血压计的原理和设计

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1、血压计的原理和设计本文讲述如何使用Freescale（以下称为飞思卡尔）MCU设计血压计，飞思卡尔提供数款针对医疗电子的MCU，包括MK53N512、MC9S08MM128和MCF51MM256，集成16bit的模拟数字转换器（ADC）、12bit的数字模拟转换器（DAC）、两个可调增益运算放大器、两个TRIAMPS、模拟比较器和Vref生成器。K50系列产品同时还能在处理信号的时候执行DSP指令，MCF51MM系列产品则能执行MAC（乘法和累加）指令。文章旨在为生物医学工程师、医疗设备开发人员，或者任何具有医学实践并对血压计工作原理感兴趣的人提供参考信息。当然这需要具备

2、模拟电路和数字电路的基础知识。一、血压计的基本原理首先介绍动脉压力的生理学概念以及血压计的工作原理。1、动脉压力动脉压力（ArterialPressure）是指血液在动脉血管中施加的静水压力（hydrostaticpressure），这是左心室收缩产生的结果。动脉收缩压（SystolicArterialPressure，SAP）是指心脏收缩的时候动脉形成较高的血压；舒张期动脉压（DiastolicArterialPressure，DAP）是指在心脏舒张的时候形成的最低血压。正常成人休息状态下的SAP和DAP分别是110mmHg和70mmHg，mmHg为压强单位毫米汞柱。表

3、1血流量（bloodflow）指的是在单位时间内（通常以mL/min表示）流经任意器官组织的血液流量，血液将氧和其他营养物质传送给器官组织。血压的大小直接影响血流量，因为血液总是从高压的区域流向低压的区域，两个区域的血压差越大，那麽血流量就越大。血液由左心室泵出到大动脉（aorta）并达到较高的血压，随著血液的流动，血压逐渐降低直到为0mmHg，此时血液回到右心房（rightatrium）。图1表示血压的变化。图1∶血管压力的变化2、血压计的工作原理血压计的工作原理主要基於示波法（oscillometricmethod），在测量过程中，示波法利用获取的压力脉冲信号来获得血

4、压值。袖带（occludingcuff）与气泵和压力传感器相连，袖带在使用过程中紧箍手臂。给袖带泵入气体使其膨胀，直到压力大於脉搏（systolic）的典型数值，然後袖带才逐渐放气。由於袖带的放气，当脉搏压力到达一定数值的时候，就开始出现脉动（pulsation）。脉动的大小代表了由於心脏收缩而产生的压力变化，它被用於计算心跳的速率。脉动的振幅逐渐增大到平均动脉压（MeanArterialPressure，MAP），然後缓慢下降到零。图2显示了袖带压力与脉动（pulsation）之间的关系。图2∶袖带（cuff)压力与心跳的关系在脉冲振幅最大的时候，示波法通过获得袖带压力

5、来确定平均动脉压（MAP）的大小。收缩和舒张的数值可以使用特殊算法计算，不同的医疗设备开发商有不同的算法。基於飞思卡尔芯片的血压计在计算收缩和舒张的数值主要根据以下原则∶当脉冲的振幅为MAP的70%的时候，此时测量获得的压力就近似为收缩压力，并且袖带压力大於MAP；类似的，脉冲振幅为MAP的50%时，此时寄存器内的袖带压力就近似为舒张压力，袖带压力小於MAP。二、血压计的硬件实现使用飞思卡尔KinetisK53和FlexisMM系列MCU实现的血压计，除了文章开头所提到的几个组成部分之外，在性能方面还具有其他特点，比如K5X系列的产品还还支持包括MAC在内的DSP指令集合

6、，MCF51MM也具有执行MAC指令的功能。飞思卡尔公司医疗用途的MCU可降低医疗设备的BOM成本，兼具最佳的处理能力。只需要少数的外部器件进行压力感应和袖带控制。1、MED-BPM模拟前端电路MED-BPM模拟前端demo板针对血压计而设计，与飞思卡尔的医疗专用MCU结合使用。MED-BPM与MCU之间的通信使用专用连接器，使用飞思卡尔配套推出的Tower系统更可以快速的制作出产品原型，加速产品的上市时间。MED-BPM的结构见图3。图3∶MED-BPM的结构（1）医疗连接器demo板块中使用到的医疗器械连接器是标准器件，demo板块的型号为TWR-9S08MM、TWR

7、-MCF51MM和TWR-K53。连接器包括用於医疗用途的最重要的模拟周边设备，以及I2C接口进行数据通信。表1概括了医疗连接器信号特性。（2）袖带压力控制MED-BPM使用示波法进行血压的测量，这是一种无创伤（noninvasive）的方法，它使用外部袖带紧箍病患者的手臂，检测收缩和舒张动脉压力。MCU的GPIO引脚控制气泵给袖带充气，而另一个GPIO引脚则用於控制放气阀门对袖带进行放气。因为USB端口提供的电流（500mA）不足以驱动气泵和阀门（600mA），因此它们必须要由外部电源以得到足够的电流进行驱动。这需要光耦器件