一种同时监测脉搏波波形和血压测量的装置制造方法
【专利摘要】一种同时监测脉搏波波形和血压测量的装置，属医疗设备【技术领域】。脉搏波模块利用压力传感器检测肱动脉脉搏波动，将信号传输到模拟信号调理电路、A/D转换电路、单片机及附属电路、单片机与PC机接口电路。将所采集的数据，通过信号传输到计算机上。其还通过充气袖套的充放气，进行血压的测量，并且将数据传输到计算机上，最后，计算机采集脉搏波模块的脉搏波波形并且可以在采样设置中对其进行波形采样频率、放大倍数、基线位置的调整，接收电压模块中的高压、低压、心率，并且进行实时的检测功能。本发明通过得到的脉搏波波形的数据和血压的数值，为以后计算平均血流量、心输出量等，最终实现某些血流动力学疾病的早期预测和临床诊断功能鉴定基础。
【专利说明】一种同时监测脉搏波波形和血压测量的装置
【技术领域】
[0001]本发明属于医疗装置的试验验证领域，涉及一种信号处理装置，特别是一种同时监测脉搏波波形和血压测量的装置。
【背景技术】
[0002]心血管疾病(Card1vascular disease, CVD)是当今发达国家死亡率占第一位的重要疾病，在我国也是死亡率最高的一类疾病，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，它已经成为中国和世界的主要公共卫生问题。严重的影响人们的健康和生活质量，因此，对心血管疾病的早期预测和中期诊断治疗，有着及其重要的意义。
[0003]动脉脉搏波是由心脏的周期性收缩和舒张产生的，因此脉搏波是一个天然的“信息源”。已有研究表明，心血管的血流参数可以通过脉搏波反映出来，正常人和非正常人的脉搏波可能有不同的表现形态。从理论上讲，如果可以定性或定量地研究出脉搏波的传播特性与血液流动规律的关系，就可以通过测量脉搏波来诊断人体心血管参数。因此根据这种情况，我们就可以根据脉搏波的不同表现，及早的诊断出心血管疾病的潜在的威胁因素，为预防和早期治疗心血管疾病争取宝贵时间。但是现有的脉搏波分析系统大部分属于专业医疗设备，需要专业人士进行操作，并且价格昂贵，不便于移动，从而限制了它的普遍使用性。所以研究一种易于操作，方便移动和具有无线数据传输功能的脉搏分析仪具有很大的理论和实用价值。这种仪器操作简单、低成本、无危险、无禁忌、智能化程度高，即使普通人士在家里面都可以自我进行操作，完全不需要专业医护人员的帮助。在这种无创检测仪的研究中，脉搏信号的分析与血压的检测研究是关键。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种同时监测脉搏波波形和血压测量装置。具体技术方案如下:
[0005]一种同时监测脉搏波波形和血压测量的装置，包括脉搏波的波形数据采集模块、模拟信号调理电路、A/D转换电路、单片机C8051F330及附属电路、CP2102的接口电路，接口电路中的信号通过USB接口传输到计算机；血压模块通过微型气泵控制袖带充气，电磁气阀来控制袖带放气，压力传感器采集到的信号依次传输到差分放大电路、高通滤波器、放大器、低通滤波器，然后传到单片机C8051F330处理电路进行示波法的舒张压与收缩压的计算，并且通过CP2012接口电路的USB接口传输到计算机；最后在计算机上完成数据的采集，接收脉搏波模块的波形中各个点的数值和血压模块的收缩压、舒张压以及脉率的数值，进行脉搏波波形和高压、低压和脉率的显示，调节脉搏波波形的采样频率、放大倍数、基线位置，在测量过程中实时显示监测信息。
[0006]脉搏波传感器放在人体肱动脉位置处，采用HK2000C传感器，该传感器采用力敏元件PVDF压电膜。
[0007]在血压传感器传出的信号中，采用三运放仪表放大器电路来改变信号幅值，获得差动信号，提高信号幅值，以供单片机对采集到的数据进行分析和研究。
[0008]单片机C8051F330将所采集的数据存储，采用一串控制字进行封装，使所采集到的脉搏波和血压数据通过通信协议被电脑访问。
[0009]在计算机上完成数据的采集和处理，使计算机上同时显示脉搏波波形、高压、低压、脉率，并且进行以调节脉搏波波形的采样频率、放大倍数、基线位置的测量。
[0010]有益效果:
[0011]本发明提供的硬件模块的脉搏波模块和血压模块通过电脑软件的触发，进行数据的采集，通过USB的传输可以传输到电脑上，并且通过电脑对数据的采集，集成显示脉搏波的波形，并且可以对脉搏波波形进行采样频率、放大倍数、基线位置的调整；另外对于袖带充气放气过程中能够对袖带内压力值进行实时监测，能够在放气完成时候，采集人体的收缩压、舒张压、脉率的数值，并且在操作错误时候能够系统报错。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1血压脉搏测量系统框图
[0013]图2脉搏波测量系统框图
[0014]图3电压抬升电路
[0015]图4 二阶低通滤波电路
[0016]图5 5V转换-5V电路
[0017]图6 5V转换3.3V电路
[0018]图7脉搏波模块单片机程序流程图
[0019]图8CP2102 接口电路
[0020]图9血压测量系统框图
[0021]图10基于TL431的稳定参考电压源
[0022]图11三运放仪表放大器电路
[0023]图12低通滤波电路
[0024]图13脉搏波信号高通滤波器电路
[0025]图14脉搏波信号低通滤波器电路
[0026]图15脉搏波信号放大电路
[0027]图16血压模块单片机程序流程图
[0028]图17集成脉搏波和血压显示的界面设计
【具体实施方式】
[0029]脉搏波模块采集系统中主要包括:脉搏波传感器、模拟信号调理电路(即电压抬升电路和滤波电路)、A/D转换电路、单片机C8051F330电路和CP2102的接口电路，最终传输到计算机处理(如图2)。
[0030]脉搏波传感器这一部分采用的是脉搏波传感器采用HK2000C传感器，该传感器采用力敏元件(PVDF压电膜)，是一种软接触式无创伤脉搏传感器。相对于压电陶瓷或者其他较传统的材料来说，新型压电材料PVDF的压电常数即压电应变常数和压电应力常数都比较高，对于脉搏波这种及其微弱的生理信号检测相对比较难，灵敏度和准确度都比较高。该传感器输出的是模拟电压信号，需要进行进一步处理。
[0031]脉搏传感器输出模拟信号电压的范围是-0.5?+1.5V,由于输出有负值,所以用同相放大电路做基线调整，实现电压抬升(如图3)。本发明选择0P07运算放大器，0P07是高精度低失调电压的精密运放集成电路。0P07具有极低的输入失调电压、极低的失调电压温漂、很低的输入噪声和电压幅度长期稳定等特点，使用0P07放大器一般不用考虑调零和频率问题就能满足要求。经计算可得，Vout = 1.5+Vin，其中Vin是脉搏传感器输出信号，即0P07的输入信号，Vout为0P07的输出信号。
[0032]经脉搏波传感器输出的脉搏信号频率非常低，很容易引入干扰，这些干扰有来自于50Hz的工频干扰，还有一些来自肌体抖动和精神紧张带来的假象干扰信号等。处理这些干扰的方法有硬件滤波、单片机软件滤波和PC机软件滤波等方法，本发明初步采用硬件二阶低通滤波电路(如图4)来实现，由于脉搏信号的最高频率不超过40Hz，所以低通滤波的截止频率设为40Hz。
[0033]系统采用外部采用5V电源供电，因为系统内部还需要-5V和3.3V电压，所以系统分别选择用集成度高并且稳定性好的电压转换芯片MAX735来实现+5V到-5V的转换(如图5)，对于3.3V电压，需要将+5V电压转换成3.3V，由ASl117-3.3来实现此功能(如图6)。
[0034]脉搏波模块的A/D转换部分和与PC机的通信部分由单片机(C8051F330)模块来完成，主要包括初始化和主循环。在对单片机的I/o 口、外部时钟、A/D转换和串口分别进行初始化后，单片机会处于等待串口命令状态。当接收到的十六进制数(例如20h，xxh)指令时，在对脉搏波信号采集之前，首先对硬件电路工作状态进行检测，若无故障，则开启A/D转换进行脉搏波信号的采集，采集数据的同时可以进行幅值基线计算、增益基线调节和心率计算等功能(如图7)。单片机输出的信号通过CP2102的接口电路(如图8)来传输到电脑上，供电脑软件进行采集。
[0035]血压模块系统中，由上臂式充气气囊、微型气泵、驱动电路、恒流源电路、信号调理电路、压力传感器和单片机电路等构成了血压测量模块的主体(如图9)，其中差分放大器、高通滤波器、放大电路和低通滤波器是信号调节电路的基本组成部分。
[0036]压力传感器主要是以应变电阻来替代压力敏感的方式，其全桥式惠斯通电桥由4个应变电阻组成的，其电压的输出主要还是由应变来实现，电压随着应变电阻的改变而相应的发生改变。该电桥主要采用恒定电压和恒定电流这两种方法来供能，在恒定电压供能方式中，其电压是随着电阻大小改变而变化，即电阻的变化对电压起决定性作用，但是应变电阻的温度改变能干扰电桥，使其温度在一定范围内产生偏差，从而造成传感器准确度下降。然而，在恒定电流供能的状态下，其输出与电阻不成线性比例关系，即外界环境的温度不能对电桥产生干扰，所以为了保证其稳定和准确性，本发明采用由运放LM324组成的恒定电流源。由于TL431有高性能、低价格和稳定性等一系列优点，本发明选用基于TL431的稳定参考电压源(如图10)，参考电压Vout为3V。
[0037]在传感器传出的信号中，血压信噪比的升高与其幅值对血压信号的前置放大起到决定性作用，这是因为从压力传感器采集到的信号十分薄弱，很难提供分析和研究，要想让单片机能对采集到的数据进行分析和研究，就必须将其幅值提高到一定的值，本发明采用三运放仪表放大器电路(如图11)来改变信号幅值。该模块是基于示波法原理进行血压的测量，需要从压力传感器输出信号中分离出袖套静压信号与脉搏波信号，所以要分别设计相应的滤波电路。在放气过程中，袖带内压力是缓慢变化的，所以袖套静压信号属于低频信号，需采用LM324的低通滤波器电路(如图12)滤除高频信号。
[0038]传感器输出的压力信号中包括袖带压信号和脉搏波信号，它们不是简单的叠加，其中还夹杂着来自外界的高频干扰、直流或低频分量，即压力信号既包含高频干扰又包含低频干扰，只有其中一段频率信号是我们需要的。脉搏波信号的频率范围为0.6-39HZ，因此，设计了截止频率为0.6Hz的脉搏波信号高通滤波器电路(如图13)和截止频率为39Hz的脉搏波信号低通滤波器电路(如图14)，来提取脉搏波信号。
[0039]经过带通滤波器过滤的压力信号就可以称为脉搏波信号了，但脉搏波信号幅值较小，为此本发明设计了一个最大放大倍数为200倍的可调放大电路(如图15)，将测得的脉搏波信号调整到C8051F330单片机要求的幅值0-3.3V。
[0040]血压模块的A/D转换部分和与PC机的通讯部分由单片机(C8051F330)模块来完成(如图16)，在对单片机的I/O 口，外部时钟，A/D转换和串口分别进行初始化后，单片机处于等待串口命令状态。当接收到十六进制数(例如0XFF)指令时，在对血压信号采集之前，首先对硬件电路工作状态进行检测，若无故障则开启A/D转换进行血压数据的采集。单片机输出的信号通过CP2102的接口电路来传输到电脑上，供电脑软件进行采集。
[0041 ] 在电脑软件设计中，采用VC++6.0软件用API代码进行MFC的界面设计(如图17)与命令的发送，这个软件是一个基于VC++6.0设计的采集脉搏波波形、血压数值的显示器。用于测量人体脉搏波波形和血压数值并且显示在电脑上并且进行处理。
[0042]界面分析中，基于人机交互性考虑来设计图形界面，包括波形显示区、设备操作区、提示信息区、采样设置区。该界面可以显示血压模块串口设置、血压模块串口操作、血压显示、脉搏波模块串口设置、脉搏波模块串口操作、脉搏波波形设置操作、脉搏波采样波形、监测信息实时显示。
[0043]串口功能中，通过基本API代码实现串口的打开，关闭，固定读写模式以及串口的配置；在通信过程中，通过一些控制字控制串口的输入、输出以便于能够根据需要获取数据将采集到的数据根据需要来进行处理并显示。
【权利要求】
1.一种同时监测脉搏波波形和血压测量的装置，包括脉搏波的波形数据采集模块、模拟信号调理电路、A/D转换电路、单片机C8051F330及附属电路、CP2102的接口电路，接口电路中的信号通过USB接口传输到计算机；血压模块通过微型气泵控制袖带充气，电磁气阀来控制袖带放气，压力传感器采集到的信号依次传输到差分放大电路、高通滤波器、放大器、低通滤波器，然后传到单片机C8051F330处理电路进行示波法的舒张压与收缩压的计算，并且通过CP2012接口电路的USB接口传输到计算机；最后在计算机上完成数据的采集，接收脉搏波模块的波形中各个点的数值和血压模块的收缩压、舒张压以及脉率的数值，进行脉搏波波形和高压、低压和脉率的显示，调节脉搏波波形的采样频率、放大倍数、基线位置，在测量过程中实时显示监测信息。
2.如权利要求1所述的同时监测脉搏波波形和血压测量的装置，其特征在于:脉搏波传感器放在人体肱动脉位置处，采用HK2000C传感器，该传感器采用力敏元件PVDF压电膜。
3.如权利要求1所述的同时监测脉搏波波形和血压测量的装置，其特征在于:在血压传感器传出的信号中，采用三运放仪表放大器电路来改变信号幅值，获得差动信号，提高信号幅值，以供单片机对采集到的数据进行分析和研究。
4.如权利要求1所述的同时监测脉搏波波形和血压测量的装置，其特征在于:单片机C8051F330将所采集的数据存储，采用一串控制字进行封装，使所采集到的脉搏波和血压数据通过通信协议被电脑访问。
5.如权利要求1所述的同时监测脉搏波波形和血压测量的装置，其特征在于:在计算机上完成数据的采集和处理，使计算机上同时显示脉搏波波形、高压、低压、脉率，并且进行以调节脉搏波波形的采样频率、放大倍数、基线位置的测量。
【文档编号】A61B5/02GK104287699SQ201410487572
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】乔爱科, 杜国伟, 崔少飞, 宋晓瑞 申请人:北京工业大学