引言
高血压是严重威胁人类身体健康的慢性疾病之一。动脉血压作为人体最重要的生命指征之一, 对高血压疾病的诊断、危重病人的监护具有重要的价值。由于动态血压比偶测血压具有较多优势因而得到了越来越广泛的应用, 目前国内已研究开发出一些动态血压监测Holter 系统[1 - 3 ] 。近年来, 随着医疗体制改革的深入, 社区医疗、家庭护理模式正逐步兴起, 迫切需要大量适用于家庭、社区诊所使用的医疗设备, 而具有远程通信能力是这类设备的共同特征。针对现有血压Holter 缺乏远程的传输能力, 存储空间有限的问题, 最近我们结合掌上电脑小巧灵活、计算能力较强、支持远程通信的特点,研制成功了一种具有远程传输能力的新型血压Holter。本文介绍整个系统的设计与实现。
1 总体设计
血压测量方法目前主要有柯氏音法和振动法(oscillometric method) 两种。由于振动法较柯氏音法具有抗干扰能力强, 测量可靠, 便于实现血压自动检测的优点, 本研究选择采用了振动法[3 ] 。为了增加仪器的远程传输和存储能力, 本研究进一步引入了掌上电脑。整个血压Holter 由血压检测模块和掌上电脑两部分组成。其中, 检测模块是一内置微处理器的智能模块, 负责气泵的充放气控制和袖套内压力信号的检测、放大与采集; 掌上电脑负责充放气阈值与测量间隔等测量参数的设置, 血压波形数据分析、存储以及记录波形、数据的回放和远程传输。我们选用的是联想天玑2000 掌上电脑, 它的主要配置为32 位RISC、主频为75MHz 的Philips PR31700 处理器, 8M 随机存储器(RAM) , 16M 只读存储器(ROM) 和240 ×320 带EL 背景光和压感输入的液晶屏幕。其它配置包括内置麦克风、扬声器及33.6Kbps 软Modem , RS232 扩展口以及手写输入笔等。此外, 整机不含电池重量仅为230 克。上述配置能很好地满足血压参数远程监测的要求。图1 为整个血压Holter 的功能框图, 检测模块与掌上电脑之间通过RS232 接口实现通信, 而掌上电脑利用其内置调制解调器, 通过电话线与中心站服务器建立远程通信。
2 硬件设计
整个硬件电路由压力信号检测、充放气控制、微处理器和通信接口电路各部分组成。这里重点介绍血压信号检测电路、微处理器和电源电路。
2.1 血压信号检测电路
由于血压信号幅度小, 压力传感器的选择十分关键。我们选用美国SMI 公司生产的SMI5310 表面安装微型压力传感器, 测压范围为0～5psi ( (0～35kPa) , 具有灵敏度高、稳定性好的优点, 能很好满足血压测量范围的要求。由于测量时压力传感器获得的信号是袖带充放气和动脉搏动产生的复合压力信号, 且脉搏波信号远小于充放气产生的压力信号, 为了提取血压信号, 我们进一步设计了血压检测电路(图2) 。压力传感器输出信号首先被送到前置放大器放大。AD620 是一种高性能仪表放大器, 它具有精度高、功耗低、共模抑制比高、增益控制简单的特点, 非常适合于生理信号放大以及在电池供电条件下使用。因此, 我们选择作为前置放大器。根据压力传感器满量程输出电压和后述APD转换器输入量程电压, 最后确定前置放大器的放大倍数为25 倍。为了消除由于病人活动可能给测量带来的影响, 前置放大器输出信号被送到低通滤波器, 消除高频干扰。低通滤波器输出一路被送到APD 转换器通道1 , 另一路被继续送到高通滤波器, 检出的脉搏波信号最后经放大后被送到APD转换器通道2。这里我们充分利用了混合信号中脉搏波信号和袖带充放气压力信号在频率和幅度上的差异。由于脉搏波信号远小于袖带充放气压力信号, 因此低通滤波器输出可直接作为监测袖套内“静态”压力的指征。而由于充放气压力信号的频率比较低, 因此利用高通滤波器就可以从混合信号中方便地检出脉搏波信号。上述各放大和滤波电路均采用通用运算放大器LM324 , 这样只用一片IC就可实现血压信号的检测。最后, 确定低通和高通滤波器的截止频率分别为20Hz 和0.5Hz。
2.2 微处理器
微处理器是整个血压检测模块的中心, 它实现充放气控制、血压信号实时采集处理、数据存储以及与掌上电脑之间的数据传输。为了满足上述要求, 同时考虑到血压Holter 长时间工作和随身携带的特点, 最后我们选用了美国TI 公司新近推出的MSP430F149 微处理器[4 ] 。该微处理器具有低电压工作、多种省电工作模式、内置多路12 位高速APD 转换器、Flash 存储器、双路定时计数器、UART通信接口和支持现场编程等突出特点。这些使得它非常适合应用于信号采集系统、电池供电便携式装置、超长时间连续工作的设备等领域。本仪器中我们利用Timer A 和Timer B 定时中断, 结合APD 转换器通道1 和通道2 记录袖带内和脉搏波压力信号, 利用PORTA. 1 和PORTA. 2 两个IPO 口去控制气泵的充气和气阀的放气, 利用UART 串行接口实现与掌上电脑的数据通信。
2.3 电源设计
血压Holter 属于电池供电、超长时间连续工作的便携式仪器, 电源设计十分重要。本研究采用2节5 号电池, 结合升压与稳压器件, 确保了系统的长时稳定供电。首先利用高效率低噪音电荷泵DC- DC 变换器TPS60100 将宽输入范围1.8～3.6V 变换到3.8V。然后, 利用低压差线性稳压芯片TPS76033 产生3.3V 稳压, 其输出送到ADM660 产生- 3.3V 稳压, 作为运算放大器的负电源。
3 软件设计
整个血压Holter 软件包括微处理器和掌上电脑两部分。为了提高开发效率, 微处理器程序采用嵌入式C 语言编程, 它实现充放气控制、数据实时采集和传送。掌上电脑程序在Win CE310 中文操作系统上采用Microsoft Embedded Visual Tools 开发, 它实现测量参数设置、波形实时分析、波形浏览、参数统计与远程传输。血压测量时微处理器和掌上电脑的程序流程框图分别如图3A 和图3B 所示。下面我们介绍血压测量数据采集、分析和电源管理和远程数据传输。
3.1 数据采集
掌上电脑进入测量程序后, 设置充放气阈值和测量间隔时钟, 定时通过串口向微处理器发出测量指令, 唤醒微处理器使其从低功耗等待状态进入正常工作状态。微处理器首先通过IPO 口启动气泵、关闭气阀给袖带充气, 期间通过定时器Timer A 中断启动APD 转换器通道1 监测袖带内压力变化; 待袖套内压力达到预设充气阈值后, 微处理器关闭气泵, 袖带由于气路中设计的“针孔”而缓慢放气,期间微处理器又通过定时器Timer A 和Timer B 中断分别启动APD 转换器通道1 和通道2 记录袖带内压力信号和脉搏波信号, 并将脉搏波数据存入微处理器的Flash memory 中; 待袖套内压力降到放气预设值后, 微处理器打开气阀, 快速释放袖带内的气体, 将Flash Memory 记录的脉搏波数据传送给掌上电脑, 最后将工作时钟切换到低频晶振, 重新进入低功耗等待模式。
3.2 数据分析
掌上电脑接收到微处理器送来当次测量信号后, 对波形进行分析, 计算出收缩压、舒张压和平均压, 并将测量时刻、测得参数和波形一起存储。根据比例法动脉血压测定原理, 脉动压力波包络的最大值幅度Am 与拐点幅度As、Ad 之间有比例关系[5 ] :
AsPAm = C1 (1)
AdPAm = C2 (2)
其中: C1 、C2 为常数。因此, 只要知道滤波后压力脉动波脉幅Ai 及相应的静压Pi , 由上式即可计算收缩压和舒张压。在实现过程中, 为使Am测量准确, 避免伪脉冲, 取脉动压力波符合条件的连续三个最大脉冲的均值作为Am。并在检测过程中作条件判断[6 ] , 排除测量过程中的异常情况。结果表明该算法具有较强的抗干扰能力。
3.3 电源管理
除了在硬件方面尽可能选用低电压、低功耗器件外, 我们充分利用了MSP430 微处理器提供的低功耗特性, 在软件上对微处理器各模块的运行实现智能化管理, 进一步降低仪器的功耗。MS430F149具有6 种工作模式(1 种活动模式(AM) 和5 种低功耗模式(LPM0～LMP4) , 通过对SR (状态寄存器) 中的SCG1、SCG0、OSCOFF、CPUOFF、GIE 位的控制进入低功耗模式之一或返回活动状态。这些位分别控制系统时钟发生器、CPU 及中断。其中,为了配合低功耗设计, MSP430 专门设计了LFXT1低频晶振、XT2 高频晶振和DCO 数控振荡3 个时钟发生器, 分别形成ACLK、MCLK和SMCLK 3 个不同频率的时钟信号。在实际使用时通过禁止CPU , 关闭、暂停或切换工作模块的时钟来有效实现MSP430 低功耗特性, 而MSP430 独特的中断唤醒设计又使得其能在有外部事件触发时将CPU 从各种低功耗模式中唤醒, 选择正常工作时钟控制微处理器进入正常活动模式。在血压Holter 记录过程中, 由于绝大部分时间微处理器处于空闲等待状态, 因此, 我们充分利用了MSP430 微处理器的上述特性, 在此期间让CPU 和外部功能模块处于休眠低功耗状态, 而开始测量时利用串行通讯中断唤醒CPU , 它再选择正常工作时钟, 启动各功能模块开展工作。
3.4 远程数据传输
目前常用的网络传输协议主要有TCPPIP 和UDP 两种。考虑到血压Holter 数据传输的非实时性和TCPPIP 协议的高可靠特性, 我们选择采用了TCPPIP 传输协议。进一步我们采用客户机P服务器通信模式, 将血压Holter 作为客户机, 医院远程医疗中心计算机作为服务器。当某血压Holter 完成记录需要传输数据时, 运行远程数据程序功能模块,向远端服务器提出建立连接申请。服务器应用程序通常处于“监听”状态, 一旦接到客户机的申请,即对其进行身份验证, 认证成功后, 接收数据, 存入数据库。整个通信程序由WinSock 实现。
4 结论与讨论
掌上电脑是近年来计算机技术高速发展随之出现的一种新型微型计算机系统, 十分适合开发各种便携式医疗数据收集、信息检索咨询设备。本研究利用掌上电脑, 结合生理参数检测技术、微电子技术和信号处理技术研制成功的血压Holter 较好地解决了现有设备缺乏远程传输能力, 应用范围受限的问题, 可广泛地用于社区诊所、家庭病房、医院等多种场合血压信息的收集, 应用前景十分广阔。该设备已先后在重庆市北碚国家可持续发展实验区老年人康复中心、重庆市大坪医院等单位试用, 取得了满意的效果。设备的主要技术指标: 1) 测量原理: 振动法; (2) 测量参数: 收缩压、舒张压、平均压; (3) 袖带充气时间: 10～30s 可选; (4) 测量间隔: 1～60mins 任意设置; (5) 测量范围:2.67～36.0kPa (20～270mmHg) ; (6) 传输波特率:9600 , 19200bps 可选。
便携化、网络化是现代医学智能测量设备的重要发展方向, 本研究结合血压监测在这方面作出了一些有益的探索, 下一步将在完善现有设备的基础上, 实现与社区监护网络、医院HIS 系统的集成,使其真正为医疗、临床服务。
参考文献
1 甄斌, 孙咏梅, 巩欣洲, 等. 便携式血压Holter 系统的研制.中国医疗器械杂志, 1996 , 20 (6) : 333～335
2 何庆华, 廖维宏. 振动法无创血压测量. 医疗卫生装备, 1997 ,18 (6) : 17 - 19
3 甄斌, 周永进, 王素品. 示波法血压测量的实现与讨论. 生物医学工程学杂志, 1999 , 16 (1) : 42～45
4 胡大可主编. MSP430 系列超低功耗16 位单片机原理与应用.北京航空航天大学出版社, 2000
5 Swearingen JD , Waston RC. Methods and apparatus for the measurement of blood pressure. United State Patent , 4263918
6 何庆华, 吴宝明, 廖维宏, 等. 振动法血压测量中血压的判定方法. 生物医学工程学杂志, 1998 , 4 : 369～372
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