一、血壓測量法介紹:
血壓量測方式可分兩大類：一為侵入式，另一為非侵入式測量方式。侵入式的血壓量測，皆需由醫(yī)療人員操作，使用上有許多限制。其一般常見的血壓計則為非侵入式的水銀式血壓計與電子式血壓計兩種。
而水銀式血壓計所使用的方式為聽診法(Korotkoff Method)與電子式血壓計所使用之振盪法(Oscillometric Method)有所不同。傳統(tǒng)的水銀式血壓計，使用時將壓脈袋充氣至壓力大于人體的收縮壓時，動脈血管會因擠壓而達(dá)閉塞情形使血管內(nèi)無血液流動。接著測量人員以固定速率洩?dú)?，藉由聽診器聽到第一個低沈的衝擊聲(Korotkoff Sounds)時，讀取水銀壓力計上的讀值，此即為收縮壓;若當(dāng)壓脈袋壓力小于血管壓力時則就無聲音，此時讀值即為舒張壓。而目前家庭中最常用的則為電子式血壓計，其除自動化測量外，也不需測量人員協(xié)助聽診。測試方法主要透過壓脈袋內(nèi)的壓力感測器來偵測壓力變化，藉此來判斷血壓值。其電子式血壓計組成件除感測器外，尚需有加壓幫浦、洩壓閥與微控制器的組合才能達(dá)到自動化測量。量測方式于一開始對壓脈袋加壓，當(dāng)壓脈袋內(nèi)壓力大于人體的收縮壓后，再控制洩壓閥減壓。利用壓脈帶在加壓和減壓過程中，將心臟跳動時在血管壁的震動反應(yīng)到壓脈帶中感應(yīng)的壓脈波變化，進(jìn)從測量壓脈帶中壓力和振幅計算出收縮壓、舒張壓與平均壓值[1,2]。
二、纮康科技HY11P系列簡介:
電子式血壓計的設(shè)計需要前置復(fù)雜的硬體設(shè)計來完成訊號取樣，并搭配微控制器進(jìn)行訊號取樣，一般需要通過以下步驟，如圖 1。生理信號通過感測器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)前置放大器進(jìn)行信號放大和處理，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行採樣，將類比信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)位信號。微控制器再進(jìn)行自動化控制及后端數(shù)位信號處理演算法來進(jìn)行信號分析處理，計算出有意義的資料。而本文將說明，如何在省略前置放大器情況下，使用纮康科技[3] HY11P14單片機(jī)(SOC)來完成電子式血壓計應(yīng)用方案。
HY11P系列晶片具備高性能、高整合性規(guī)格，如圖 2，能大幅簡化方案之周邊電路：
CPU 為加強(qiáng)型精簡指令集，包含硬體乘法指令及查表指令。其晶片8KWord OTP (One Time Programmable) Type程式記憶體，512Byte資料記憶體，足夠供演算法需求。2.2V to 3.6V工作電壓範(fàn)圍，適合手持電池式產(chǎn)品使用。-40℃~85℃工作溫度範(fàn)圍更符合工業(yè)規(guī)格需求。內(nèi)建高精度可校正RC振盪器，可節(jié)省外接振盪器的零件需求。晶片具有彈性多種工作時脈切換選擇主頻率網(wǎng)路，讓使用者達(dá)到最佳省電規(guī)劃。CPU支援待機(jī)模式及睡眠模式的指令驅(qū)動功能，以進(jìn)行更有效的功率管理，在非量測中模式下更達(dá)省電效益。即使連續(xù)測量模式下，晶片功耗僅2.25mW，進(jìn)入深層睡眠模式也只有2uW的耗電，更適合本方案的節(jié)能需求。具備多重防當(dāng)機(jī)功能，對于電源系統(tǒng)有啟動重置晶片功能，維持微處理器正常工作。并有硬體堆疊滿重置與看門狗重置功能，降低因外部干擾所產(chǎn)生晶片當(dāng)機(jī)現(xiàn)象。
三 內(nèi)建高解析度全差動輸入ΣΔADC類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器：
晶片主要核心為內(nèi)建高解析度類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器，該核心整合應(yīng)用系統(tǒng)以達(dá)SOC晶片化的目的。在輸入的類比訊號不放大的設(shè)定下，ADC的性能可以高達(dá)ENOB有20bits的超高解析能力。ADC內(nèi)建可程式化增益放大器功能，間接省去傳統(tǒng)外接前置儀表放大器的功能。ADC內(nèi)建放大倍率最高達(dá)128倍率，等效可解析的RMS Noise可達(dá)小訊號100nV的分析能力。ADC在取樣頻率為250KHZ設(shè)定下，能夠完整取樣訊號資料，不僅ADC的超取樣架構(gòu)提高了訊號的解析能力，可程式化的數(shù)位超取樣選擇，也使得ADC解碼輸出率可設(shè)定成從8HZ到1KHZ的訊號輸出速度，足以符合250HZ以內(nèi)的取樣頻寬。而在程式設(shè)定輸出率約244HZ狀態(tài)下，ADC輸入訊號最小解析能力還可以達(dá)0.56uVms，足以分析出微小壓力感測器的訊號輸出範(fàn)圍。一般血壓計壓力感測器靈敏度約 50uV/mmHg，相對于ADC解析度而言，等效每mmHg約有10倍的解析能力。終端的二階疏狀濾波器搭配超取樣架構(gòu)也扮演了低通濾波的功能。
內(nèi)建低電壓14段檢測功能，即時提示電池使用量。同時也可以利用ADC前置網(wǎng)路通道，進(jìn)行實(shí)際電壓測量顯示功能。內(nèi)建多達(dá)80點(diǎn)數(shù)的LCD液晶驅(qū)動顯示，滿足該方案下的各血壓值顯示、時鐘模式及其他額外功用點(diǎn)數(shù)顯示功能。內(nèi)建液晶驅(qū)動電壓的升壓設(shè)計，即使在電源電壓為低電壓下，液晶驅(qū)動器顯示明亮度一樣可被使用者所接受。多樣化的數(shù)位功能支援，達(dá)到完整的數(shù)位控制方案：
豐富的多功能數(shù)位週邊，可以有更多的應(yīng)用想像空間，包含有8-bit Timer A、16-bit Timer B、8-bit Timer C模組及內(nèi)建支援?dāng)?shù)位訊號比較模組、擷取模組、脈衝寬度調(diào)變PWM(Pulse-width modulation)模組及頻率調(diào)變PFD(Pulse-frequency divider)功能等。其內(nèi)建的串列通訊SPI模組與RS232模組，更適合于PC通訊的一個橋樑。
叁、測量線路說明:
電子式血壓計中，感測器扮演一個很重要的角色。當(dāng)心臟跳動時血管壁的震動需要通過感測器來轉(zhuǎn)換成電信號，而血壓計使用的壓力傳感器多為半導(dǎo)體製程電阻式的壓力傳感器，其傳感器電阻溫飄係數(shù)將近為1000PPM/℃等級，因此在系統(tǒng)設(shè)計時，多使用了運(yùn)算放大器產(chǎn)生一個定電流源系統(tǒng)，來提高傳感器的穩(wěn)定度及降低漂移量。圖 3為使用外接放大器來完成壓力傳感器定電流迴路。
使用纮康科技高解析度全差動輸入ΣΔADC類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器進(jìn)行訊號取樣時，只要再外接參考電阻(Rf)，配合ΣΔADC輸入訊號與參考訊號比例計算法，就可以輕鬆完成定電流控制迴路效果，如圖 4，而不需再設(shè)計一般連接運(yùn)算放大器的方式。而式 1說明ΣΔADC數(shù)位輸出碼等效公式，可得知由輸入待測電壓差(ΔVIN=SI+ - SI-)與ΣΔADC參考電壓差(ΔVREF=VR+ - VR-)之比例關(guān)係。而式 2分別計算圖 4中的ΔVIN、ΔVREF，因此計算出的結(jié)果相同于外接放大器所求得定電流迴路效果，只與ΔR(壓力傳感器差動變化量)及Rf(參考電阻)有關(guān)。因此 Rf只選用一般電組，其溫飄系數(shù)約只有50PPM/℃左右，其測量結(jié)果也只受Rf與當(dāng)下ΔVR變化影響，因此大幅降低壓力傳感器所貢獻(xiàn)的溫度漂移量。
四、測試結(jié)論:
整個系統(tǒng)的測量線路，只需要傳感器配合參考電阻就完成定電流效果，壓力傳感器的差動訊號直接輸入ΣΔADC網(wǎng)路中，只需要單通道網(wǎng)路連接，透過ΣΔADC內(nèi)置可程式放大器(PGA、ADGN)即可進(jìn)行訊號放大與取樣。當(dāng)系統(tǒng)將壓脈袋加壓時，即開始進(jìn)行訊號取樣，在判斷不到壓脈波變化之后，則啟動洩?dú)忾y降壓。在此時，HY11P高解析度ΣΔADC則能輕易測量差動變化量，即使在升壓過程中，仍可以準(zhǔn)確測量壓力值和共振振幅。
一般電子血壓計會經(jīng)過前置放大器進(jìn)行訊號處理與濾波，將訊號分辨成血壓訊號(DC Signal)及振盪法所測得共振振幅訊號(AC Signal)，透過DC+AC雙路測量通道分別進(jìn)行訊號取樣，并經(jīng)過數(shù)位濾波演算法計算出血壓值。而HY11P系列內(nèi)建高解析度ΣΔADC，便于將傳感器輸出直接連接ΣΔADC類比網(wǎng)路，無須外接前置放大器，也不用切換測量網(wǎng)路，只要透過單通道測量方法，即可測得塬始的DC+AC訊號。圖 5則簡單說明了HY11P ΣΔADC直接轉(zhuǎn)換出從傳感器輸出差動訊號的塬始取樣資料。圖 6說明，透過了軟體設(shè)計數(shù)位濾波演算法，建立高通濾波功能及積分演算方式，就能將圖 5的塬始資料輕易計算出共振振幅訊號。有了共振信號后，搭配周邊壓脈袋容量、材質(zhì)等判斷校正后，則可以計算出平均壓，進(jìn)而計算出收縮壓與舒張壓等壓力值資料。
五、參考電路:
圖 7 電子血壓計應(yīng)用電路說明血壓計應(yīng)用方案，除既有電源系統(tǒng)、幫浦控制、周邊控制與顯示外，訊號測量區(qū)塊(如圖 7 電子血壓計應(yīng)用電路 Sensor Measurement)，已經(jīng)大幅減少所需零件。訊號處理的設(shè)計不再復(fù)雜繁瑣，簡化的測量線路不僅降低許多外來干擾因素，也減輕PCB佈局的設(shè)計考量。單通道的測量方法，高精度的訊號取樣都保留了塬始信號的準(zhǔn)確度，大幅度降低雙通道濾波測量與網(wǎng)路切換造成的訊號失真并間接簡化系統(tǒng)設(shè)計面積與成本。
[1] J. G. Webster, Medical Instrumentation – Application and Design, 3rd edition, John Wiley & Sons, Inc., pp.317-328, 1998.
[2] 蔡建新、張唯真，“生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)”，北京大學(xué)出版社，1997。 