医疗级别的电子超低功耗血压计方案

方案概述                        

 
电子血压计具有无创性/操作简单/使用方便等特点，得到了广泛的应用。血压计，可以快捷的获得患者的血压，脉搏等体征参数，方便患者。
 
血压计方案的核心芯片是SILICON LABS的SOC芯片C8051F930。
 
方案设计集成了一个高速的51内核，8路10 位A/D,3个8/16定时器，4K RAM ，64K FLASH。可以单节或双节供电，有SLEEP,IDLE等工作模式，最低电流消耗<1uA，。可以非常好的满足医疗产品体积小，功耗低，RAM相对较大，运算快的要求。


系统架构框图 


测量原理：
 
血压计方案血压测量采用显波法， 示波法又称为压力振荡法。
 
其工作过程是先将袖带充气以阻断动脉血流，然后在放气过程中检测袖带内的气体压力并提取微弱的脉搏波。如下图所示，当袖带压力P远高于收缩压时，脉搏波消失，随着袖带压力下降，脉搏开始出现。当袖带压力从高于收缩压降到收缩压Ps以下时，脉搏波会突然增大，在平均压Pm时幅值达到最大。然后脉搏波又随袖带压力下降而衰减。示波法血压测量就是根据脉搏波幅度与袖带压力之间的关系来估计血压的。脉搏波最大值对应的是平均压Pm，收缩压Ps和舒张压Pd分别由对应脉搏波最大幅值的比例来确定。

   
测量血压时，随着袖带压力的下降血管由阻断变导通，这一过程会在袖带中产生一系列的小脉冲。将小脉冲拾取出来，将其峰值连成曲线，得出包络线，。利用示波法判定收缩压和舒张压的具体方法很多，主要可以归纳为两种：波形特征法和幅度系数法。波形特征法基本原理是利用脉搏波包络线的拐点测量血压，上升时拐点对应的静压力为收缩压，下降时拐点对应的静压力为舒张压。这种方法测量的个体适应性较差，测量精度不稳定，已逐渐被幅度系数法所替代。
 
幅度系数法又称“归一法”。它是将脉搏波振动信号的幅值与信号的最大幅值相比进行归一化处理，通过确定收缩压和舒张压的归一化系数来识别收缩压与舒张压，如图3所示。其中，As为收缩压对应的脉搏波幅度，Am为平均压所对应的脉搏波的幅度，Ad为舒张压对应的脉搏波幅度，As／Am为收缩压Ps的归一化值，Ad／Am为舒张压Pd的归一化值，Pc为袖带压力，横坐标代表放气过程中袖带内压力的不断减小。As／Am=C1，Ad／Am=C2，分别对应收缩压和舒张压的位置。根据测得的脉搏波幅值和对应的静压力，就可以得出收缩压Ps、舒张压Pd和平均压Pm。一般收缩压的幅度系数为0.46～0.64，舒张压的幅度系数为0.43～0.73。

   
血压/脉搏判断方法：
 
收缩压判据的确定：在充气过程中脉搏波幅度包络线的上升段，当某一个脉搏波的幅度Ui与最大幅度Um之比Ui／Um=Ks时，就认为此时对应的气袖压力为收缩压。即Ps=P∣Ui=Ks·Um。舒张压判据的确定：在脉搏波幅度包络线的下降段，当某一个脉搏波的幅度Ui与最大幅度Um之比Ui／Um=Kd时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压。即Pd=P∣Ui=Kd·Um。心率指心脏每分钟搏动的次数。由于心脏与脉搏搏动一致，所以在测量血压的同时可以测得心率。测定心率的关键是判断脉搏波的峰值，然后根据一定时间内有多少个脉搏波计算出心率。
 
硬件电路：
 
气动部分：

气动电路由袖带、气泵、压力传感器和放气阀构成。压力传感器输出的两路信号分别经过滤波，放大后与主控制器两路A／D相接，完成静压信号和脉搏信号的测量；气泵和放气阀由主控制器经驱动芯片直接控制，完成测量时候的充放气。
 
压力传感部分：

人体生理信号的特点是低频小信号，一般是μV～mV级的，频率范围是0～300 Hz，信噪比低，因此选择一个性能良好的传感器就非常重要，本方案选择US9111传感器配合两路精心设计的滤波放大电路获得较高质量的信号。
 
滤波放大部分：

从压力传感器出来的信号是脉搏信号和静压信号的混合信号，还夹杂着来自外界的高频干扰和直流或低频分量。静压信号属低频信号，频率小于或等于0.04 Hz，脉搏信号频率一般约为1 Hz。将混合信号分为两部分，一路经过一个低通滤波电路后连接A／D转换器进行模／数转换，得到静压信号数据；另一路通过另一路滤波放大电路后进行模／数转换，得到放大的脉搏信号数据。具体电路如图


此电路不仅可以提取出所需的脉搏信号，还对微弱的脉搏信号进行了放大。脉搏信号的强度因人而异，但一般范围为1～3 mmHg。



性能优势                          

 
●方案采用低功耗设计, 用2节 AAA 电池供电,供电电压/DC 3V

●电流消耗：
气泵充气状态：                        32mA
放气放气测量状态：                    21mA
休眠状态：                            20uA

●使用微电子气泵控制系统全自动加压/泄压，自动完成血压/脉博测量，及测量结果的显示。


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