利用半導(dǎo)體壓力傳感器和ARM實(shí)現(xiàn)便攜式心血管無(wú)創(chuàng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前對(duì)心血管健康狀況的檢測(cè)方法大多數(shù)是應(yīng)用于醫(yī)院的臨床診斷，有的是有創(chuàng)傷性的，給人體帶來(lái)痛苦甚至感染；有的需要專(zhuān)業(yè)醫(yī)生操作，檢測(cè)過(guò)程非常繁瑣。特別是大多數(shù)心血管功能參數(shù)的檢測(cè)儀器比較笨重，價(jià)格不菲，不適用于普通家庭用戶(hù)的使用。

本文利用半導(dǎo)體壓力傳感器獲得橈動(dòng)脈處的脈搏波信號(hào)，壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)，下面就簡(jiǎn)單介紹一些常用傳感器原理及其應(yīng)用。另有醫(yī)用壓力傳感器。壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過(guò)這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng)變化微?。ㄒ簿驼f(shuō)壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。

1 檢測(cè)原理

人體血液循環(huán)系統(tǒng)包括心、血管系和淋巴系，它是人體內(nèi)一套封閉的連續(xù)管道系統(tǒng)，分布于身體各部。心血管系由心、動(dòng)脈、靜脈和連于動(dòng)、靜脈之間的毛細(xì)血管組成，其中有血液循環(huán)流動(dòng)。心有節(jié)律的收縮，是血液循環(huán)的動(dòng)力，它將血液射入動(dòng)脈，流經(jīng)龐大的毛細(xì)血管網(wǎng)，再經(jīng)各級(jí)靜脈流回心。血液在毛細(xì)血管內(nèi)流動(dòng)緩慢，經(jīng)過(guò)極薄的毛細(xì)血管壁與周?chē)慕M織和細(xì)胞進(jìn)行氣體交換和物質(zhì)交換。組織間隙內(nèi)的水分和代謝產(chǎn)物等，除由毛細(xì)血管回收，沿靜脈回流入心外，還有第二條回流渠道，即由淋巴系回流入心。淋巴系由淋巴管道、淋巴器官和淋巴組織構(gòu)成，起于器官和組織內(nèi)呈盲端的毛細(xì)淋巴管，借其回收一部分組織液而成為淋巴液，沿淋巴管回流，最后由淋巴導(dǎo)管匯入靜脈。血液循環(huán)系統(tǒng)是血液在體內(nèi)流動(dòng)的通道，分為心血管系統(tǒng)和淋巴系統(tǒng)兩部分，一般我們所說(shuō)的循環(huán)系統(tǒng)指的是心血管系統(tǒng)。它又由體循環(huán)和肺循環(huán)構(gòu)成。圖1給出了彈性腔分室網(wǎng)絡(luò)理論的示意圖。

2 儀器設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

心血管功能參數(shù)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)儀的系統(tǒng)框圖如圖2所示。該儀器以32位ARM單片計(jì)算機(jī)LPC2114為核心，ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類(lèi)多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等。ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類(lèi)多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等。包括傳感器、充/放氣自動(dòng)控制電路、信號(hào)調(diào)理電路、液晶顯示器LCD、外部存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）電路、鍵盤(pán)、電源管理、USB接口等幾部分。

2.1.1 嵌入式處理器

嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。范圍極其廣闊，從最初的４位處理器，目前仍在大規(guī)模應(yīng)用的８位單片機(jī)，到最新的受到廣泛青睞的32位，64位嵌入式CPU。目前世界上具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器已經(jīng)超過(guò)1000種，流行體系結(jié)構(gòu)包括MCU，MPU等30多個(gè)系列。鑒于嵌入式系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景，很多半導(dǎo)體制造商都大規(guī)模生產(chǎn)嵌入式處理器，并且公司自主設(shè)計(jì)處理器也已經(jīng)成為了未來(lái)嵌入式領(lǐng)域的一大趨勢(shì)，其中從單片機(jī)、DSP到FPGA有著各式各樣的品種，速度越來(lái)越快，性能越來(lái)越強(qiáng)，價(jià)格也越來(lái)越低。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64kB到16MB，處理速度最快可以達(dá)到2000 MIPS，封裝從8個(gè)引腳到144個(gè)引腳不等。常見(jiàn)的嵌入式處理器的比較如表1所示。

考慮到本系統(tǒng)有低成本、低功耗、便攜式的要求，所以選用ARM處理器。ARM處理器的特點(diǎn)是處理速度快、超低功耗、開(kāi)發(fā)資源豐富、價(jià)格低廉易購(gòu)買(mǎi)，非常適合本系統(tǒng)的要求。具體芯片選擇PHILPS公司的32位ARM處理器LPC2114。ARM處理器是一個(gè)32位元精簡(jiǎn)指令集（RISC）處理器架構(gòu)，其廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1.2 傳感器

能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)采用兩種傳感器：一個(gè)是專(zhuān)門(mén)用于血壓測(cè)量的壓阻式傳感器。另一個(gè)是半導(dǎo)體應(yīng)變片式壓阻傳感器，用于采集腕部的脈搏波。半導(dǎo)體式傳感器[5]主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之廣泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開(kāi)各種各樣的傳感器。

血壓傳感器選用***生產(chǎn)的壓阻式傳感器MPS3100，其特性包括：氣壓范圍0-300mmHg，工作溫度范圍-40℃～85℃， 易用、易安裝于OEM設(shè)備、低價(jià)位SMD封裝，工作電源5V，因此MPS3100是一款非常適合于血壓測(cè)量的傳感器。具體電路如圖3所示。

2.1.3 信號(hào)調(diào)理電路

由于脈搏波信號(hào)屬于微弱、低頻信號(hào)，幅度只有10mV左右，所以需要設(shè)計(jì)兩級(jí)信號(hào)放大電路。本儀器采用程控放大電路，并根據(jù)采集到的信號(hào)大小，利用軟件控制不同的放大倍數(shù)，使信號(hào)輸出的幅度在0.8V左右，具體電路如圖4所示。在采集脈搏信號(hào)時(shí)，必須施加預(yù)壓力，因此檢測(cè)到的脈搏信號(hào)中包含一直流分量。為了提取到有用的脈搏波信號(hào)，在二級(jí)放大電路前加了一個(gè)電容來(lái)濾掉這個(gè)直流分量，由IC9高精度運(yùn)算放大器再次將經(jīng)IC8放大的已經(jīng)不含直流分量的信號(hào)放大，并且通過(guò)IC7來(lái)控制信號(hào)的增益。

2.1.4 鍵盤(pán)和液晶顯示

顯示部分選用青云公司的液晶顯示屏LCM192641，大小為120mm×62mm×12.5mm，其供電電源為5V，帶有背光，控制器是KS0107，STN 黃藍(lán)模式。測(cè)量之前要求輸入個(gè)人的資料，例如：身高、體重、年齡以及時(shí)間的調(diào)整以及測(cè)量操作需要按鍵。

本設(shè)計(jì)采用薄膜鍵盤(pán)，它具有外形美觀、防水防塵防腐蝕、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、按鍵反應(yīng)靈敏、操作力均勻、無(wú)短路現(xiàn)象以及裝配方便的特點(diǎn)。儀器的鍵盤(pán)為28矩陣鍵盤(pán)，包括10個(gè)數(shù)字鍵0～9，4個(gè)方向鍵（上、下、左、右），“返回”和“確定”鍵。采用掃描輸入方式。如圖5所示，行線Key1、Key2的一端通過(guò)電阻接正電源，另外一端作為輸出端接LPC2114的I/O口。列線DB0～DB8作為輸入端接ARM的I/O口。這樣，當(dāng)沒(méi)有鍵按下時(shí)，兩路輸出均為高電平。若行線輸出為低電平，一旦有鍵按下，則對(duì)應(yīng)輸入的列線電位就會(huì)被拉低，通過(guò)讀入線的狀態(tài)就知道是否有鍵按下。

2.1.5 電源管理

系統(tǒng)采用電池和電源適配器兩種方式供電。供電電池采用四節(jié)1.5V堿性電池，電源適配器采用輸出為6V的適配器，使儀器的使用更加方便。其電路如圖6所示。圖中，P8為電源適配器接口，電源適配器可通過(guò)D2和IC17將電壓穩(wěn)定在6V，然后對(duì)電池BAT進(jìn)行充電。

儀器電源的開(kāi)關(guān)由鍵POWER控制。未開(kāi)機(jī)前，三極管TR16截止，系統(tǒng)內(nèi)部沒(méi)有電源供應(yīng)。POWER鍵為點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，按下時(shí)Vbat經(jīng)R122和D7接地，三極管TR16導(dǎo)通，電源開(kāi)始給LPC2114及外圍電路供電。程序運(yùn)行的過(guò)程中，LPC2114始終將VCON置高電平，使TR17導(dǎo)通。雖然此時(shí)POWER鍵斷開(kāi)，但因?yàn)門(mén)R17導(dǎo)通，使三極管TR16的B極電位拉低，TR16導(dǎo)通，電源仍然正常供電。圖6中，OPEN接到LPC2114的一個(gè)外部中斷口，儀器在運(yùn)行的過(guò)程中，按下電源鍵POWER并放開(kāi)，OPEN產(chǎn)生上跳沿，引起中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中設(shè)置VCON為低電平，使三極管TR17截止，同時(shí)三極管TR16也隨之截止，從而切斷電源，實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)的功能。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、軟件的可移植性并且便于日后升級(jí)，32位ARM單片計(jì)算機(jī)采用嵌入式操作系統(tǒng)是非常必要的。本系統(tǒng)采用源代碼公開(kāi)的μC/OSII操作系統(tǒng)，μC/OSII具有內(nèi)核小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可移植性和可裁剪性好等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用程序中包括若干個(gè)任務(wù)：液晶顯示、鍵盤(pán)掃描、USB通訊、外部存儲(chǔ)、充/放氣控制、測(cè)量任務(wù)、打印等，在測(cè)量任務(wù)中實(shí)現(xiàn)脈搏波和血壓的測(cè)量。脈搏波信號(hào)和血壓信號(hào)是通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的傳感器分別采集處理的，首先采集脈搏波信號(hào)，并對(duì)其放大、濾波、平均化、歸一化等處理后，計(jì)算脈搏波的特征點(diǎn)的特征值并保存；然后采集血壓信號(hào)，在放氣過(guò)程中，提取脈搏波的峰值組成的包絡(luò)線，利用示波法計(jì)算血壓和心率；最后通過(guò)血壓、心率、個(gè)人信息和已存的脈搏波特征值推算心血管參數(shù)。

3 測(cè)試結(jié)果

將本儀器用于人體心血管多參數(shù)的測(cè)量，共測(cè)量了56例無(wú)明顯心血管疾病病史的在校教師和學(xué)生，其中男生30例女生26例；年齡從20歲～54歲，然后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)測(cè)人群的心血管參數(shù)如表2所示。

利用便攜式心血管無(wú)創(chuàng)檢測(cè)儀能夠測(cè)量血管、心臟、血液、微循環(huán)四類(lèi)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，儀器的重復(fù)性好，性能穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，能夠較好地反映相應(yīng)的心血管健康狀況。特別是該儀器擺脫了傳統(tǒng)心血管檢測(cè)儀器對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴(lài)，采用一體化的設(shè)計(jì)，操作方便快捷、結(jié)果簡(jiǎn)單直觀、重量輕、體積小，適合個(gè)人及家庭的心血管多參數(shù)快速的檢測(cè)。