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血压计的原理和设计
本文讲述如何使用Freescale(以下称为飞思卡尔)MCU设计血压计,飞思卡尔提供数款针对医疗电子的MCU,包括MK53N512、MC9S08MM128和MCF51MM256,集成16bit的模拟数字转换器(ADC)、12bit的数字模拟转换器(DAC)、两个可调增益运算放大器、两个TRIAMPS、模拟比较器和Vref生成器。K50系列产品同时还能在处理信号的时候执行DSP指令,MCF51MM系列产品则能执行MAC(乘法和累加)指令。
文章旨在为生物医学工程师、医疗设备开发人员,或者任何具有医学实践并对血压计工作原理感兴趣的人提供参考信息。当然这需要具备模拟电路和数字电路的基础知识。
一、血压计的基本原理
首先介绍动脉压力的生理学概念以及血压计的工作原理。
1、动脉压力
动脉压力(ArterialPressure)是指血液在动脉血管中施加的静水压力(hydrostaticpressure),这是左心室收缩产生的结果。动脉收缩压(SystolicArterialPressure,SAP)是指心脏收缩的时候动脉形成较高的血压;舒张期动脉压(DiastolicArterialPressure
,
图1∶血管压力的变化
2、血压计的工作原理
血压计的工作原理主要基於示波法(oscillometricmethod),在测量过程中,示波法利用获取的压力脉冲信号来获得血压值。袖带(occludingcuff)与气泵和压力传感器相连,袖带在使用过程中紧箍手臂。给袖带泵入气体使其膨胀,直到压力大於脉搏(systolic)的典型数值,然後袖带才逐渐放气。由於袖带的放气,当脉搏压力到达一定数值的时候,就开始出现脉动(pulsation)。脉动的大小代表了由於心脏收缩而产生的压力变化,它被用於计算心跳的速率。脉动的振幅逐渐增大到平均动脉压(MeanArterialPressure,MAP),然後缓慢下降到零。图2显示了袖带压力与脉动(pulsation)之间的关系。
图2∶袖带(cuff)压力与心跳的关系
在脉冲振幅最大的时候,示波法通过获得袖带压力来确定平均动脉压(MAP)的大小。收缩和舒张的数值可以使用特殊算法计算,不同的医疗设备开发商有不同的算法。基於飞思卡尔芯片的血压计在计算收缩和舒张的数值主要根据以下原则∶当脉冲的振幅为MAP的70%的时候,此时测量获得的压力就近似为收缩压力,并且袖带压力大於MAP;类似的,脉冲振幅为MAP的50%时,此时寄存器内的袖带压力就近似为舒张压力,袖带压力小於MAP。
二、血压计的硬件实现
使用飞思卡尔KinetisK53和FlexisMM系列MCU实现的血压计,除了文章开头所提到的几个组成部分之外,在性能方面还具有其他特点,比如K5X系列的产品还还支持包括MAC在内的DSP指令集合,MCF51MM也具有执行MAC指令的功能。飞思卡尔公司医疗用途的MCU
可降低医疗设备的BOM成本,兼具最佳的处理能力。只需要少数的外部器件进行压力感应和袖带控制。
1、MED-BPM模拟前端电路
MED-BPM模拟前端demo板针对血压计而设计,与飞思卡尔的医疗专用MCU结合使用。MED-BPM与MCU之间的通信使用专用连接器,使用飞思卡尔配套推出的Tower系统更可以快速的制作出产品原型,加速产品的上市时间。MED-BPM的结构见图3。
图3∶MED-BPM的结构
(1)医疗连接器
demo板块中使用到的医疗器械连接器是标准器件,demo板块的型号
为TWR-9S08MM、TWR-MCF51MM和TWR-K53。连接器包括用於医疗用途的最重要的模拟周边设备,以及I2C接口进行数据通信。表1概括了医疗连接器信号特性。
(2)袖带压力控制
MED-BPM使用示波法进行血压的测量,这是一种无创伤(noninvasive)的方法,它使用外部袖带紧箍病患者的手臂,检测收缩和舒张动脉压力。MCU的GPIO引脚控制气泵给袖带充气,而另一个GPIO引脚则用於控制放气阀门对袖带进行放气。因为USB端口提供的电流(500mA)不足以驱动气泵和阀门(600mA),因此它们必须要由外部电源以得到足够的电流进行驱动。这需要光耦器件用於MCU控制信号与驱动部件的连接,如图4所示,光耦器件的输出被连接到MOSFET,MOSFET相当於一个开关,它控制气泵和阀门的动作。
图4∶MCU控制信号与驱动部件的连接电路
(3)外部连接器
在MED-BPM上,除了光耦器件和开关电路之外,还有外部气泵的连接器、阀门和电池。这就允许使用MCU信号控制外部的元器件。气泵电机和阀门使用两个AA电池进行供电,由於USB输出不能提供足够的电流驱动,图5显示连接器引脚的布局。
图5∶连接器引脚功能
(4)压力传感器
示波法的本质就是测量袖带的压力变化,这使用的传感器MP3V5050芯片内部集成了双极运算放大器电路和薄膜电阻网路,此传感器提供高输出信号和温度补偿能力。MP3V5050的主要特性见表2,MP3V5050
的输出信号与输入压力信号成比例。在应用电路中,此传感器可直接与放大电路连接。
表2
(5)信号滤波和放大
信号滤波和放大由三个滤波器、缓冲电路、同相放大器组成,见图6。滤波器为一阶RC无源电路,其截止频率可以由公式fc=1/2πRC进行计算。信号经过10Hz的低通滤波电路(LPF),这个滤波电路由电阻和电容构成,主要为了消除高频噪声。之後,信号传输到缓冲电路,缓冲电路就是一个单独的运算放大器,它连接信号与传感器。在缓冲电路的输出端对动脉压力进行测量,,移除高频噪声,得到比较洁净的信号传输到後面的放大电路。信号放大电路为同相放大器,包括二阶运算放大器、两个电阻(100kΩ和1kΩ),形成101的增益,以便能更加有效的识别袖带的振动。这部分电路之後,信号进行10Hz的RC低通滤波电路,