數(shù)字化血壓監(jiān)護(hù)讓內(nèi)科醫(yī)生診斷出高血壓并幫助他們的病人使高血壓得到控制。便攜式血壓監(jiān)護(hù)儀能讓病人在家里無需醫(yī)生就可以經(jīng)濟(jì)地測量血壓，從而有助于早期診斷和高血壓控制。家庭監(jiān)護(hù)也可以幫助內(nèi)科醫(yī)生區(qū)分白大褂高血壓（診斷室內(nèi)血壓始終增高而診斷室外血壓正常）和真正的高血壓。表1說明了人們對高血壓的認(rèn)識和控制在過去幾十年間得到的改善。該表由美國國家高血壓預(yù)防檢測評估和治療委員會在2004年的第七份報告中給出。
這篇文章包括了基本的血壓監(jiān)護(hù)以及精確的模數(shù)轉(zhuǎn)換，后者在任何測量系統(tǒng)中都被視為最困難的挑戰(zhàn)。高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADCs)提供了好的粒度（納伏級的ADC分辨率）但并不提供高的精度，因為誤差會很大。然而，廣泛的ADC技術(shù)（例如：過采樣和校準(zhǔn)）可以被用來增加應(yīng)用中測量結(jié)果的精度。
血壓監(jiān)護(hù)儀
血壓監(jiān)護(hù)儀是當(dāng)血液被泵離心臟時用來測量動脈壓力的設(shè)備。典型的，從一個使用者的角度來說，這個監(jiān)護(hù)儀包括一個可充氣的袖套用來限制血流和一個壓力計來測量血壓。從一個系統(tǒng)設(shè)計者的角度來說，一個血壓監(jiān)護(hù)儀要復(fù)雜得多。它的組成部分包括：電源，電機(jī)，貯存器，壓力傳感器和用戶接口（包括顯示屏，小鍵盤或觸摸板，發(fā)聲裝置，以及可選的USB或ZigBee®通訊接口）
圖1說明了飛思卡爾的血壓監(jiān)護(hù)儀的參考設(shè)計RDQE128BPM。它演示了如何通過飛思卡爾的產(chǎn)品在信號獲取，數(shù)據(jù)通訊和處理方面的能力，各個產(chǎn)品之間的相互工作實現(xiàn)一個完整的醫(yī)療手持式方案。
血壓在血管收縮和舒張的過程中不停變化。血管收縮壓是動脈中的峰值壓力，它在心律周期接近開始時候發(fā)生，此時心室在收縮。血管舒張壓是動脈中的最小壓力，它在心律周期接近結(jié)束時發(fā)生，此時心室充滿了血液。一個健康的，平靜的成年人的典型血壓測量值是：收縮壓115毫米汞柱(mmHg)(15千帕斯卡[kPa])和舒張壓75毫米汞柱(mmHg)(10千帕斯卡[kPa])。SBP和DBP動脈血壓不是固定不變的的，一天中的一次心跳和另一次心跳之間的血壓值也在不斷變化。同時血壓也會因為壓力，營養(yǎng)，藥物，疾病和鍛煉的影響而改變。
如何進(jìn)行血壓測量
當(dāng)包裹著患者手臂周圍的袖套被慢慢放走時，袖套中壓力的小變化（圖2的紅色曲線）可以被察覺。這些壓力的波動由患者的心律周期產(chǎn)生，接著它通過一個1Hz的高通濾波后被放大和偏移，產(chǎn)生了灰色的血壓曲線。這個新信號就是心跳信號。
測量SBP和DBP能幫助診斷通常的高血壓，但是僅僅靠臨床監(jiān)護(hù)不能區(qū)分兩種通常類型的高血壓。
原發(fā)性高血壓
原發(fā)性高血壓是沒有明確的原因或可被糾正的原因而引起的高血壓。對原發(fā)性高血壓的判斷是收縮壓（SBP）持續(xù)高于140mmHg或舒張壓持續(xù)高于90mmHg。
白大褂高血壓(環(huán)境刺激型高血壓)
白大褂高血壓是指僅當(dāng)處在不同于一般家庭環(huán)境的高度壓力的環(huán)境中而顯現(xiàn)的高血壓癥狀，如：在診所或醫(yī)生辦公室（這就是“白大褂”的出處）引發(fā)的高血壓癥狀?；加邪状蠊痈哐獕旱娜嗽谠\所環(huán)境下測量的血壓讀數(shù)偏高（SBP高于140mmHg，或DBP高于90mmHg），但是離開診所后血壓讀數(shù)就恢復(fù)正常了。白大褂高血壓可能被誤診為原發(fā)性高血壓，這導(dǎo)致了不必要的治療和額外保險費用的增加。為此，醫(yī)學(xué)專家們通常建議在家進(jìn)行幾周的測量以確定診斷結(jié)果。因此，手提式，易于使用的血壓計在家庭里變得普及。
患有白大褂高血壓的人比一般無任何高血壓癥狀的人更容易在未來發(fā)展成原發(fā)性高血壓。這同其他的風(fēng)險因素（如吸煙，高膽固醇）結(jié)合在一起，令家庭式的監(jiān)護(hù)設(shè)備系統(tǒng)需求量增加。
治療高血壓的藥物有許多，內(nèi)科醫(yī)生可以選擇結(jié)合在一起使 用，包括：
- ACE抑制劑(血管緊張素酶轉(zhuǎn)化抑制劑)和血管緊張素II受體抗劑，它們避免了血管狹窄
- 阿爾法α阻滯藥和貝它β阻滯藥，他們能令血管和心臟相對放松
- 鈣通道阻滯藥，它能幫助擴(kuò)張血管，促進(jìn)血流
- 利尿劑能幫助驅(qū)除提內(nèi)多余的鹽份和液體
除了遵照醫(yī)療治療計劃之外，病人必須主動改變生活方式和飲食，并采用治療性放松技術(shù)來幫助減低高血壓。無論使用哪種醫(yī)學(xué)手段，或改變哪些生活習(xí)慣，連續(xù)血壓監(jiān)護(hù)都是有效治療的普遍基礎(chǔ)。醫(yī)生需要準(zhǔn)確，實時的病情信息，以改變治療的方案。這意味著如果患者希望過一種相對正常的生活，他（或她）就應(yīng)該在診所以外擁有血壓監(jiān)護(hù)設(shè)備。
如果我們希望高血壓患者在家中或是旅行途中能夠有效的進(jìn)行血壓測量，那么血壓計就必須袖珍便攜，并且使用過程不需要過多額外的指導(dǎo)。今天先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)能提供更為準(zhǔn)確，可靠，經(jīng)濟(jì)的半導(dǎo)體器件，這能幫助患者更好的監(jiān)視他們的高血壓，因此實施更有效的治療并改善飲食和不良的生活方式。
模數(shù)轉(zhuǎn)換精度
如圖1所述，微控制器(MCUs)和壓力傳感器是血壓計的核心技術(shù)。RDQE128BPM參考設(shè)計方塊圖也說明了在這一應(yīng)用中最重要的MCU模塊是ADC。飛思卡爾控制器片上的ADC模塊是逐次逼近式ADC(見圖3)。包含用于獲取輸入電壓的采樣鎖存電路、一個比較器、一個逐次逼近式寄存器子電路和一個內(nèi)部參照電壓電容式數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。DAC提供了比較器一個模擬電壓，它等值于從漸近式寄存器(SAR)輸出的數(shù)字編碼，這個模擬電壓是為了和VIN相比較。
類似于血壓監(jiān)護(hù)儀這樣的應(yīng)用需要測量很小的信號。因此ADC分辨率通常是一個關(guān)鍵參數(shù)（如，10-比特，12-比特 或16-比特分辨率），這也是為應(yīng)用設(shè)計選擇MCU的重要因素。同樣重要的還有ADC的精度。記住所有的ADC有其固有的不準(zhǔn)確性，因為他們通過離散的步驟（這一過程被稱為量化）來數(shù)字化信號。因此，數(shù)字輸出不能完美的反映模擬輸入信號。例如，一個1 2 -比特的轉(zhuǎn)換器將為一個最大5V的輸入電壓提供一個1.22mV最低有效位(LSB)。因此，ADC僅能將數(shù)值數(shù)字化到1.22mV的倍數(shù)：1.22mV,2.44mV,3.66mV等。在這個例子中，它表明一個最佳測量永遠(yuǎn)不能比±0.5個最低有效位LSB(±610μV)更為精確。
不幸的是，一些其他嵌入式ADC特性引入了誤差并降低了其精度，這些特性包括：偏移，增益，溫度漂移和非線性性。一些ADC例如在飛思卡爾新的Flexis™產(chǎn)品上使用的16-比特ADC具有通過校準(zhǔn)減低偏移和增益誤差的能力。ADC通道上的片上溫度傳感器，許多ADC具有測量芯片溫度的能力，這使溫度補償?shù)靡跃唧w化。
一個ADC有效比特位(ENOB)是分辯率和精度的真實指標(biāo)。這個數(shù)值表明了在一個特定系統(tǒng)中有多少比特提供了準(zhǔn)確信息。它可以通過下面的公式計算：
ENOB = (SNR - 1.76 dB)/6.02 dB
這里，信噪比(SNR)是在有意義信息（信號）和背景噪音（噪音或誤差）之間的比率。信噪比值不僅受到ADC設(shè)計和芯片集成的影響，也受到印刷電路板(PCB)設(shè)計、布線和所選附加離散元器件的影響。一個大的信噪比值意味著更多的信號是數(shù)據(jù)并且誤差很小，這能改進(jìn)當(dāng)測量微伏級變化的信號時測量結(jié)果的精度。小的信噪比意味著信號淹沒在系統(tǒng)噪聲中，精度受到了影響。
提高精度的技術(shù)
在一個A D C的輸入端增加少量受控的“抖動”噪聲信號(0.5LSB高斯白噪聲)，能夠影響一個信號在最接近最小分辨率的一位上向變動，通過這種方法就避免了再去四舍五入。轉(zhuǎn)換的最低有效位（LSB）的狀態(tài)隨機(jī)在0~1之間抖動，而不是固定在一個數(shù)值上。通過引入微小噪聲，我們擴(kuò)展了ADC能夠轉(zhuǎn)換信號的有效范圍，而不是簡單去除了在這個低水平上的所有信號（僅被量化成一比特的分辨率）。同樣地，這在整個范圍內(nèi)都引入了量化誤差。抖動僅僅增加了分辨率，改善了線性度，但是并沒有提高精度。然而，通過在信號里增加1-2位最低有效位（LSB）的噪聲并且采用過采樣的技術(shù)是可以提高精度的。
當(dāng)增加人工噪聲到一個信號時，重要的是要記得噪聲的平均值必須是零。然而，許多系統(tǒng)具有其他來源的白噪聲，包括熱噪聲，CPU核，開關(guān)端口和電源中的變化。血壓監(jiān)護(hù)儀尤其易于產(chǎn)生白噪聲，比如氣泵產(chǎn)生的電磁干擾，振動等，這些能被PCB和微處理器所吸收。
過采樣是通過一個比Nyquist采樣頻率顯著提高的采樣率來采集信號的過程。實際上，過采樣被用來獲取便宜的高分辯的ADC轉(zhuǎn)換器。例如，進(jìn)行一個16-比特轉(zhuǎn)換，使用一個運行于256倍目標(biāo)采樣率的12-比特的轉(zhuǎn)換器就足夠了。對每一個附加分辨率比特，信號必須過采樣4倍。一組256個連續(xù)的12-比特采樣的平均結(jié)果在分辨率上增加了4個比特，這樣就產(chǎn)生一個16比特的分辨率。因為現(xiàn)實世界的ADC不能進(jìn)行不間斷的轉(zhuǎn)換，輸入值應(yīng)當(dāng)在轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間保持一定。
采樣和保持電路通過這樣的方法來完成這一任務(wù)：用一個電容貯存輸入端的模擬電壓，并用一個電子開關(guān)來使電容從輸入端斷開。使用設(shè)置好最適合輸入信號的采樣和保持時間的ADC將幫助改進(jìn)轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度。
還有4個可以管理的誤差來源：偏移，增益，漏電流和較小范圍的溫度。一些嵌入式MCU片上的ADC模塊，例如在一些新的飛思卡爾Flexis產(chǎn)品上的16-比特ADC，具有硬件校準(zhǔn)特性，能在代碼執(zhí)行期間反復(fù)進(jìn)行校準(zhǔn)。不具有硬件校準(zhǔn)的嵌入式的ADC模塊仍然能進(jìn)行校準(zhǔn)，但這必須在工廠中完成，或者有為產(chǎn)品設(shè)計的方案。
校準(zhǔn)是一個3步驟的過程：
- 1. 配置ADC
- 2. 開始校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換并等待轉(zhuǎn)換完成
- 3. 進(jìn)行偏移和增益校準(zhǔn)
偏移和增益校準(zhǔn)值能夠根據(jù)結(jié)果被減小或放大。這能在軟件或在一些已實現(xiàn)的ADC硬件中完成。例如為監(jiān)護(hù)應(yīng)用設(shè)計的最新飛思卡爾Flexis產(chǎn)品里的16位ADC。
輸入的偏移是三個需要補償?shù)膩碓粗凶钊菀滋幚淼?。對一個單端輸入的轉(zhuǎn)換，輸入可以參考同樣的內(nèi)部電壓。這應(yīng)當(dāng)能產(chǎn)生一個零結(jié)果。如果結(jié)果不是零，這就是偏移值，它必須從ADC結(jié)果中減去。如果使用差分轉(zhuǎn)換模式，偏移值能夠通過在兩個輸入引腳上變換同樣信號來找到。
一旦偏移值已知，ADC的增益能夠從滿量程誤差中找到。這是在最大量程的理想輸出值(如12-比特ADC中的0xFFF)與偏移值為零時實際輸出值之間的差值。
圖5顯示了從接地到滿量程一個未校準(zhǔn)的斜線（黑色）對應(yīng)理想斜線（紅色）的偏移和增益被夸大的效果。在應(yīng)用中取決于準(zhǔn)確的ADC結(jié)果，例如血壓監(jiān)護(hù)儀，它被要求指示微小的讀數(shù)變化(μV)，校準(zhǔn)應(yīng)該經(jīng)常進(jìn)行，至少在每個重起之后。如果一個硬件功能不存在，校準(zhǔn)可以通過設(shè)計接地和VDD輸入到應(yīng)用部分，在每次轉(zhuǎn)換后減去偏移并乘以計算的增益來獲得。
還有一種輸入誤差的來源，它通常被忽略，但卻很重要。在輸入引腳上的漏電流能引起在輸入端輸入電阻上的壓降。這一誤差可以是在這些電池電壓和溫度檢測電路中最低有效位LSB的數(shù)十倍，如果模擬DC輸入阻值高，它使用高的電阻電壓分壓來形成模擬參考值。最好的消除這一誤差的方法是在設(shè)計者的控制下減少模擬DC源電阻和任何形式的泄漏。一個運算放大器作為輸入電壓的緩沖能夠減少模擬DC源的電阻。
MCU晶元的溫度可以對ADC結(jié)果有影響。這是因為ADC的特性隨溫度變化而變化，同樣也隨MCU感應(yīng)噪聲，功耗和頻率變化而變化。然而，溫度是一個慢變因素。一個血壓監(jiān)護(hù)儀的常規(guī)的重復(fù)校準(zhǔn)被設(shè)計在應(yīng)用代碼中，這使用戶不用考慮理想條件，使溫度的影響最小。然而，在工廠中的完全校準(zhǔn)（其結(jié)果貯存在存儲器的查詢表中）能夠幾乎消除溫度的影響。許多ADC具有片上溫度傳感器，它們可以用來監(jiān)控溫度使調(diào)節(jié)可以進(jìn)行。數(shù)據(jù)手冊通常給出溫度傳感曲線，表示為mV/℃來指示典型的特性。
非線性幾乎是一個無法被校準(zhǔn)的因素，因為它通常是模塊設(shè)計中所固有的。在每個編碼轉(zhuǎn)換之間的電壓差應(yīng)該等于1LSB。因此，非線性是指編碼步長的不規(guī)則間隔，它導(dǎo)致一些信號變形。
結(jié)論
數(shù)字化血壓監(jiān)護(hù)儀幫助醫(yī)生診斷并幫助患者控制高血壓。準(zhǔn)確的血壓監(jiān)護(hù)不論在醫(yī)療中心和在家庭中都是很重要的，尤其是當(dāng)診斷白大褂高血壓和原發(fā)性高血壓的時候。
在任何測量系統(tǒng)中最困難的挑戰(zhàn)是將現(xiàn)實世界中的模擬信號轉(zhuǎn)換到嵌入式控制器的數(shù)字域的精度。高分辨率ADC提供了好的分辨率結(jié)果（LSB指示nV的變化）但是不能提供必要的高精度。不同的ADC技術(shù)，例如過采樣和抽取式濾波，校準(zhǔn)，漏電流控制和溫度補償，可以被用來增加基于測量的應(yīng)用中的精度和有效比特位。
飛思卡爾嵌入式控制器ADC具有高度集成的功能，從而使設(shè)計者能夠用這些功能適應(yīng)客戶的應(yīng)用特性，獲得高精度的測量。在最新的Flexis產(chǎn)品系列中的16-比特ADC能使開發(fā)者通過調(diào)節(jié)ADC的偏移和增益提高精度，而不增加系統(tǒng)硬件和軟件的要求。
飛思卡爾血壓監(jiān)護(hù)儀器參考設(shè)計演示了飛思卡爾的FlexisQE128，JM為控制器，傳感器，和模擬產(chǎn)品在信號獲取，數(shù)據(jù)通訊和處理方面的能力，他們在一起實現(xiàn)了一個完整的醫(yī)療手持式方案。