人体血压测量解决方案1.doc

1、人体血压测量解决方案义 利 达 高 新 技 术 实 业 有 限 公 司YILIDA HIGH TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO.,LTD二一九二一九年五月人体血压测量解决方案 义利达版权所有人体血压测量解决方案资料版本 YLD-XYCL-2019-5-27/V1.0 出版状态 标 准日 期 2019 年 5 月 27 日义利达高新技术实业有限公司版权所有，保留一切权利在没有得到本公司书面许可时，任何单位和个人不得擅自摘抄、复制本书（软件等）的部分或全部，不得以任何形式（包括资料和出版物）进行传播。版权所有，侵权必究。内容如有改动，恕不另行通知。Copyright by Hai

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3、stem or transmitted without prior written permission from Hainan YiLiDa High Tech. Develop. Co.,Ltd.地 址：北京市朝阳区大屯路西奥中心 B 座 1301 室电 话：010-51203886 传 真：010-51203887网 址： 人体血压测量解决方案 义利达版权所有1目 录1. 电子血压计现行技术分类 .11.1 电子血压计从使用的原理上分类 11.2 示波法电子血压计的技术代际划分类 11.2.1 第一代电子血压计（ G1-NIBPM） 11.2.2 第二代电子血压计（ G2-NIBPM）

4、21.2.3 第三代电子血压计（ G3-NIBPM） 21.3 电子血压计生产商主流技术的使用 22 血压测量原理 33 硬件实现 53.1 血压采集硬件系统结构框图 53.2 硬件电路的具体实现 63.2.1 单片机主控电路 63.2.2 血压传感电路 .73.2.3 滤波和放大电路 .83.2.4 日历时钟和存储电路 .93.2.5 键盘和显示电路 .93.2.6 语音报压和报警电路 .104 软件实现 .114.1 概述 114.2 示波法血压测量过程的物理模型 124.3 示波法测量血压的算法原理 144.4 判定血压值的算法 174.4.1 放气测量时判定血压值的算法 174.4.2

5、 充气测量时判定血压值的算法 204.5 常用评估标准 22人体血压测量解决方案 义利达版权所有11. 电子血压计现行技术分类1.1 电子血压计从使用的原理上分类 1）听诊法（又称柯氏音法）电子血压计，目前只有极少数 。2）示波法（又称振荡法）电子血压计，目前主流的血压计。 3）超声技术及其它，检测方法并不成熟，尚待临床认可。1.2 示波法电子血压计的技术代际划分类按照加压、定速排气、血压测量使用的技术，可以划分为三代：1.2.1 第一代电子血压计（G1-NIBPM）使用的技术：MWD 技术(减压时测量) 使用的主要元器件：快速加压气泵、电子快速排气阀、机械式定速排气阀、气压压力传感器 特征

6、1：使用了两个排气阀-电子快速排气阀、机械式定速排气阀；特征 2：初始的加压压力大多设定在 200mmHg，强调加压速度要快，910秒内达到 300mmHg 等； 特征 3：加压刚停止时，放气速度超过 7mmHg/s， 23 秒钟后才能大致稳定为 27mmHg/s 快速加压到某一压力，通过一个机械式定速排气阀按 27mmHg/s 的速度放气，并在此放气的过程中进行血压测量。这一代产品由于机械式定速排气阀的不稳定性（原理性缺陷） ，一般会提高初始的加压压力，如目前大部分国产血压计，初始的加压压力大多设定在190200mmHg，一定程度上可以克服加压刚停止时放气速度造成的测量不稳定的问题。 其缺陷

7、是使用者手臂（或手腕）有明显的压迫感！同时由于机械式定速排气阀的不稳定性，测量结果有时也会不稳定。目前国内一些购入电子血压计方案的制造商，其技术水平都处于第一代。而且所有的方案提供商手上也只有这一代的技术方案。人体血压测量解决方案 义利达版权所有21.2.2 第二代电子血压计（G2-NIBPM） 使用的技术：MWD 技术(减压时测量) 使用的主要元器件：加压气泵、电子控制排气阀、气压压力传感器特征 1：只使用一个排气阀-电子控制排气阀，同时用于定速排气及测量结束时的快速排气 特征 2：智能加压。即在加压过程中对血压进行一定程度的粗测量，用于决定加压压力，一般加压压力大至为：被测者收缩压 + 4

8、050mmHg 特征 3：放气速度一开始就能稳定在 34mmHg/s 这一代电子血压计由于采用了电子控制排气阀的伺服技术（ECV SERVO TECHNOLOGY） ，定速排气的速度才正真做到了定速，测量结果非常稳定（其他影响因素除外） 。 这一代电子血压计的技术难度是电子控制排气阀的伺服技术，目前国际上掌握这一代技术的大致有如下公司： 欧姆龙、松下、迈克大夫、优盛医学、金亿帝。 第一代与第二代的测量技术又统称为 MWD 技术(减压时测量)，与下述的第三代 MWI 技术（加压时测量）相对应。 1.2.3 第三代电子血压计（G3-NIBPM） 使用的技术：MWI 技术（加压时测量）使用的主要元器

9、件：伺服加压气泵、电子控制排气阀、气压压力传感器 特征 1：使用伺服加压气泵-控制加压速度，并在加压过程中测量血压；特征 2：只使用一个排气阀-电子快速排气阀，用于测量结束时的快速排气 这一代电子血压计的技术难度是 MWI 技术（加压时测量） ，目前国际上掌握这一代技术的大致有如下公司： 欧姆龙、松下、爱安德、优盛医学、金亿帝。 1.3 电子血压计生产商主流技术的使用 按照目前电子血压计的世界领先制造商的产品来判断，第一代电子血压计技术基本被淘汰，第二代电子血压计技术主要用于上臂式电子血压计，第三代人体血压测量解决方案 义利达版权所有3电子血压计技术主要用于手腕式电子血压计。就示波法而言，无论

10、是 MWD(减压同步测量）还是 MWI(加压同步测量） ，其前提不外乎测量时加压或减压要匀速！这才是采用电子控制排气阀的伺服技术（ECV SERVO TECHNOLOGY）与使用伺服加压气泵（-控制加压速度）的目的所在！目前国内主流做法是使用一个机械阀来作为定速排气阀，其缺点如下：1）高压时排气速度快，低压时速度慢； 2）机械阀使用硅胶或橡胶，受温度、湿度影响大； 3）对不同的袖带（特大、大号、中号、小号） ，由于排气速度变化太大，测量结果无法满足 ESH 或 BHS 临床测试的要求。目前世界上主流的做法（以日本制造商为主）： 1）臂式电子血压计采用电子控制排气阀的伺服技术（ECV SERVO

11、 TECHNOLOGY） ；2）腕式电子血压计使用伺服加压气泵（-控制加压速度） 。2 血压测量原理本设计采用示波法，也叫袖带振荡波法。放气测量原理是：袖带自动充气超过收缩压 30mmHg-60mmHg 后缓慢放气（2-3 mmHg/s），当袖带下血管开放而有血流通过时，血管容积变化引起袖带容积变化而产生振荡波并通过导管传到压力传感器，振荡波幅度随着袖带内压力降低、血流通过增加而越来越大，最终由于袖带与手臂接触越来越松而致振荡波越来越小直至消失。振荡波幅度最大点对应的袖带压相当于平均动脉压，向前峰值一半的波动点对应的袖带压为收缩压，向后峰值 75%-80%的波动点对应的袖带压为舒张压。如图所示

12、：人体血压测量解决方案 义利达版权所有4图 2.1 示波法测血压原理图充气测量原理：用控制芯片驱动血压计用气泵和电磁阀对袖带充放气，用电容式压力传感器感应上臂袖带压力和脉搏波信号，测控流程为：先快速充气到 40mmHg，然后进行阶梯慢速充气，每次充气 0.5s，之后保持 1.5s：其中前0.5s 用于避开由于瞬时充气造成的袖带抖动干扰，后 1s 进行数据 A/D 采样，临时存储此 1s 时间段内的最大值和最小值，并求其差值作为这一压力下的脉搏波动值；得到整个脉搏波后，查询最大幅值脉搏波 Amax，其对应的袖带压力为平均压；最大脉搏波向前查询到脉搏波幅值 AdAmaxKd 处对应袖带压力为舒张压

13、，最大脉搏波向后查询到脉搏波幅值 AsAmaxKs 处对应袖带压力为收缩压。其中，Kd 和 Ks 为常数。Geddes 等通过试验发现 Ks 接近 0.5，Kd 则在0.75-0.8；当袖带压力大于收缩压 30mmHg-60mmHg 时停止充气并快速放气。充气加压测量技术能够减少测量时间，不改变测量精度的情况下使被测者不适感的时间减少。示波法有各种不同形式，下图为一种典型框图。袖带内压力传感器检出压力信号并加到压力放大器，压力放大器的输出用标准压力计标定；图 2.2 示波法测量血压原理框图人体血压测量解决方案 义利达版权所有5上图可见，出现第一个柯氏音（或脉动波）时，所对应的压力值即为收缩压；

14、在下降曲线上出现最后一个柯氏音（或脉动波）时，所对应的压力值即为舒张压。采用这种方法，对臂移动所产生的伪迹直接从曲线上看出来，所记录结果简单明了。测量准确性影响因素：示波法不受主观因素影响，但是这种技术存在特征系数误差、包络线拟合误差等。在动脉僵硬、脉压增宽的老年患者中，平均动脉压可被明显低估。3 硬件实现3.1 血压采集硬件系统结构框图CPU处理器电源复位无线通讯模块时钟模块键盘袖带压力压力传感器 放大器放大器A / D 转换 1A / D 转换 2隔直气泵控制排气阀控制图 3.1 血压检测电路结构框图本系统主要包括：袖带压力控制模块、压力传感器模块、放大电路、隔直电路、A/D 转换、CPU

15、 核心处理器和键盘设计等。其中，袖带压力控制模块主要包括：袖带、电动气泵及控制电路、排气阀及控制电路。测量时，袖带自动充气超过收缩压 30mmHg 后缓慢放气（2-3 mmHg/s） ，当袖带下血管开放而有血流通过时，血管容积变化引起袖带容积变化而产生振荡波并通过导管传到压力传感器，振荡波幅度随着袖带内压力降低、血流通过增加而越来越大，最终由于袖带与手臂接触越来越松而致振荡波越来越小直至消失。振荡波幅度最大点对应的袖带压相当于平均动脉压，向前峰值人体血压测量解决方案 义利达版权所有6一半的波动点对应的袖带压为收缩压，向后峰值 75%-80%的波动点对应的袖带压为舒张压。在此过程中，匀速排气是设

16、计的关键。数据采集模块：振动波和袖带静态压力分两路 A/D 输入，其中振动波是袖带静态压力值（实际上是静态压力值与脉搏波的叠加）经隔直放大得到。所采集信号经放大后送 A/D1，作为静态血压信号；隔直后再次放大后送 A/D2，作为振动波信号。采样后的信号经信号处理模块的处理，最终计算得到收缩压、舒张压和心率。键盘处理模块：判断键盘的当前状态（开关电源、启动/停止测量、校准状态等） ，执行相应的操作。3.2 硬件电路的具体实现3.2.1 单片机主控电路（初步选取 MSP430FF449D，并以此进行设计和说明）本系统主控电路如图 3.2 所示，主要由 MSP430F449 芯片、JTAG 接口电路

17、、时钟发生电路、时钟输出电路、复位电路、PWM 波输出电路、供电电路等组成。其中 JTAG 用于下载和调试程序，PWM 波输出电路用于控制气泵。当测量血压时，先充气至 200mmHg 高（充气测量时充至比收缩压高 30-60mmHg），再慢慢以每秒约下降 5mmHg 的速度放气。实现自动测量血压。人体血压测量解决方案 义利达版权所有7图 3.2 电子血压计主控电路3.2.2 血压传感电路如图 3.3 所示，本电路采用 BP01 型压力传感器（也可采用其它血压计专用传感器）和运放 MAX4472。 BP01 型压力传感器是为检测血压而专门设计的，主要用于便携式电子血压计。它采用精密厚膜陶瓷芯片和

18、尼龙塑料封装，具有高线性、低噪声和外界应力小的特点；采用内部标定和温度补偿方式，提高了测量精度、稳定性和重复性，在全量程范围内，精度为1%、零点失调不大于300V。MAX4472 是 MAXIM 公司的一款集成了四个运算放大器的低功耗放大芯片。本系统中内部集成运放 A 接恒流源，为压力传感器提供恒定的电流，运放 B 和运放 C，运放 D 组成差分输入、单端输出放大电路，直接输入 ADC0 监视血压直流分量。人体血压测量解决方案 义利达版权所有8图 3.3 血压传感电路3.2.3 滤波和放大电路如图 3.4 所示，电路由滤波和放大两部分组成。其中 MAX267 是 MAXIM 公司出产的一个集成

19、滤波器，可以构成低通、带通、高通、等多种方式，使用灵活，性能远远优于采用集成运放组成的滤波电路。图 3.4 滤波和放大电路MAX4471 是 MAXIM 公司的一款低功耗的放大器。MAX9028 是 MAXIM 公司的一个低功耗的比较器。滤波电路采用 MAX267 构成带通滤波器（允许 0.838Hz 的信号通过），滤掉信号中的直流成分和电源以及皮肤与袖带摩擦的高频噪声和工频干扰，然后经过 MAX4471 进行进一步放大，得到单片机匹配的电压信号，进入 ADC2，监视血压的交流分量。同时该信号通过低功耗比较器 MAX9028 转换成脉冲信号，触发 ADC1 工作。人体血压测量解决方案 义利达版

20、权所有93.2.4 日历时钟和存储电路如图 3.5 所示，由 EEPROM24C256 和日历时钟芯片 PCF8563 组成。24C256是一款低电压、串行接口，容量为 256K 的存储器，用于存储测量的血压值。PCF8563 是 PHILIPS 公司推出的一款工业级内含 I2C 总线的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。用于提供测量血压时的时间和日期，以便于以后进行查询使用。方便于使用者对自己一段时间的血压有个清晰的记忆。实用性强，克服了一些电子血压计的不足。图 3.5 日历时钟和存储电路原理图3.2.5 键盘和显示电路如图 3.6 所示，由键盘电路和液晶显示电路两部分组成。液晶显示电路采用

21、 ZJM12864BSBD，这是一款低功耗的点阵图形式 LCD，显示格式为 128 点(列)64 点(行)，具有多功能指令，很容易与 MPU 相连。其中键盘电路采用独立式按键，有 7 个按键，分别为测量、mmHg/kPa 转换、记忆、设置、上翻、下翻、删除。可以进行日历时钟的设置，进行报警参数的设置，进行血压的测量值的人体血压测量解决方案 义利达版权所有10存取和删除等功能。LCD 可以显示收缩压，舒张压，当前的时间和日历；在查询状态时可以实现以往测量血压的日期、时间、测量值，同时可以通过软件编程实现历史数据的图形化显示（例如画出血压波动曲线），方便直观。图 3.6 键盘和显示电路3.2.6

22、语音报压和报警电路本电路如图 3.7 所示，主要由集成语音芯片 ISD2560 组成。ISD2560 是Winbond 公司生产的一款具有较强功能的语音录放芯片，是一种永久记忆型语音录放电路，录音时间为 60s，可重复录放 10 万次。该芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，能够非常真实、自然地再现语音。通过事先录制好的声音，实现血压测量值的自动声音提示，如果血压高出正常血压的上下限值，还会发挥报警，提醒使用者就医。人体血压测量解决方案 义利达版权所有11图 3.7 语音报血压，报警电路4 软件实现 4.1 概述人体血压是指动脉血管中脉动的血流对血管壁所产生的侧向垂直于血管壁的压力，主动脉血管

23、中垂直于管壁的压力的峰值称为收缩压，谷值为舒张压。随着人民生活水平的提高和自我保健意识的增强，越来越多数字式电子血压计进入个人家庭之中，同时，在医疗系统中拥有大量用于临床的无创血压监护设备，它们中绝大多数是采用示波法原理进行血压测量的，与柯氏音方法相比较，示波法相结简单、可靠，而且便于采用电子线路加以实现，其测量结果与目前医院中普遍采有的柯氏音法有着统计上的一致性。下面是同步记录的一次完整的测量过程图。其中 (a)为袖带内压力，(b)为同步记录的袖带内的振荡波，(c)为同步记录的柯氏音。人体血压测量解决方案 义利达版权所有12图 4.1 一次完整的测量过程中的压力、振荡波和柯氏音4.2 示波法

24、血压测量过程的物理模型如果将血液压力对应电压、血液流量对应电流、血液流阻对应电阻、弹性形变对应电容，则可以用电路模型对袖带测量肢体的血流特性进行建模，通过求解电路方程推导血流特性。这种电路模型如图所示。图 4.2 袖带压迫血管段及远端血管的综合电路摸型图中 V1为袖带压迫下血管段近心端动脉压力、V 2为远心端动脉压力、V culf为所加袖带内压力 Vt为静脉压力，L 为上肢动脉袖带压迫段， R 0为远心端动脉人体血压测量解决方案 义利达版权所有13流阻，R s为末梢动脉流阻，C s为远心端总的动脉血管的顺应性，C（V t）为袖带压迫段总的顺应性，它是跨壁压 Vt=V2-Vculf的函数，其函数

25、关系已有前人试验推出。袖带压迫下的动脉血管段的特性由可塌陷管模型来描述，一种解释可塌陷管流动规律的数学描述如公式（1）-（3）所示。如果Pn 时，x(n-k/2)=0， x(n-k)=0；滤波前后的脉搏波如图 4.9。图 4.9 滤波前后的脉搏波图示波法是基于脉搏波的幅度的最大值的位置来寻找对应舒张压和收缩压的人体血压测量解决方案 义利达版权所有20位置的。因此，要首先计算整个脉搏波幅度值，即峰峰值。计算峰峰值的方法有多种，在此采用以下步骤计算峰蜂值(a)记录整个脉搏波的峰、谷的位置(若采用的 AD 为 10 位，以无符号 16位数保存)，可将最高两位作为峰、谷的标志位。(b)从时间轴上，即从

26、峰与峰之间，谷与谷之间的间隔来滤除一些由于测量过程中的干扰引起的虚假峰、谷。（c）相邻的峰谷相减作为一个峰峰值存入外部 RAM 中，并以峰谷位置的平均值作为峰峰值的位置。确定位置设舒张压对的搏波的峰峰值为 PB，收缩压对应的脉搏波的峰峰值为 PD，则PKK，PB，PD 有如下关系：PD/PKK=，PD/PKK= （2）式中：、 为经验系数，是常数。所以，可以通过 、 和 PKK 计算舒张压和收缩压对应的幅度，再通过搜索、判断比较法计算出收缩压和舒张压在脉搏波中的位置。 搜索判断步骤如下：(a)搜索峰峰值中的最大值 PKK，并判断比较该位置是否为合理位置，否则丢弃该值并重新搜索。(b)计算 PD

27、=PKK*，从最大值位置开始向后搜索，找与 PD 幅度最接近的峰峰值并将其位置记录保存。(c)计算 PB =PKK*，从最大值位置向前搜索，找到与 PB 幅度最接近的峰峰值并将其位置保存记录。找到上述 3 个幅度对应的坐标后，根据压力波找到对应的舒张压，平均压和收缩压。4.4.2 充气测量时判定血压值的算法基于示波法的充气测量恰好是放气测量的逆过程，其原理见图：在充气过程中，压力不断增加，检测静压力和袖套内气体的振荡波，振荡波起源于血管壁的搏动。图中，在人体血压测量解决方案 义利达版权所有21图 4.10 基于充气的示波法测试原理袖套静压力小于舒张压 Pd以前，由于压力较小，动脉管壁在舒张期已

28、充分扩展，管壁刚性增加，因而波幅维持在较小的水平。随着压力的增加，当袖套静压力高于收缩压 Ps时，动脉被压闭，此时因近端脉搏的冲击而呈现细小的振荡波；当袖套静压等于平均压时，动脉管壁处于去负荷状态，波幅达到最大值Am；振荡波的包络线所对应的袖套静压力就间接地反映了动脉血压。脉搏波包络线的 m、s、d 点的幅度 Am、A s、A d存在如下关系：A s /Am= C1， Ad /Am= C2，其中，C 1、C 2一般为常数。因此，只要测出 Am，每个脉冲的幅度Ai和对应的静压力 Pi，就可以确定 s 和 d 点的位置，从而计算出收缩压 Ps和舒张压 Pd。充气测量血压存在一个充气速度的识别和控制

29、的过程，如图所示。图 4.11 充气测量模糊控制的流程脉搏波产生之前，气泵开始快速充气(大于 1.3332kPa/s )。在同样的条件下，因为手臂肌肉弹性的差异，不同个体具有不同的充气速度，充气的示波法测试原理图中。0-t l段直线的斜率即反映了个体生理特性；当第一个脉搏波产生时，根据识别到的个体生理特性，自动调整充气速度(0.2666-0.3999 kPa/s )，人体血压测量解决方案 义利达版权所有22以获取足够的脉搏波。简单地说，就是根据。0-t l段的直线斜率来自动调整tlt2段直线的斜率。这种自适应的智能控制完全解决了不同个体间脉搏波数量具有差异性的问题。实验表明，充气速度依个体特性而动态改变，使得血压测量具有良好的个体适应性。当脉搏波消失或峰值小于某一闭值，血压测量完毕，快速放气。由此可见，放气时静压力的阂值完全是根据个体决定的 (依脉搏波的幅度识别)，这提高了测量效率，缩短了测量时间。增加了测量者的舒适感。4.5 常用评估标准常用的评估标准为：美国标准 ANSIIAAMI SP10-1992电子或自动血压计中收缩压和舒张压的误差要求，差值的平均值 5mmHg；差值的标准差 8mmHg。