便携式心血管血流参数检测仪的制作方法

文档序号:1105598阅读:249来源:国知局
专利名称:便携式心血管血流参数检测仪的制作方法
技术领域
便携式心血管血流参数检测仪属于人体生理参数检测及电子医疗仪器研制开发技术领域。
背景技术
心血管疾病是当今发达国家死亡率占第一位的重要疾病,世界卫生组织已将其列为21世纪危害人类健康的头号杀手,心血管血流参数是心血管疾病诊断的重要依据。脉搏波反映血管内压力、血管壁张力以及血管整体位移的综合情况,是人体最基本的生命参数。根据临床血流动力学理论分析、动物实验和临床研究得知随血管外周阻力和血管壁硬化程度等生理病理因素的变化,人体脉搏波的波形将出现一系列规律性的动态变化,对脉搏波进行检测处理可获取人体心血管血流动力学参数。目前临床上使用的脉搏血流参数检测仪多采用8位单片机或PC机结合专用信号采集卡进行脉搏信号的采集与处理,8位单片机的运算速度低,数据处理能力不强,存储空间有限,实时性不强;而专用的信号采集卡成本高,兼容性差,如升级操作系统时其驱动程序的升级较为困难。此外,目前已有的心血管功能检测仪体积较大,价格昂贵,需要交流电源供电,不便于携带。医生在野外出诊或外出普查时通常要随身携带血流参数检测仪,当附近没有交流电源时就无法进行诊断,耽误患者的及时治疗。

发明内容
为了达到家庭和社区保健目的,需要一种小型轻便,具有实时清晰脉搏波波形显示和血流参数分析处理功能的心血管血流参数检测仪,为此我们设计了一种新型的便携式心血管血流参数检测仪,该仪器能够无创地检测桡动脉脉搏波的信息变化,对脉搏波信号进行分析处理,最终计算出心血管的血流参数。该仪器运行稳定,实时性强,同时具有功耗低,体积小,操作简单,便于随身携带等特点,适合家庭和社区医疗保健使用,对心血管疾病的早期诊断具有重要的意义。
本发明的目的在于研制一种便携式心血管血流参数检测仪,其技术方案见图1,其特征在于,包括有16位单片机MSP430、脉搏信号放大滤波电路、A/D转换器、LCD显示器、存储器、电源电路、健盘;在进行心血管血流参数检测时,首先通过键盘输入血流参数检测所需要的人体生理参数(身高、体重、收缩压、舒张压),再用脉搏传感器从人体桡动脉处采集脉搏波信号,输入脉搏信号放大滤波电路,再通过A/D转换器送入单片机,采集到的脉搏波形送到LCD显示器上显示,并保存到存储器中;随后对保存的脉搏波形数据进行分析处理,根据现有公式计算出心血管血流参数,以此作为依据来诊断心血管的功能状况;仪器使用直流电池供电,通过电源电路将电池电压转换为所需要的电压;脉搏信号放大滤波电路技术方案见图2,包括有前置放大器、程控放大器、低通滤波器、高通滤波器、电平转换和限幅电路;前置放大器能够放大来自脉搏传感器的微弱信号,鉴于脉搏波信号的个体差异性大,设计了程控放大器自动调节信号的放大倍数,防止信号失真;为抑制脉搏信号采集过程中引入的工频干扰和温度漂移等外部噪声,设计了低通滤波器和高通滤波器;同时,为了使模拟信号满足A/D转换器的输入范围,设计了电平转换和限幅电路。
还可以通过RS232串行接口或者USB接口将脉搏波数据传送到PC机上,供医生进一步分析处理或通过网络远程传送到医院。
本实用新型有效克服了现有技术的不足,解决了一些关键技术问题,设计采用超低功耗16位单片机MSP430,并选用μC/OS-II嵌入式实时操作系统作为系统内核,使检测仪具有体积小、功耗低、运行稳定可靠等优势。该检测仪成本低,便于携带,大大提高了心血管血流参数检测仪的应用范围。


图1便携式心血管血流参数检测仪结构图;图2脉搏信号放大滤波电路结构图;图3检测仪数字部分电路图;图4电源电路图;
图5脉搏信号放大滤波电路图。
具体实施方式
本实用新型的便携式心血管血流参数检测仪以超低功耗16位单片机MSP430F449作为控制核心,MSP430F449单片机内含一个八通道的12位A/D转换器,因此不需要外加ADC芯片,同时还含有两个通用同步/异步串行通讯接口,使接口电路的设计更加简单,集成度更高,仪器的体积大大减少,增强了可携带性。
传统的单片机软件是前后台方式的,系统的实时性差,软件编写的难度和复杂度较大。嵌入式实时操作系统(RTOS)提供了一个开放的软件框架和完善的多任务环境,在RTOS上设计应用软件不仅简化了上层应用软件的设计,而且提高了系统的可靠性和实时性。为了克服传统单任务前后台软件设计中存在的实时性差、稳定性低、开发周期长等弊端,采用了嵌入式实时多任务软件的设计方法。选用μC/OS-II实时内核作为系统的嵌入式实时操作系统(RTOS),根据单片机与其C语言编译器IAR Embedded Workbench的特点,将μC/OS-II移植到系统硬件平台。同时,在μC/OS-II的内核多任务管理机制下,结合系统的应用需求,划分不同任务模块,设计应用层软件。
本实用新型的便携式心血管血流参数检测仪数字部分电路图如图3所示。键盘是人机对话的输入设备,借助键盘可以向系统设置参数,发出控制命令等。在扫描数字输入键盘时,MSP430F449单片机的P3.0-P3.3各口依次输出高电平,如果没有按键按下,各口线读入的电平状态都为高;一旦有按键按下,相应的I/O口为低电平,延时一段时间后再次检测,如果I/O仍为低电平,确定有按键按下,识别按下的键码值,执行相应的操作。图3中,S1为复位键,S2为菜单选择键,S3为确定键,S4为取消键,S4-S16为数字键,通过数字键输入血流参数检测所需要的身高、体重、收缩压、舒张压等参数。U8为RS232串行接口芯片MAX3232,J6为串行接口插座,可通过此串行通信接口将脉搏波数据传送到PC机。由于MSP430的信号电平只有3.3V,所以选用MAXIM公司新推出的3.3V逻辑电平转换芯片MAX3232来完成电平转换,把MSP430串行输出的CMOS电压转换为标准的RS-232-C逻辑电平。J5为LCD显示器接口插座,点阵式液晶显示器除可以显示字符外,还可以显示各种图形信息、汉字等,本设计采用HY12864点阵式液晶显示器,液晶显示器HY12864是一个128×64点阵显示模块,EL背光,可以显示图形和文字。J1为JTAG调节接口插座,通过此插座与PC机相连,实现程序的在线调试与下载。
U9为数据存储器,为串行FLASH芯片AT45DB021,FLASH型存储器具有容量大、功耗低、体积小的优点,而且其价格比SRAM低的多。AT45DB021芯片中RESET引脚是复位脚,WP引脚是写保护脚,CS引脚是片选信号输入引脚,SCK是串行时钟输入引脚,SI是串行数据输入引脚,SO是串行数据输出引脚。芯片AT45DB041是根据主控制器发出的命令字来执行相应操作的。在主控制器将CS信号端拉低后,给出正确的芯片操作字,就可以通过串行线将数据写入/读出指定的数据缓冲区的字地址或主存储区页地址。当读/写至数据缓冲区或某一页的末地址时,内部指针都将返回同一数据缓冲区或页的起始地址,从起始地址处再开始读或写,原先在这些地址中的数据就会被刷新。数据传输按照先高位后低位的过程进行。为进一步扩展数据存储器容量,增加存储器U10(芯片24C256)用来存储字符等数字。U11为时钟芯片DS1302,为系统提供时钟信号。
为了使仪器便于携带,心血管血流参数检测仪采用+9V电池供电,可以在野外使用。因为MSP430单片机以及相应数字部分的器件采用低电平,所以设计为+3.3V电源供电,而检测系统中放大电路等模拟部分采用的运算放大器TL084是±5V电源供电的。因此,我们需要把+9V的电源转换成+3.3V、+5V和-5V,以供给MSP430单片机及其模拟、数字电路部分。电源电路如图4所示,主要采用MAXIM公司的产品MAX639、MAX860和NS公司的产品LP2985。MAX639可以将+9V的电池电压转换至+5V,供运算放大器TL084使用。MAX639的输入范围是4V至11.5V,同时器件自动输出+3.3V电压,或者用户可以通过调整,将输出电压调整为1.3V至输入电压。MAX860可以将输入电压范围在+1.5V至-5.5V的电压对等的转换为相应的负电压(即-5.5V到-1.5V),或者将输入范围为+2.5V至+5.5V的电压变换为双倍输出,而这里只应用其可输出负压的功能,其输入电压为+5V,输出电压为-5V。LP2985是输出电流150mA,固定输出的电压调整器,它通常应用于电池供电的设备中,提供超低失调和噪声电压。LP2985最大可输入16V电压,输出电压的范围在2.8V致5.0V。LP2985关闭时静态电流小于1μA,输出电压的准确率高,峰值电流的负载大。LP2985的典型工作电路如图4所示,输入电压为+9V,输出电压为+3.3V。
脉搏信号放大滤波电路如图5所示,它是由前置放大电路(U2A,U2B,U2C)、程控放大电路U4、低通滤波器U3A、高通滤波器U3B、电平提升电路U3C和限幅电路U3D组成。电路中共使用了两片14脚IC芯片TL084和一片16脚IC芯片CD4051。从传感器采集的脉搏波信号的电压幅值只有几十毫伏,通常要求脉搏波放大器应具有几十倍到几百倍的放大倍数。前置放大电路采用差动式放大器,可以抑制零点漂移,增大输入阻抗,减少共模信号干扰。压力脉搏波幅度因个体不同差异很大,具有动态变化范围大的特点,为了满足不同的需要,增加了程控放大电路,实现放大器增益的自动控制。压力脉搏波信号易受到50Hz市电干扰和高频干扰,所以电路中采用一个40Hz低通滤波器,消除50Hz工频干扰,抑制其它高频噪声。另外,为了削弱由于血管振动和身体运动引起的伪差干扰等低频干扰,电路中设计了截止频率为0.1Hz的高通滤波器来抑制低频干扰。由于MSP430单片机的内部A/D模块只能对单极性信号进行转换,所以脉搏波信号需要进行电平转换,使其波形处于正区间,因此,需要设计电平提升电路来提高模拟脉搏波信号的电压。同时,为了使脉搏波信号不超出A/D模块的参考电压范围,还需要设计限幅电路来限制模拟信号的动态电压范围。
利用本系统检测了10例实验者的心血管参数,并与临床广泛采用的TP-CBS II型心功能血流参数检测仪的检测结果进行了对比,心血管血流参数检测结果比较如表1所示。两者检测结果基本一致,而本仪器在血流参数检测中易于操作,可重复性好。
各心血管参数均是波形系数和心率的函数,因此这两个参数直接反映了系统的准确性。由表1可见,本系统检测的血流参数与临床采用的TP-CBS II型系统检测的数据基本一致。经计算,波形系数的平均相对误差为1.9%;心率的平均相对误差为5.6%。心率是时变的参数,可能随实验者的情绪、精神状态的变化而发生改变,在实验过程中有所波动是正常的。
我们研制的基于脉搏波信息的心血管血流参数检测仪,能够实时地采集显示脉搏波信息,准确自动地分析脉搏波信号,计算血流参数。仪器采用直流电源供电,可以随身携带,操作使用方便、运行安全可靠,可以满足临床使用的要求。
表1 心血管血流参数检测结果比较


注TP代表TP-CBS的检测结果,M表示我们研制的系统的检测结果。
权利要求1.一种便携式心血管血流参数检测仪,其特征在于,包括有16位单片机MSP430、脉搏信号放大滤波电路、A/D转换器、LCD显示器、存储器、电源电路、健盘;所述的脉搏信号放大滤波电路,依次包括有前置放大器、程控放大器、低通滤波器、高通滤波器、电平转换和限幅电路。
2.根据权利要求1所述的便携式心血管血流参数检测仪,其特征在于,还可以通过RS232串行接口或者USB接口将上述脉搏波数据传送到PC机上。
专利摘要本实用新型属人体生理参数检测仪器领域。现有8位单片机的运算速度低,数据处理能力不强,存储空间有限,实时性不强;而专用的信号采集卡成本高,兼容性差。包括有16位单片机MSP430、脉搏信号放大滤波电路、A/D转换器、LCD显示器、存储器、电源电路、健盘;首先通过键盘输入所需人体生理参数,再用脉搏传感器采集脉搏波信号,输入脉搏信号放大滤波电路,再通过A/D转换器送入单片机,采集到的脉搏波形送到LCD显示器上显示,并保存到存储器中;随后对保存的数据分析处理,计算出心血管血流参数;仪器使用直流电池供电,通过电源电路将电池电压转换为所需要的电压。本实用新型小型轻便,具有实时清晰脉搏波波形显示和血流参数分析处理功能。
文档编号A61B5/024GK2832050SQ200520113958
公开日2006年11月1日 申请日期2005年7月18日 优先权日2005年7月18日
发明者吴水才, 杜旭, 白燕萍, 张松, 李旭雯, 杨益民 申请人:北京工业大学
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