引言
高血壓是嚴重威脅人類身體健康的慢性疾病之一。動脈血壓作為人體最重要的生命指征之一, 對高血壓疾病的診斷、危重病人的監(jiān)護具有重要的價值。由于動態(tài)血壓比偶測血壓具有較多優(yōu)勢因而得到了越來越廣泛的應用, 目前國內(nèi)已研究開發(fā)出一些動態(tài)血壓監(jiān)測Holter 系統(tǒng)[1 - 3 ] 。近年來, 隨著醫(yī)療體制改革的深入, 社區(qū)醫(yī)療、家庭護理模式正逐步興起, 迫切需要大量適用于家庭、社區(qū)診所使用的醫(yī)療設備, 而具有遠程通信能力是這類設備的共同特征。針對現(xiàn)有血壓Holter 缺乏遠程的傳輸能力, 存儲空間有限的問題, 最近我們結合掌上電腦小巧靈活、計算能力較強、支持遠程通信的特點,研制成功了一種具有遠程傳輸能力的新型血壓Holter。本文介紹整個系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。
1 總體設計
血壓測量方法目前主要有柯氏音法和振動法(oscillometric method) 兩種。由于振動法較柯氏音法具有抗干擾能力強, 測量可靠, 便于實現(xiàn)血壓自動檢測的優(yōu)點, 本研究選擇采用了振動法[3 ] 。為了增加儀器的遠程傳輸和存儲能力, 本研究進一步引入了掌上電腦。整個血壓Holter 由血壓檢測模塊和掌上電腦兩部分組成。其中, 檢測模塊是一內(nèi)置微處理器的智能模塊, 負責氣泵的充放氣控制和袖套內(nèi)壓力信號的檢測、放大與采集; 掌上電腦負責充放氣閾值與測量間隔等測量參數(shù)的設置, 血壓波形數(shù)據(jù)分析、存儲以及記錄波形、數(shù)據(jù)的回放和遠程傳輸。我們選用的是聯(lián)想天璣2000 掌上電腦, 它的主要配置為32 位RISC、主頻為75MHz 的Philips PR31700 處理器, 8M 隨機存儲器(RAM) , 16M 只讀存儲器(ROM) 和240 ×320 帶EL 背景光和壓感輸入的液晶屏幕。其它配置包括內(nèi)置麥克風、揚聲器及33.6Kbps 軟Modem , RS232 擴展口以及手寫輸入筆等。此外, 整機不含電池重量僅為230 克。上述配置能很好地滿足血壓參數(shù)遠程監(jiān)測的要求。圖1 為整個血壓Holter 的功能框圖, 檢測模塊與掌上電腦之間通過RS232 接口實現(xiàn)通信, 而掌上電腦利用其內(nèi)置調(diào)制解調(diào)器, 通過電話線與中心站服務器建立遠程通信。
圖1 血壓Holter 功能框圖
2 硬件設計
整個硬件電路由壓力信號檢測、充放氣控制、微處理器和通信接口電路各部分組成。這里重點介紹血壓信號檢測電路、微處理器和電源電路。
2.1 血壓信號檢測電路
由于血壓信號幅度小, 壓力傳感器的選擇十分關鍵。我們選用美國SMI 公司生產(chǎn)的SMI5310 表面安裝微型壓力傳感器, 測壓范圍為0～5psi ( (0～35kPa) , 具有靈敏度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點, 能很好滿足血壓測量范圍的要求。由于測量時壓力傳感器獲得的信號是袖帶充放氣和動脈搏動產(chǎn)生的復合壓力信號, 且脈搏波信號遠小于充放氣產(chǎn)生的壓力信號, 為了提取血壓信號, 我們進一步設計了血壓檢測電路(圖2) 。壓力傳感器輸出信號首先被送到前置放大器放大。AD620 是一種高性能儀表放大器, 它具有精度高、功耗低、共模抑制比高、增益控制簡單的特點, 非常適合于生理信號放大以及在電池供電條件下使用。因此, 我們選擇作為前置放大器。根據(jù)壓力傳感器滿量程輸出電壓和后述APD轉換器輸入量程電壓, 最后確定前置放大器的放大倍數(shù)為25 倍。為了消除由于病人活動可能給測量帶來的影響, 前置放大器輸出信號被送到低通濾波器, 消除高頻干擾。低通濾波器輸出一路被送到APD 轉換器通道1 , 另一路被繼續(xù)送到高通濾波器, 檢出的脈搏波信號最后經(jīng)放大后被送到APD轉換器通道2。這里我們充分利用了混合信號中脈搏波信號和袖帶充放氣壓力信號在頻率和幅度上的差異。由于脈搏波信號遠小于袖帶充放氣壓力信號, 因此低通濾波器輸出可直接作為監(jiān)測袖套內(nèi)“靜態(tài)”壓力的指征。而由于充放氣壓力信號的頻率比較低, 因此利用高通濾波器就可以從混合信號中方便地檢出脈搏波信號。上述各放大和濾波電路均采用通用運算放大器LM324 , 這樣只用一片IC就可實現(xiàn)血壓信號的檢測。最后, 確定低通和高通濾波器的截止頻率分別為20Hz 和0.5Hz。
圖2 血壓信號檢測電路框圖
2.2 微處理器
微處理器是整個血壓檢測模塊的中心, 它實現(xiàn)充放氣控制、血壓信號實時采集處理、數(shù)據(jù)存儲以及與掌上電腦之間的數(shù)據(jù)傳輸。為了滿足上述要求, 同時考慮到血壓Holter 長時間工作和隨身攜帶的特點, 最后我們選用了美國TI 公司新近推出的MSP430F149 微處理器[4 ] 。該微處理器具有低電壓工作、多種省電工作模式、內(nèi)置多路12 位高速APD 轉換器、Flash 存儲器、雙路定時計數(shù)器、UART通信接口和支持現(xiàn)場編程等突出特點。這些使得它非常適合應用于信號采集系統(tǒng)、電池供電便攜式裝置、超長時間連續(xù)工作的設備等領域。本儀器中我們利用Timer A 和Timer B 定時中斷, 結合APD 轉換器通道1 和通道2 記錄袖帶內(nèi)和脈搏波壓力信號, 利用PORTA. 1 和PORTA. 2 兩個IPO 口去控制氣泵的充氣和氣閥的放氣, 利用UART 串行接口實現(xiàn)與掌上電腦的數(shù)據(jù)通信。
2.3 電源設計
血壓Holter 屬于電池供電、超長時間連續(xù)工作的便攜式儀器, 電源設計十分重要。本研究采用2節(jié)5 號電池, 結合升壓與穩(wěn)壓器件, 確保了系統(tǒng)的長時穩(wěn)定供電。首先利用高效率低噪音電荷泵DC- DC 變換器TPS60100 將寬輸入范圍1.8～3.6V 變換到3.8V。然后, 利用低壓差線性穩(wěn)壓芯片TPS76033 產(chǎn)生3.3V 穩(wěn)壓, 其輸出送到ADM660 產(chǎn)生- 3.3V 穩(wěn)壓, 作為運算放大器的負電源。
3 軟件設計
整個血壓Holter 軟件包括微處理器和掌上電腦兩部分。為了提高開發(fā)效率, 微處理器程序采用嵌入式C 語言編程, 它實現(xiàn)充放氣控制、數(shù)據(jù)實時采集和傳送。掌上電腦程序在Win CE310 中文操作系統(tǒng)上采用Microsoft Embedded Visual Tools 開發(fā), 它實現(xiàn)測量參數(shù)設置、波形實時分析、波形瀏覽、參數(shù)統(tǒng)計與遠程傳輸。血壓測量時微處理器和掌上電腦的程序流程框圖分別如圖3A 和圖3B 所示。下面我們介紹血壓測量數(shù)據(jù)采集、分析和電源管理和遠程數(shù)據(jù)傳輸。
3.1 數(shù)據(jù)采集
掌上電腦進入測量程序后, 設置充放氣閾值和測量間隔時鐘, 定時通過串口向微處理器發(fā)出測量指令, 喚醒微處理器使其從低功耗等待狀態(tài)進入正常工作狀態(tài)。微處理器首先通過IPO 口啟動氣泵、關閉氣閥給袖帶充氣, 期間通過定時器Timer A 中斷啟動APD 轉換器通道1 監(jiān)測袖帶內(nèi)壓力變化; 待袖套內(nèi)壓力達到預設充氣閾值后, 微處理器關閉氣泵, 袖帶由于氣路中設計的“針孔”而緩慢放氣,期間微處理器又通過定時器Timer A 和Timer B 中斷分別啟動APD 轉換器通道1 和通道2 記錄袖帶內(nèi)壓力信號和脈搏波信號, 并將脈搏波數(shù)據(jù)存入微處理器的Flash memory 中; 待袖套內(nèi)壓力降到放氣預設值后, 微處理器打開氣閥, 快速釋放袖帶內(nèi)的氣體, 將Flash Memory 記錄的脈搏波數(shù)據(jù)傳送給掌上電腦, 最后將工作時鐘切換到低頻晶振, 重新進入低功耗等待模式。
3.2 數(shù)據(jù)分析
掌上電腦接收到微處理器送來當次測量信號后, 對波形進行分析, 計算出收縮壓、舒張壓和平均壓, 并將測量時刻、測得參數(shù)和波形一起存儲。根據(jù)比例法動脈血壓測定原理, 脈動壓力波包絡的最大值幅度Am 與拐點幅度As、Ad 之間有比例關系[5 ] :
AsPAm = C1 (1)
AdPAm = C2 (2)
其中: C1 、C2 為常數(shù)。因此, 只要知道濾波后壓力脈動波脈幅Ai 及相應的靜壓Pi , 由上式即可計算收縮壓和舒張壓。在實現(xiàn)過程中, 為使Am測量準確, 避免偽脈沖, 取脈動壓力波符合條件的連續(xù)三個最大脈沖的均值作為Am。并在檢測過程中作條件判斷[6 ] , 排除測量過程中的異常情況。結果表明該算法具有較強的抗干擾能力。
3.3 電源管理
除了在硬件方面盡可能選用低電壓、低功耗器件外, 我們充分利用了MSP430 微處理器提供的低功耗特性, 在軟件上對微處理器各模塊的運行實現(xiàn)智能化管理, 進一步降低儀器的功耗。MS430F149具有6 種工作模式(1 種活動模式(AM) 和5 種低功耗模式(LPM0～LMP4) , 通過對SR (狀態(tài)寄存器) 中的SCG1、SCG0、OSCOFF、CPUOFF、GIE 位的控制進入低功耗模式之一或返回活動狀態(tài)。這些位分別控制系統(tǒng)時鐘發(fā)生器、CPU 及中斷。其中,為了配合低功耗設計, MSP430 專門設計了LFXT1低頻晶振、XT2 高頻晶振和DCO 數(shù)控振蕩3 個時鐘發(fā)生器, 分別形成ACLK、MCLK和SMCLK 3 個不同頻率的時鐘信號。在實際使用時通過禁止CPU , 關閉、暫停或切換工作模塊的時鐘來有效實現(xiàn)MSP430 低功耗特性, 而MSP430 獨特的中斷喚醒設計又使得其能在有外部事件觸發(fā)時將CPU 從各種低功耗模式中喚醒, 選擇正常工作時鐘控制微處理器進入正常活動模式。在血壓Holter 記錄過程中, 由于絕大部分時間微處理器處于空閑等待狀態(tài), 因此, 我們充分利用了MSP430 微處理器的上述特性, 在此期間讓CPU 和外部功能模塊處于休眠低功耗狀態(tài), 而開始測量時利用串行通訊中斷喚醒CPU , 它再選擇正常工作時鐘, 啟動各功能模塊開展工作。
3.4 遠程數(shù)據(jù)傳輸
目前常用的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議主要有TCPPIP 和UDP 兩種。考慮到血壓Holter 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆菍崟r性和TCPPIP 協(xié)議的高可靠特性, 我們選擇采用了TCPPIP 傳輸協(xié)議。進一步我們采用客戶機P服務器通信模式, 將血壓Holter 作為客戶機, 醫(yī)院遠程醫(yī)療中心計算機作為服務器。當某血壓Holter 完成記錄需要傳輸數(shù)據(jù)時, 運行遠程數(shù)據(jù)程序功能模塊,向遠端服務器提出建立連接申請。服務器應用程序通常處于“監(jiān)聽”狀態(tài), 一旦接到客戶機的申請,即對其進行身份驗證, 認證成功后, 接收數(shù)據(jù), 存入數(shù)據(jù)庫。整個通信程序由WinSock 實現(xiàn)。
4 結論與討論
掌上電腦是近年來計算機技術高速發(fā)展隨之出現(xiàn)的一種新型微型計算機系統(tǒng), 十分適合開發(fā)各種便攜式醫(yī)療數(shù)據(jù)收集、信息檢索咨詢設備。本研究利用掌上電腦, 結合生理參數(shù)檢測技術、微電子技術和信號處理技術研制成功的血壓Holter 較好地解決了現(xiàn)有設備缺乏遠程傳輸能力, 應用范圍受限的問題, 可廣泛地用于社區(qū)診所、家庭病房、醫(yī)院等多種場合血壓信息的收集, 應用前景十分廣闊。該設備已先后在重慶市北碚國家可持續(xù)發(fā)展實驗區(qū)老年人康復中心、重慶市大坪醫(yī)院等單位試用, 取得了滿意的效果。設備的主要技術指標: 1) 測量原理: 振動法; (2) 測量參數(shù): 收縮壓、舒張壓、平均壓; (3) 袖帶充氣時間: 10～30s 可選; (4) 測量間隔: 1～60mins 任意設置; (5) 測量范圍:2.67～36.0kPa (20～270mmHg) ; (6) 傳輸波特率:9600 , 19200bps 可選。
便攜化、網(wǎng)絡化是現(xiàn)代醫(yī)學智能測量設備的重要發(fā)展方向, 本研究結合血壓監(jiān)測在這方面作出了一些有益的探索, 下一步將在完善現(xiàn)有設備的基礎上, 實現(xiàn)與社區(qū)監(jiān)護網(wǎng)絡、醫(yī)院HIS 系統(tǒng)的集成,使其真正為醫(yī)療、臨床服務。
參考文獻
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