摘?要： 在示波法" title="示波法">示波法測(cè)量血壓的原理基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和開發(fā)了血壓與血管硬度" title="血管硬度">血管硬度的無創(chuàng)" title="無創(chuàng)">無創(chuàng)檢測(cè)系統(tǒng)" title="檢測(cè)系統(tǒng)">檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MOTOROLA單片機(jī)MC68HC908JL8為控制核心，在血壓測(cè)量過程中，從采集到的血壓波形信號(hào)中高精度地提取血管硬度的有效信息，并通過大量的臨床實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，建立相應(yīng)的血管硬度的模型，實(shí)現(xiàn)了在無創(chuàng)血壓測(cè)量的同時(shí)，檢測(cè)出血管硬度指數(shù)、心率等多種心血管參數(shù)。臨床實(shí)驗(yàn)表明，該檢測(cè)系統(tǒng)能夠較好地反映人體的血管健康狀況。
關(guān)鍵詞： 血壓; 血管硬度; 示波法; MC68HC908; 斜波比較
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目前，市場上基于示波法的電子血壓計(jì)由于操作簡便、無汞、不依賴操作者等優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了很大的市場份額，已成為家庭、社區(qū)的日常保健儀器。但是現(xiàn)在絕大多數(shù)電子血壓計(jì)僅僅局限于血壓和心率測(cè)量，功能比較單一，不能滿足人們?nèi)找嬖鰪?qiáng)的保健需求。實(shí)際上，血壓測(cè)量過程中所采集到的波形信號(hào)攜帶了人體血管硬度的信息，而血管硬度是檢測(cè)亞臨床動(dòng)脈硬化的一個(gè)有效參數(shù)，能夠很好地表征人體的心血管健康狀態(tài)?；谑静ǚǖ难苡捕葻o創(chuàng)檢測(cè)系統(tǒng)是在示波法測(cè)量血壓的過程中，將血壓波形信號(hào)以很高的精度提取并通過大量的臨床實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了在無創(chuàng)血壓測(cè)量的同時(shí)，檢測(cè)人體動(dòng)脈血管硬度、心率等多種參數(shù)。與現(xiàn)有電子血壓計(jì)相比較，該檢測(cè)系統(tǒng)在不增加硬件成本的前提下，使用戶可以方便、快捷地實(shí)現(xiàn)多種心血管參數(shù)的綜合檢測(cè)。
1 無創(chuàng)示波法測(cè)量血管硬度的原理
??? 動(dòng)脈彈性是反映人體心血管系統(tǒng)功能的重要指標(biāo)，反映了人體心血管系統(tǒng)功能的好壞。大量研究與臨床實(shí)驗(yàn)表明，動(dòng)脈血管壁的彈性可以反映在受壓后的脈搏波幅值變化趨勢(shì)。從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，放氣" title="放氣">放氣過程中脈搏波幅值的變化趨勢(shì)從一個(gè)側(cè)面反映了動(dòng)脈彈性的好壞。動(dòng)脈彈性越好，放氣過程中脈搏波幅度變化越明顯，變化趨勢(shì)圖越陡峭；動(dòng)脈彈性越差，脈搏波變化趨勢(shì)越平緩。從彈性理論的觀點(diǎn)解釋：即血管壁彈性越好，越容易在釋放壓力后恢復(fù)到原來的位置[1-4]。
示波法測(cè)量血壓的過程中，首先把血壓袖帶纏繞在上臂，袖帶下緣距肘窩1～3cm。對(duì)袖帶充氣到一定壓力(超過收縮壓30mmHg)，此時(shí)袖帶下血管被阻斷，然后以2～3mmHg／s的速度開始緩慢放氣，當(dāng)袖帶壓降到一定程度，袖帶下血管開放，有血流通過，血管容積的變化通過手臂組織耦合到袖帶，引起袖帶容積的變化(袖帶壓力隨之改變)。隨著每一次心跳，袖帶內(nèi)都產(chǎn)生相應(yīng)的振蕩波，并通過氣管傳到壓力傳感器。隨著袖帶內(nèi)壓力降低，脈波幅度越來越大；但是當(dāng)脈波幅值達(dá)到最大值后，繼續(xù)放氣，波動(dòng)幅度卻越來越小。當(dāng)脈波幅度低于某一固定值，或者袖帶壓低于某一值(或者檢測(cè)到舒張壓)之后，開始快速放氣完成測(cè)量。
血管硬度的測(cè)量采用放氣過程中脈搏波峰值包絡(luò)線作為判斷依據(jù),如圖1所示。最大壓力波峰值的80%所對(duì)應(yīng)脈搏波曲線的寬度×4.5作為血管硬度的指數(shù)(簡稱ASI)。動(dòng)脈彈性越好,其對(duì)應(yīng)脈搏波曲線的峰值變化越陡峭,動(dòng)脈彈性越差,對(duì)應(yīng)脈搏波曲線的峰值變化越平緩。
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2 儀器設(shè)計(jì)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
無創(chuàng)血管硬度檢測(cè)儀的系統(tǒng)框圖如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：單片機(jī)（CPU）、壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、充放氣控制、鍵盤和液晶顯示。
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2.1.1 單片機(jī)
單片機(jī)采用MOTOROLA公司的MC68HC908JL8[5]，其主要特性如下：低功耗設(shè)計(jì)，等待和掉電模式，具有安全特性的8KB Flash，256B的RAM，2個(gè)16位雙通道計(jì)時(shí)器接口模塊，每個(gè)通道有可選擇的輸入捕捉、輸出比較和產(chǎn)生PWM的能力，13個(gè)通道8位A/D轉(zhuǎn)換器，快速8×8乘法指令，快速16/8除法指令，16位地址模式。
2.1.2? 壓力傳感器
壓力傳感器選用臺(tái)灣的壓阻式傳感器MPS3100，其特性如下：氣壓范圍在0～300mmHg，工作溫度范圍-40℃～
+85℃, 易用、易安裝于OEM設(shè)備,低價(jià)位SMD封裝，工作電源5V，是一款非常適合于血壓測(cè)量的傳感器。為了減小溫度對(duì)傳感器信號(hào)的影響，在電路中特意增加了溫度補(bǔ)償電路，使傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)失真更小。具體電路可見參考文獻(xiàn)[6]。
2.1.3? 信號(hào)調(diào)理電路
袖帶內(nèi)的壓力信號(hào)經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，但是此時(shí)的信號(hào)比較微弱，且還有干擾信號(hào)，所以要經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波后，才能獲得有效的信號(hào)。此時(shí)，還有一個(gè)更重要的問題是要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，也就是氣壓與電壓之間的轉(zhuǎn)換問題。本系統(tǒng)利用運(yùn)算放大器組成差分輸入電路，將傳感器輸出信號(hào)差動(dòng)輸入到運(yùn)放，然后利用滑動(dòng)變阻器VR1進(jìn)行調(diào)解。VR1的變化會(huì)引起R26的電壓變化，這樣就可調(diào)整偏置電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)零點(diǎn)的作用，同時(shí)這個(gè)過程也對(duì)信號(hào)進(jìn)行了放大，最后由C12對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。具體電路實(shí)現(xiàn)如圖3所示。
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2.1.4? 充放氣控制電路
對(duì)于電磁閥和氣泵的控制，本系統(tǒng)利用單片機(jī)MC68HC908JL8的PWM功能來實(shí)現(xiàn)，即通過軟件控制信號(hào)的占空比來控制氣泵的充氣速度和閥的放氣速度。這種通過以數(shù)字方式控制模擬電路的方法，不但可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗，同時(shí)提高了對(duì)氣泵和電磁閥充放氣速度的控制精度。具體的電路實(shí)現(xiàn)如圖4所示。
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2.1.5 A/D轉(zhuǎn)換電路
本系統(tǒng)沒有直接使用成品ADC轉(zhuǎn)換芯片，而是使用斜波比較的方法來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能，這是本系統(tǒng)的重要部分。具體實(shí)現(xiàn)如下：首先利用單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)電容充放電后形成類似于三角波的信號(hào)，然后將傳感器輸出的直流信號(hào)與此三角波信號(hào)相比較，由此產(chǎn)生新的脈沖信號(hào)，在單片機(jī)中計(jì)算該脈沖信號(hào)高電平（或低電平）的時(shí)間，以此來完成傳感器信號(hào)由模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)利用這種方法實(shí)現(xiàn)了15位的A/D轉(zhuǎn)換功能，不但實(shí)現(xiàn)方便而且也降低了硬件成本。具體電路如圖5所示。
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2.1.6? 鍵盤和液晶顯示
顯示部分選用青云公司的液晶顯示屏LCM192641，供電電源為5V，帶有背光?？刂破魇荎S0107，STN 黃藍(lán)模式，大小為120mm×62mm×12.5mm。測(cè)量過程中要求輸入個(gè)人資料，例如：身高、體重、年齡，還有時(shí)間的調(diào)整以及測(cè)量操作需要的按鍵。這里采用薄膜鍵盤。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)是在單片機(jī)MC68HC908JL8的控制下，完成血壓、血管硬度、心率的測(cè)量。測(cè)量軟件全部由匯編語言編寫而成。程序主要由測(cè)量程序和中斷服務(wù)程序兩部分組成。測(cè)量程序主要是控制氣泵對(duì)袖帶充氣，控制電磁閥進(jìn)行線性放氣，對(duì)采樣的壓力值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)采樣的壓力波進(jìn)行峰值識(shí)別，獲得壓力波峰值的包絡(luò)線，計(jì)算血壓、血管硬度指數(shù)和心率。中斷服務(wù)程序主要是進(jìn)行信號(hào)的采樣和對(duì)采樣后的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。具體的測(cè)量流程如圖6所示。
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為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可靠性，2007年8月在天津中醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院心臟科，對(duì)本系統(tǒng)和安徽中科智能高科技有限公司研制的AZN-F型心血管健康監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行了同步實(shí)驗(yàn)，一共檢測(cè)了32例受試者（男性20名，女性12名，年齡在20～55之間）的心血管參數(shù)，并將所得測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。表1列出了本次對(duì)比實(shí)驗(yàn)的部分測(cè)量結(jié)果。
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測(cè)量結(jié)果顯示，由本系統(tǒng)測(cè)量得到的血管硬度與AZN-F型心血管健康監(jiān)測(cè)儀測(cè)量的血管硬度有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為-0.79。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用本系統(tǒng)可以較好地反映血管的硬度。
通過本文設(shè)計(jì)的基于示波法的血管硬度無創(chuàng)檢測(cè)系統(tǒng)與AZN-F型心血管健康監(jiān)測(cè)儀對(duì)32位受試者進(jìn)行的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明：基于示波法的血管硬度無創(chuàng)檢測(cè)系統(tǒng)有很好的重復(fù)性，在一定程度上能夠反映出受試者的心血管健康狀況。該系統(tǒng)操作方便快捷，結(jié)果簡單、直觀,重量輕,體積小,適合個(gè)人及家庭的心血管健康狀況快速的檢測(cè)，對(duì)心血管的保健和預(yù)防起到了很好的指導(dǎo)作用。
參考文獻(xiàn)
[1]?王晉.血管硬度測(cè)試儀的研制.碩士論文.重慶:重慶大學(xué)出版社，2003.
[2]?朱燕秋,楊浩,何為.血管硬化指數(shù)的測(cè)量方法與臨床應(yīng)用研究[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2005,20(9):?13-15.
[3]?張維忠.動(dòng)脈彈性功能檢測(cè)的理論與實(shí)踐(上)[J]. 心腦血管病防治, 2003,3(4):1-2.
[4]?張維忠.動(dòng)脈彈性功能檢測(cè)的理論與實(shí)踐(下)[J].心腦血管病防治, 2003,3(5):3-4.
[5]?劉慧銀,程建平,龔光華，等.Motorola微控制器MC68HC08原理及其嵌入式應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，2001.
[6]?趙學(xué)玲,徐可欣,張樂石,等.基于ARM的便攜式心血管無創(chuàng)檢測(cè)系統(tǒng)[J],電子技術(shù)應(yīng)用，2007,33(8):133-135.