基于示波法的电子血压计系统设计

电子血压计复旦大学电脑系张友德上海医用仪表厂徐光裕摘要：本文介绍了基于Motorola MC68HC908LJ12和示波法的电子血压计的设计方法，具体分析了硬件软件结构，调试结果说明：用该方法实现的电子血压计具有测量精度高、抗干扰能力强、使用简便，成本低等特点，适合作为保健类仪器大批量生产。

关键词：电子血压计；示波法；脉搏波背景：现代人注重健康，由于生活水平的提高，加上工作的压力，患心血管疾病呈现低龄化趋势，血压是最重要的健康指标，如果能经常测量自己的血压，就做到对自己的健康情况心理有数，早期发现问题，就能得到较好的治疗效果。

一般医院使用的水银血压计，是基于柯氏法，专业医生可以用听珍器听到动脉血管的不同声音，来判断收缩压和舒张压的值。

但科氏法存在一些固有的缺点：一是确定舒张压比较困难；二是此法凭人的视觉和听觉，带有主观因素，除非专业医生，一般人很难测准血压。

七十年代出现了多种科氏法电子血压计，试图实现血压的自动检测，但很快发现这类血压计未能克服柯氏法的固有缺点，误差大，重复性差。

目前，国外大多数无损自动血压自动检测仪器都采用示波法。

示波法的测量过程中，与柯氏法类似，仍采用充气袖套来阻断上臂动脉血流。

由于心搏的血液动力学作用，在气袖压力上将重叠与心搏同步的压力波动，即脉搏波。

当气袖压力远高于收缩压时，脉搏波消失。

随着袖套压力下降，脉搏开始出现。

当袖套压力从高于收缩压降到收缩压以下时，脉搏波会突然增大。

到平均压时到达最大值。

然后又随袖套压力下降而衰减。

示波法血压测量就是根据脉搏波振幅与气袖压力之间的关系来估计血压的。

与脉搏波最大值对应的是平均压，收缩压和舒张压分别对应脉搏波最大振幅的比例来确定。

我们设计的电子血压计〔注册商标为“天平”〕也采用示波法，采用MOTOLORA微控制器MC68HC908LJ12及压力传感器，操作简单，显示清晰无需听诊器，血压心率测量一次完成，超大屏液晶显示，方便老人美观便携，低耗电设计双弧流线型机体，体积小重量轻，方便携带。

基于示波法的电子血压计系统设计刘坚强1,王永才2(1.东北大学信息科学与工程学院,沈阳110819;　2.青岛理工大学琴岛学院)摘要:电子血压计克服了水银血压计操作专业性强、不易携带等缺点,呈现出家用化的趋势。

针对传统单片机设计方案电路设计复杂、测量精度不高、稳定性不好等缺点,给出了一种采用L M3S1138芯片作为主控制器、自带信号运放和信号调理功能的压力传感器MPXV5050GP作为信号采集器,基于示波法测量血压的血压计设计方案。

实验表明,该血压计测量速度快,稳定性高,测试结果基本与水银血压计一致,具有较高实用价值。

关键词:示波法;血压计;收缩压;舒张压;L M3S1138中图分类号:TP311 文献标识码:BBlood Pre ssure Meter Ba sed on OscillometerLiu Jianqiang1,W ang Yongcai2(1.College of Information Science and Engineerng,Nort heastern University,Shenyang110819,China;2.Qingdao Technological University Qindao College)Abstract:The electronic sp hygmomanometer overcame t he shortcomings of mercury sphygmomanometer such as specialized operation, not easy to carry and so on,presenting a home use tendency.In view of t he disadvantages of traditional MCU designs t hat t he circuit is complex,t he accuracy and stability performance is poor,t his paper put forward a design met hod based on oscillometer met hod,using L M3S1138as t he main controller,pressure2sensor MPXV5050GP wit h signal processing ability as signal collecting equipment.Experi2 mental result s indicate t hat t he t he measuring speed of t he sphygmomanometer is fast,t he device is stable,and t hat t he result is similar to t hat of t he Riva2Rocci sphygmomanometer,showing value in practical use.K ey words:oscillometer met hod;sphygmomanometer;systolic blood2pressure;diastolic blood2pressure;L M3S1138引　言医疗检测设备家庭化逐渐成为趋势,其中家用血压计就是典型的家庭医疗检测设备[1]。

0 引言我国疾病预防控制中心与卫生部联合发布的《中国慢性病报告》中指出：血脂异常、糖尿病、高血压等慢性疾病已经对人类的健康及生命安全造成了严重影响。

现阶段，人们对于健康管理和血压检测的重视程度不断上升，血压的测量方式和准确性逐渐成为了人们的关注重点。

电子血压计与传统水银汞柱式血压计相比，具有操作简单、便携性高、可单独操作等优势，在家庭血压监测中得到了广泛应用。

1 系统测量的基本原理设备以示波法为基本原理，人体血压指的是动脉血管中脉动的血流对血管壁产生的侧向垂直于血管壁的压力。

主动脉血管中垂直于管壁的压力的峰值为收缩压，谷值为舒张压。

示波法测量血压的过程与柯氏音法是一致的。

首先通过气泵对袖带进行充气加压，以此阻塞上臂肱动脉血液流通，在脉搏波消失后，对袖带进行缓慢放气减压，脉搏开始出现。

当袖带的压力从大于人体的收缩压减小到收缩压的大小时，脉搏波突然变大，在达到人体的平均压时，脉搏波幅值达到最大值，然后又随着袖带中压力的减小而衰减。

示波法就是通过袖带压力和脉搏波之间的对应关系来测定血压值，脉搏波最大值即平均压，而舒张压和收缩压则需要通过它们之间的比例系数来计算[1]。

2 系统框架设计本文设计的电子血压计以蓝牙4.0为数据传输媒介，由Android 端APP 和下机位数据采集部分（血压采集盒、袖带）。

利用分支器连接压力传感器、电磁阀、气泵和袖带，以橡胶管连接的方式，保证装置和系统的气密性。

电磁阀和气泵与各自的驱动电路相连接，驱动电路分别和控制芯片的O/I 口相连，控制芯片通过驱动电路操纵电磁阀开关和气泵的充放气。

袖带压力数据和计算脉搏波数据则由压力传感器采集，采用信号调理对其进行分离，经过控制芯片内部计算后，在得出血压值的同时，将其传输至Android 端APP 进行显示、分析和存储（详见图1）normal metabolism. In recent years, with the changes in people ’s lifestyles and eating habits, the incidence of cardiovascular disease in China has continued to rise. Blood pressure testing and porta-ble smart medical devices have gradually become the focus of attention. Mostly in the form of indepen-dent individuals, they do not have data transmission functions and cannot truly meet the “personalized” medical needs. Therefore, this article will take the intelligent medical center as the basis and the software as the means of implementation. This article will discuss the design and implementation of the oscillometric electronic sphygmomanometer based on Bluetooth 4.0. The position data acquisition part is composed of data transmission through Bluetooth 4.0. Compared with traditional electronic sphygmomanometers, it has the advantages of portability, convenient measurement, and strong stability. It is of great significance in the prevention and control of chronic diseases and blood pressure de-tection at home.Keywords:electronic sphygmomanometer; Bluetooth 4.0; oscillometric method; Android APP性递减直流信号和脉搏波振荡的周期信号进行放大、滤波，同时将调理后的信号传入单片机。

32 | 电子制作 2020年02-03月品，但是在中国，并未形成上述环境，而随着人们自我保健意识的增强，医疗检测设备逐渐地走向人们的家庭，人们对于电子血压计的需求数量逐渐地增加[1]。

同时，人们对于电子血压计的便捷性、成本费用等方面提出一定的要求，需立足于人们的要求不断地创新。

示波法电子血压计却凭借着低成本、自动化程度高以及小型化的优势，逐渐地占领市场[2]。

家庭电子血压计的发展，使得人们在家庭中就可以实现对血压水平的监测。

随着医疗技术不断发展，电子血压计研发技术在升级，本文设计一种基于数字信号处理和STM32微控制器的示波法电子血压计。

1 系统框架设计本文所设计的电子血压计，其主要包含AD623仪表放大器、Usart GPU26A 串口触摸液晶屏、JBF1520电磁气阀、JQB1523气泵、袖带和电源等部分，还包含Cortex-M3内核的STM32F103VET6微控制器、L9110s 驱动电路、全磊US911-006-N 压力传感器等部分。

该示波法电子血压计将数字信号处理方法作为工作原理。

仪表放大器将经过的压力信号进行放大，而微控制器加以接收，利用系统中的信号预处理和血压分析程序，对数字信号进行处理与计算，并在液晶屏上显示最终的血压测量值[3]。

电子血压计的系统框架图如图1所示。

图1 电子血压计的系统框架图电路、气泵和电磁阀控制电路等硬件。

■2.1 仪表放大电路本文所选择的全磊US911-006-N 压力传感器，是一款针对电子血压计所研发的产品，其为一种电阻应变气体压力传感器，量程为0-300mmHg。

在传感器内部采用了精密电阻桥结构，传感器的典型阻值设置为3.3kΩ。

3(1/)in in G R R =+。

其中，in R 是AD623放大电路中所设置的内置电阻，阻值为100kΩ。

若是R 3=1kΩ时，电路的前端放大增益为101倍。

图2 AD623放大电路■2.2 气泵和电磁阀控制电路在电子血压计的设计中，气泵和电磁阀的控制电路均采用相同的控制电路，即L9110s 控制电路，见图3。

收稿日期:2022-11-26作者简介:胡丹(1987 ),男,浙江衢州人,工程师,本科(生物工程专业),主要研究方向:压力表㊁血压计㊁无创电子血压计的检定等㊂基于示波法的电子血压计示值误差检定方法胡 丹(常山县检验检测研究院,浙江衢州 324200) 摘 要:常规的电子血压计示值误差检定方法多数采用听诊法原理,此种方法受到干扰因素的影响,检定结果存在一定的主观误差,无法较好地提升电子血压计的测量精度㊂针对这一问题,文章引入示波法,提出了一种全新的误差检定方法㊂通过对照实验可知,利用此方法对电子血压计示值误差作出检定后,电子血压计测量结果的均值与血压实际值更加接近,标准差较小,测量精度显著提升,应用优势显著㊂关键词:示波法;误差;电子血压计;示值;检定中图分类号:O 241.1ʒT H 776 文献标识码:A 文章编号:1007 6921(2023)15 0101 03 在当前现代化电子技术快速发展的背景下,传统的水银血压计逐渐被电子血压计取代,且受到了群众的喜爱㊂电子血压计作为基础医疗设备之一,能够对不同类型㊁不同年龄段人群的血压作出测量,对家庭健康管理具有重要意义[1]㊂对血压计的技术发展阶段进行分析可知,血压计最初采用的是机械式定速排气阀技术,技术性较差,后经过不断研究,利用电子伺服阀技术作出改进,发现其应用中仍然存在不足,后替换为加压同步测量技术,直至更新为现阶段适用性较强的集成气路技术,血压计的测量精度得到了显著改善[2]㊂在现代化电子技术的发展下,电子血压计的类型呈现多样化发展,然而,无论哪种类型的血压计,在实际测量血压中,均采用相同的原理[3]㊂相对来说,听诊法在应用中优势较低,对周边环境㊁噪声干扰要求较高,其读数容易受到医生与被测者的影响,存在一定的主观误差,无法获取标准化㊁精确化的血压测量值[4]㊂示波法能够改善以上问题,通过建立压力震荡波与血压的动态变化关系,获取血压测量值,精度较高㊂电子血压计在应用一段时间后,需要对其示值误差进行检定,判定血压计示值与实际血压值之间是否存在较大偏差,保证血压计符合测量精度要求㊂基于此,笔者提出了基于示波法的电子血压计示值误差检定方法,分别从示值静态检定与动态检定两个方面,对电子血压计进行误差检定,为家庭健康管理与医疗行业的高效发展作出贡献㊂1 电子血压计示值误差检定方法设计本文设计的基于示波法的电子血压计示值误差检定方法主要包括两个部分:静态压力示值误差检定与动态压力示值误差检定,结合J J G 692 2010电子血压计误差检定相关要求,对电子血压计示值进行全方位的误差检定,具体检定方法与流程,如下文所示㊂1.1 基于示波法检定静态压力示值误差在误差检定前,首先应当分析电子血压计的运行模式与操作流程,保证静态压力示值误差检定时,电子血压计能够快速进入静态测量模式中[5]㊂进入静态模式后,拆卸电子血压计的袖带,使其胶管㊁四通与血压计主机接口进行连接㊂在此基础上,设定本次误差检定中所需使用的数字示波器的相关参数,如表1所示㊂表1 数字示波器参数说明序号名称参数1型号M S O-X 2014A 2最大输入电压/V30~453幅值电压M P E ʃ1%4采样率/(G s a /s )2.5~3.55频率M P E ʃ0.1%6压力范围/V0~5 通过数字示波器实时采集电子血压计各气路内压力的动态变化信息,以波形变化曲线的形式显示在显示屏上㊂在此基础上,通过胶管与四通,将电子血压计与金属容器㊁标准器与气泵接口串联,如图1所示㊂㊃101㊃2023年8月内蒙古科技与经济A u gu s t 202315529I n n e r M o n g o l i a S c i e n c e T e c h n o l o g y &E c o n o m yN o .15T o t a l N o .529图1基于示波法检定静态压力示值误差示意按照以上串联方式,完成电子血压计的串联处理㊂选取Y Q-160型号的血压计检定仪,具有自动测量功能,可进行压力示值㊁气密性㊁放气速率㊁灵敏度和压力释放测量㊂保证血压计检定仪符合J J G 692 2010和J J G270 2008提出的检定规程要求,能够全方位地提供静态压力示值误差试验[6]㊂设定血压计检定仪的测量范围在0~60k P a(0~ 450mmH g)内;收缩压的测量范围在2.7~34.0 k P a(20~255mmH g)内;舒张压的测量范围在1.3~26.7k P a(10~200mmH g)内;血压示值重复性在0~0.3k P a(2mmH g)范围内;分辨力为0.01 k P a(0.1mmH g)[7]㊂检定仪选取并设定结束后,调整其初始运行状态,开始一次预压测试㊂根据电子血压计的实际运行情况与特征,结合压力计的相关检定要求,设置静态压力示值检定点㊂当检定仪进入到菜单界面后,对电子血压计进行加压处理,直至加压至设定值,实时记录电子血压计每个检定点对应的检定仪数值变化㊂在此基础上,计算电子血压计静态压力示值误差,公式为:Δr=r-r0(1)其中,r表示电子血压计静态压力示值,单位为k P a(mmH g);r0表示电子血压计静态压力标准器的示值,单位为k P a(mmH g)㊂通过计算,获取电子血压计静态压力示值误差检定结果㊂1.2基于示波法检定动态压力示值误差电子血压计动态压力示值误差在某种程度上指的是血压计重复性示值误差,接下来,采用示波法原理,对此种误差进行全方位的检定㊂首先,对影响电子血压计示值误差检定结果精度的因素作出分析,可知电子血压计中的模拟血压发生器属于重要的影响因素之一,对示值误差检定结果具有较大影响[8]㊂若模拟血压发生器能够在快速时间内连续㊁准确地输出血压值,则对示值误差检定结果精度的影响越小㊂基于此,本文选取运行稳定㊁具有完善的内部构造㊁内部线路清晰流畅,且能够产生连续血压的模拟血压发生器,设定模拟血压发生器的动态压力检定准确度为ʃ2mmH g㊂利用模拟血压发生器,模拟血压值产生的整体工作过程,为接下来的电子血压计动态压力示值误差检定提供参考依据㊂在上述静态检定后,在规定时间内关闭血压计,并观察血压计关闭后是否存在异常现象㊂基于电子血压计动态压力示值检定的相关规范要求,对血压计内部的串联方式作出调整㊂将电子血压计一端胶管与四通连接,另一端与袖带孔连接,主要作用在于防止袖带孔出现漏气问题[9]㊂本文设计的电子血压计动态压力示值误差检定示意图见图2㊂图2基于示波法检定电子血压计动态压力示值误差示意如图2所示,为电子血压计在动态压力示值误差检定时的内部串联方式㊂检查电子血压计各个通路之间的运行状况,重点检测通路中是否存在漏气点,一旦检测到漏气点,应当立即作出标记,并使用胶管堵住漏气点,为提高误差检定结果的精度提供基础保障㊂选中检定仪的模拟界面,并设置袖带模式下检定仪误差检定的应用参数,打开电子血压计,在设置的血压计误差检定点处,进行多次检定,并计算电子血压计的重复性示值P m(D),公式为:P m(D)=Q m(D)T(2)其中,Q m(D)表示电子血压计收缩压/舒张压测量结果最大值与最小值的差,单位为k P a(mmH g); T表示电子血压计收缩压/舒张压测量结果最大值与最小值的差对应的系数,结合实际检定情况取值㊂根据上述公式,获取电子血压计测量结果动态压力示值的误差检定结果,实现示值误差检定的目标㊂2实验分析以上便是笔者针对电子血压计示值误差设计的基于示波法的误差检定方法的整体流程㊂在此基础上,为了进一步验证笔者提出的误差检定方法的可行性以及后续应用的效果,进行了如下实验㊂2.1实验设计为了更加直观地验证笔者提出的电子血压计示值误差检定方法的有效性与应用优势,本文设置了㊃201㊃总第529期内蒙古科技与经济两组对照组,通过对比分析的方法,获取实验结果㊂设置参考文献[2]㊁文献[9]提出的电子血压计示值误差检定方法作为对照组,本文提出的基于示波法的误差检定方法作为实验组㊂本次实验采用Y E660C型号的电子血压计作为研究依托,其药械准字为苏械注准20202071574㊂该型号电子血压计采用D F F A双滤波模糊算法,匹配性与适应性较强,血压测量结果较精确㊂为了使实验结果更加客观准确,本次实验随机选20名男女作为实验对象,其中男士10名㊁女士10名,年龄分布较均匀,介于20~55岁之间㊂使用上述3种误差检定后的电子血压计,分别对同一被测者进行血压测量,为了提高实验结果的可行性,利用每种方法测量两次㊂选择室内温度良好㊁噪声干扰较小的舒适房间,待被测者在进入房间后,使其保持15m i n静坐,目的在于排除外界各项干扰因素对本次实验产生的干扰㊂在血压测量过程中,需要注意的是保证被测部位与心脏位置呈现水平状态,将被测者胳膊的衣服上卷至腋窝处,使胳膊呈45ʎ角弯曲㊂检查电子血压计缠绕袖带中是否存在残留气体,确认没有残留气体后,将其缠绕至肘窝上1c m处,控制缠绕带缠绕的力度,保持松紧合适,确保袖带与胳膊之间至少保持一指大小㊂准备就绪后,开始测量,时刻密切观察袖带的动态变化,避免出现袖带裂开的情况㊂测量结束后,将袖带取下,并及时排净袖带中的气体,让被测者再次静坐2m i n后,进行第二次血压测量,并获取血压测量结果㊂2.2结果分析分别对电子血压计2次测量结果进行统计,获取舒张压与收缩压测量结果的均值㊂利用3种误差检定方法,对电子血压计示值进行误差检定,采用MA T L A B分析软件,统计3种方法误差检定后电子血压计测量结果的均值与标准差,并与实际血压测量值进行对比,如表2所示㊂表2对比结果单位:mmH g人次收缩压均值舒张压均值收缩压标准差舒张压标准差实际血压测量值20116.0374.066.087.04本文误差检定方法应用后电子血压计测量值20116.0574.126.127.03文献[2]误差检定方法应用后电子血压计测量值20118.6275.687.057.88文献[9]误差检定方法应用后电子血压计测量值20118.4976.197.877.96根据表2的对比结果可知,在3种误差检定方法中,电子血压计的测量值均存在一定的差异,笔者提出的基于示波法的检定方法,其应用后,电子血压计收缩压与舒张压测量结果均值与实际血压测量值的偏差较小,接近实际血压测量值,对应的标准差也较小㊂由此可见,本文提出的基于示波法的误差检定方法应用后,电子血压计测量示值精度整体得到了显著提升,测量结果更加精确,可行性较高㊂3结束语为了改善传统电子血压计示值误差检定方法在实际应用过程中检定精度与检定效率较低的问题,本文在传统检定方法的基础上,引入示波法,提出了一种全新的示值误差检定方法㊂通过研究,有效地提高了电子血压计使用的精度,减小了血压计示值与实际血压值之间存在的误差,对家庭健康管理㊁医疗行业的可持续发展均具有重要研究意义㊂[参考文献][1]卢威,张贝贝,刘苢,等.电子血压计静态和动态压力校准方法研究[J].电子产品可靠性与环境试验,2022,40(S2):66-69. 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