少了测量过程中传感器对受试部位的影响因素，舒适性和方便性都获A Calibrated Method for Blood PressureMeasurement Based on Volume Pulse Wave收稿日期：2009-11-11通讯作者：邓亲恺，教授， E-mail: dqk001@fi 得较大提高。
1 原理与方法1922年，Bazzett发现脉搏波传导速度（pulse wave transit velocity, PWTV）或传导时间（pulse wave transit time, PWTT）与动脉血压值有关，也同血管容积和血管壁弹性量有关[8]。
1957年， Lansdown[9]提出在一定范围内，脉搏波传导时间PWTT和动脉血压BP之间呈线性相关，且这一关系对于某一个体来说，在一段时期内是相对稳定的。
由脉搏波传导时间和血压之间关系可推导出如下关系[7]：BP = a + b × PWTT（1）其中a、b为待定系数，反映了不同血管生理状况下血压的变化。
1984年Hiroshi Osanai[10]等人通过对容积脉搏波进行二次、三次微分后得到的加速脉搏波波形进行研究，表明加速脉搏波能够有效地反映和预测血液循环系统功能。
他们对二次微分后的加速脉搏波（图1所示）的生理研究为：当心脏收缩时，动脉血由于压力向前推进到小动脉和毛细血管，由于其瞬时流量超过了通过毛细血管流向静脉的血液容量，于是就会造成毛细血管的快速扩张，表现为波形的快速上升（o—a段）；接着由于毛细血管中的血液进入静脉，会出现波形的快速下降（a-b）；同时，由于静脉血流量突然的增大，血管受力的同时也会有一定的反作用力将一部分静脉血重新推入毛心血管中，使得其容积变大，波形上升（b-c）；基于上述原因，同样的过程还会持续几个周期，随着血管弹性压力逐渐减小，波形最后趋于平缓。
该文在论述中，将血流朝向静脉方向流动，加速脉搏波呈上升的波形称为推进波；下降现象的波形称为反射波。
于是只要测量同一部位单个脉搏波中推进波与反射波之间的传播时间[11]（一般选择a-c之间的时间间隔），并以此建立起与血压的关系，就可以完成血压的测量。
本文采用光电传感器通过人体指端一点测量获得容积脉搏波，并从中提取数据进行分析，以训练组临床实验数据对照OMRON HE-757电子血压仪测量数据，分别建立收缩压、舒张压测量方程式，最后通过对照组实验结果以验证所建立两个方程式的可靠性。
由于血流参数标定的关键参数有收缩压、舒张压和脉搏波波形特征量K值，而临床上K值一般用固定值，如果通过这种方法测得的血压值有较好的可靠性，那么此方法就可作为一种新的简易的血流参数标定方法。
2 样机研制 研制的样机主要要实现指端光电容积脉搏波的采集与处理，加速脉搏波的获取与处理，波形特征点识别检出，参数计算和参数传输等功能。
实验样机原理框图如图2所示，包括光电传感器、探头驱动电路、运算放大电路、滤波电路、自动增益调节电路、微控制器、PC机接收显示模块、电源管理模块和串口通讯电路。
2.1 光电传感器及其驱动电路 光电传感器采用NELLCOR指套透射式血氧探头，该探头能避免外界环境光的干扰，而且穿戴方便舒适，适合长时间监护。
驱动电路用于交替点亮红光和红外光的LED。
由于二者穿透组织的能力不同，从透射光接收端采集的信号强弱也不一样，而系统又是单通道设计，所以可充分利用了微处理器中的PWM模块实现D/A功能，通过调整红光和红外光的发光亮度，使分别照射时需要不同放大倍数的问题得以解决。
2.2 MSP430微处理器 微处理器选用美国TI公司的16位超低功耗单片机MSP430FG439，它采用16位精简指令集，指令周期为125 ns，采用低功耗设计，1.8~3.6 V的供电电压，在2.2V 电压，1 MHz晶振系统中工作电流为225 uA。
在硬件架构上，提供了五种低功耗模式，可最大限度的延长手持设备的电池寿命。
它采用的数字可控振荡器（DCO）可图1 容积脉搏波和加速脉搏波Fig.1 Plethysmograph and accelerated pulse wave 图2 实验样机原理框图Fig.2 Experimental prototype principle diagram使低功耗模式到活动模式的时间小于6μs，同时，该芯片还内置三个可配置运算放大器，高性能12位双D/A转换器，2个带有三个捕获/比较寄存器的16位定时器，60KB 的Flash Rom，2 KB的RAM，一个通用异步/同步串行接口，48个I/O口和液晶显示驱动。
