无袖带血压测量电路与血压波形显示模块的设计Word下载.docx
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二、设计内容、技术条件与要求
1.学习生理信号检测的基础知识,深入理解血压检测电路的设计原理;
2.详细说明主要元器件性能参数,调试电路,血压波形至少能显示主波与重搏波;
3、要求阅读相关参考文献不少于5篇;
4、根据课程设计有关规范,按时、独立完成课程设计说明书。
三、时间进度安排
第1周:
查阅资料,实现设计内容;
第2周:
整理资料,撰写课程设计任务书。
四、主要参考文献
1、邓亲恺,现代医学仪器设计原理,北京:
科学出版社,2005,5
2、王保华,生物医学测量与仪器,上海:
复旦大学出版社,2003,6
3、杨玉星,生物医学传感器与检测技术,北京:
化学工业出版社,2005、6
4、余学飞,现代医学电子仪器原理与设计,广州:
华南理工大学出版社,2007年
5、林家瑞,微机式医学仪器设计,武汉:
华中科技大学出版社,2004年
6、齐颂扬,医学仪器,高等教育出版社,19957、李秀忠,常用医疗器械原理与维修,北京:
机械工业出版社,2002,11
指导教师签字:
2015年9月20日
第一章绪论1
1、1连续血压测量方法的发展趋势2
第二章无创连续血压测量方法及原理2
2、1容积补偿法2
2、2脉搏波测定原理2
2、3脉搏波测定方法3
第三章脉搏波与血压之间的关系3
第四章系统整体设计4
4、1系统总体设计4
4、2系统主要硬件设计4
4、3采集到的数据5
第五章脉搏波特征点的提取6
第六章脉搏波传导时间与动脉血压关系的建模7
6、1脉搏波传导时间的计算7
6、2模型的建立8
6、3建模结果9
第七章系统测试与分析10
7、1测试方法10
7、2测试结果11
7、3实验结果分析11
第八章总结11
——基于脉搏波传导时间的无袖带血压测量仪设计
设计者:
王俊
摘要:
设计了一种无袖带血压测量仪器,
它主要由脉搏波测量、数据处理、特征点的提取与数学建模4个部分组成。
单片机将脉搏波测量部分输出的数据进行数据处理后以异步串行通信方式传送给上位机,
上位机提取脉搏波特征点,
计算出脉搏波传导时间,
并建立脉搏波传导时间与血压之间的模型关系,
从而实现无袖带血压测量。
实验结果表明,
血压测量标准差小于8
mmHg,
符合AAMI推荐的标准差不大于8
mmHg的标准,
可初步应用在医疗监护中。
关键词:
无袖带;
血压测量;
特征点;
脉搏波传导时间;
数学建模。
一、绪论
血压就是人体的重要生理参数之一,能够反应出人体心脏与血管的功能状况,就是临床上判断疾病、观察医疗效果等的重要依据。
传统采用的柯氏音听诊法,虽能较准确的测量动脉血压,但无法跟踪测量动态血压变化。
而采用动脉插管法虽然能连续的跟踪测量血压,且测量结果较准确。
但就是该方法却存在着一些局限性,如准备时间长、有创等,且被测者容易引发并发症,如疼痛、出血、感染、形成血栓与气栓、肢体因缺血而坏死等。
无创连续血压检测就是通过对相关特征信号进行分析处理来间接获得血压值,对人体无创伤,更适合在科研与临床中广泛使用。
容积补偿法、脉搏波特征参数法、脉搏波波速法都就是目前比较成熟的无创连续血压测量方法。
与容积补偿法、脉搏波特征参数法相比,脉搏波波速法对传感器定位要求低,测量误差较小,不适感较少,就是一种比较理想的无创连续测量血压方法。
1、1、连续血压测量方法的发展趋势
连续血压测量方法的出现,使断续血压测量就是单次测量时间长(约一分钟)的问题得到解决,实现了血压的每搏测量,它不仅可以测量血压的慢变化,而且可以监测血压的快变化(从一个心动周期到下一个心动周期)。
解决了受试者心率失常时,血压测量的问题,这对于分析受试者期前收缩时的血压变化及监测特殊环境下的血压变化具有重要意义。
目前连续血压测量方法的发展趋势就是进一步改进测量方法,提高精度、改善测量舒适性、使用方便性与可靠性等。
二、无创连续血压测量方法及原理
2、1、容积补偿法
容积补偿法最早由Penaz于1973年提出,通过袖带内预置的参考压力就是动脉处于去负荷状态,同时采用伺服系统补偿由于动脉内压的变化引起的动脉容积变化,使动脉容积维持去负荷动脉容积状态,此时袖套内压等于动脉内压,因此可通过测量袖套内压间接测量动脉血压。
它就是目前较成熟的连续血压测量方法。
市场上销售的产品多采用这种测量原理。
但该方法在长时间测量时受静脉充血影响较大,当血管收缩节律较大时,将影响脉搏描记计的输出波形致使参考血压的设置困难,影响测量精度;
由于需要在被测部位保持较高的压力,使舒适性较差;
由于需要压力伺服系统来补偿参考压力,致使测量装置复杂,使用时给受试者带来不便。
2、2、脉搏波测定原理
心室射血产生的压力搏动沿动脉树传播,速度由动脉壁的弹性与几何性质及所含液体的特征(密度)决定。
由于血液就是含在弹性管道(动脉)中的不可压缩的液体,能量的传播主要就是在动脉壁而不就是血液流体,因此脉搏波传导速度大小可以反映动脉壁硬度。
一般说来,动脉管壁的顺应性越大,脉搏波的传播速度就越慢,僵硬度的增加可加快脉搏波传导速度。
以脉搏波速度为标志的动脉僵硬度增加不仅与冠心病的危险有关,而且与痴呆等认知功能有关。
PwV的检测简单、无创,具有可重复性,操作人员不需要长期培训,适合在大规模人群的筛检与研究中使用。
2、3、脉搏波测定方法
PwV的测定就是通过测量脉搏波传导时间与两个记录部位的距离求得:
计算公式为:
PwV(m/s)=L/t
(L:
距离,两个探测器间的距离;
t:
传导时间,两个波形的时间差),PwV常测定10个连续搏动,包括一个完整的呼吸周期。
随着自动测量PwV装置研制成功,现在操作时只需将受试者基本资料以及测定两点部位的体表距离输入计算机,即可得连续波形,选择记图形良好的10~15个数值,取其平均值即就是受试者的PWV测值。
目前,国内外对脉搏波信号的提取方式主要有3种。
①用液体耦合传感器提取脉搏波信号,但它的耦合的方式会影响最终结果的准确性。
②利用光电传感器,
通过光在指尖的传播来间接的获取脉搏信号,
但就是大多数的脉搏波采集系统主要用于计算血氧饱与度,
对脉搏波信号的分析处理能力较弱,
不能准确计算出脉搏波信号峰值点。
③用压电传感器来实现脉搏波信号的提取。
本文根据脉搏波传导时间与血压成负相关的特性而提出,利用压电传感器对人体不同部位的脉搏信号进行同步采集,然后单片机将脉搏波测量部分输出的数据进行数据处理后以异步串行通信方式传送给上位机,上位机提取脉搏波特征点并计算脉搏波传导时间,最后通过建立脉搏波传导时间与血压之间的模型关系,实现无袖带血压测量。
这种方法测量设备体积小,易于携带,且使被测者彻底摆脱了气囊体的束缚,提高了舒适感,能够长时间进行无袖带连续血压测量。
三、脉搏波与血压之间的关系
动脉血管壁的紧张程度对脉搏波传播速度起决定作用。
当血压比较高时,动脉血管壁变得紧张,脉搏波的传递速度变快;
当血压比较低时,动脉血管壁变得松弛,脉搏波的传递速度变慢。
关于脉搏波的传播速度与血压的关系,根据英国著名物理学家托马斯·
杨提出的理想流体的弹性管内波传播速度公式、Hughes等提出的血管跨壁压与血管弹性模量之间关系公式、莫恩斯提出的波速公式及脉搏波传导时间与脉搏波传播速度关系公式,可整理得到血压与脉搏波传导时间的关系
通过求导,可得到血压变化与脉搏波传导时间之间的关系:
式中:
△P为动脉血压变化值,△T为脉搏波传导时间,γ就是表示血管特征的一个量值。
也即就是说,如果血管的弹性保持不变,那么血压的变化与脉搏波传导时间成正比,而同一个人在短时间之内的血管弹性不会发生大的改变。
所以通过测量脉搏波传导时间(PTT),就能间接地计算出动脉血压的变化量。
四、系统整体设计
4、1、系统总体设计
系统主要由脉搏传感器、加法器电路、A/D数据采集、主控单片机、数据存储显示六部分组成,
系统总体框图如图1所示。
4、2、系统主要硬件设计
1)传感器
系统选择压电式的HK-2000B脉搏传感器,此传感器具备较高的灵敏度,而且能够方便的同步测量不同部位的脉搏信号。
本文测量的2路脉搏波信号分别为肱动脉与桡动脉。
HK-2000B脉搏传感器采用高度集成化工艺,将力敏元件(PVDF压电膜)、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内部。
具有灵敏度高、抗干扰性能强、过载能力大、一致性好、性能稳定可靠、使用寿命长等特点。
该系列脉搏传感器具有完善的信号调理功能,用户在使用时后级不需要再加滤波等电路。
HK-2000B型脉搏传感器能够输出完整的脉搏波电压信号,常用于脉搏波分析系统。
主要特点:
1、灵敏度高。
2、抗干扰性能强。
3、过载能力大。
4、一致性好,性能稳定可靠,使用寿命长。
2)
加法器
因为选用的脉搏传感器输出信号存在负值,为了便于A/D芯片的采集,设计一个同相加法器电路将所获得的脉搏信号向上平移,保证输出信号的电压幅值在A/D工作电压范围之间。
加法器的2路输入信号即2路脉搏传感器输出的信号,加法器的输出信号,直接与A/D芯片的输入信号相连。
3)
A/D数据采集
数据采集电路就是本系统的关键部分之一。
采用两个10位的串行A/D芯片TLC1549对两路脉搏信号同步采集,该芯片内部具有采样保持,有较强的抗干扰能力,且体积较小,符合小型化的要求。
对两路信号连续采集10s,采集点数为5000个点,设置采样率500Hz,而该芯片完成一次采样并输出结果至少需要十个时钟,故PD6输出的时钟不得小于5kHz,在此时钟的控制下,由单片机的PD4与PD5分别读取两路信号的数据。
4)
数据存储
设计一个储存器,用来储存采集的数据。
4、3、采集到的数据
将采集到的数据存成txt文档格式传到上位机,用MATLAB进行还原桡动脉与肱动脉的原始波形如图2所示,T为2路脉搏波波形传导时间差。
五、脉搏波特征点的提取
图2为采集的人体标准脉搏波信号,
选取脉搏波主峰Cx1、Cx2点作为脉搏波的特征点。
预选原始信号法,
滤波法与小波分解法3种脉搏波特征点提取的方法。
由于硬件电路所采集的信号干扰较弱,对特征点的提取干扰极小,且原始信号法对信号的预处理最为简洁,又较完整保留了脉搏波信息,特征点更易分辨,经过试验,原始信号法提取的特征点最为准确,所以本文选用原始信号法进行脉搏波特征点的提取。
原始信号法就就是使用sort函数对信号进行排序后换回坐标值存入y数组,然后选取y数组中的第一个坐标作为首个特征点,依次选取下一个坐标点;
当下个坐标与前一个坐标距相差大于250时,此坐标就就是下一个特征点;
否则返回继续选取。
利用原始信号法提取脉搏波特征点的方法流程图如图3所示。
利用原始信号法提取的脉搏波的特征点如图4所示。
六、脉搏波传导时间与动脉血压关系的建模
6、1、脉搏波传导时间的计算
分别提取桡动脉处与肱动脉处采集的2路脉搏波信号n个周期的特征点(这里取最大值)的坐标值之与
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- 无袖 血压 测量 电路 波形 显示 模块 设计