專利名稱：便攜式心血管血流參數(shù)檢測(cè)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
便攜式心血管血流參數(shù)檢測(cè)儀屬于人體生理參數(shù)檢測(cè)及電子醫(yī)療儀器研制開(kāi)發(fā)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
心血管疾病是當(dāng)今發(fā)達(dá)國(guó)家死亡率占第一位的重要疾病，世界衛(wèi)生組織已將其列為21世紀(jì)危害人類健康的頭號(hào)殺手，心血管血流參數(shù)是心血管疾病診斷的重要依據(jù)。脈搏波反映血管內(nèi)壓力、血管壁張力以及血管整體位移的綜合情況，是人體最基本的生命參數(shù)。根據(jù)臨床血流動(dòng)力學(xué)理論分析、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床研究得知隨血管外周阻力和血管壁硬化程度等生理病理因素的變化，人體脈搏波的波形將出現(xiàn)一系列規(guī)律性的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)脈搏波進(jìn)行檢測(cè)處理可獲取人體心血管血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。目前臨床上使用的脈搏血流參數(shù)檢測(cè)儀多采用8位單片機(jī)或PC機(jī)結(jié)合專用信號(hào)采集卡進(jìn)行脈搏信號(hào)的采集與處理，8位單片機(jī)的運(yùn)算速度低，數(shù)據(jù)處理能力不強(qiáng)，存儲(chǔ)空間有限，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)；而專用的信號(hào)采集卡成本高，兼容性差，如升級(jí)操作系統(tǒng)時(shí)其驅(qū)動(dòng)程序的升級(jí)較為困難。此外，目前已有的心血管功能檢測(cè)儀體積較大，價(jià)格昂貴，需要交流電源供電，不便于攜帶。醫(yī)生在野外出診或外出普查時(shí)通常要隨身攜帶血流參數(shù)檢測(cè)儀，當(dāng)附近沒(méi)有交流電源時(shí)就無(wú)法進(jìn)行診斷，耽誤患者的及時(shí)治療。

發(fā)明內(nèi)容
為了達(dá)到家庭和社區(qū)保健目的，需要一種小型輕便，具有實(shí)時(shí)清晰脈搏波波形顯示和血流參數(shù)分析處理功能的心血管血流參數(shù)檢測(cè)儀，為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的便攜式心血管血流參數(shù)檢測(cè)儀，該儀器能夠無(wú)創(chuàng)地檢測(cè)橈動(dòng)脈脈搏波的信息變化，對(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行分析處理，最終計(jì)算出心血管的血流參數(shù)。該儀器運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，同時(shí)具有功耗低，體積小，操作簡(jiǎn)單，便于隨身攜帶等特點(diǎn)，適合家庭和社區(qū)醫(yī)療保健使用，對(duì)心血管疾病的早期診斷具有重要的意義。
本發(fā)明的目的在于研制一種便攜式心血管血流參數(shù)檢測(cè)儀，其技術(shù)方案見(jiàn)圖1，其特征在于，包括有16位單片機(jī)MSP430、脈搏信號(hào)放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換器、LCD顯示器、存儲(chǔ)器、電源電路、健盤(pán)；在進(jìn)行心血管血流參數(shù)檢測(cè)時(shí)，首先通過(guò)鍵盤(pán)輸入血流參數(shù)檢測(cè)所需要的人體生理參數(shù)(身高、體重、收縮壓、舒張壓)，再用脈搏傳感器從人體橈動(dòng)脈處采集脈搏波信號(hào)，輸入脈搏信號(hào)放大濾波電路，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)，采集到的脈搏波形送到LCD顯示器上顯示，并保存到存儲(chǔ)器中；隨后對(duì)保存的脈搏波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)現(xiàn)有公式計(jì)算出心血管血流參數(shù)，以此作為依據(jù)來(lái)診斷心血管的功能狀況；儀器使用直流電池供電，通過(guò)電源電路將電池電壓轉(zhuǎn)換為所需要的電壓；脈搏信號(hào)放大濾波電路技術(shù)方案見(jiàn)圖2，包括有前置放大器、程控放大器、低通濾波器、高通濾波器、電平轉(zhuǎn)換和限幅電路；前置放大器能夠放大來(lái)自脈搏傳感器的微弱信號(hào)，鑒于脈搏波信號(hào)的個(gè)體差異性大，設(shè)計(jì)了程控放大器自動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)的放大倍數(shù)，防止信號(hào)失真；為抑制脈搏信號(hào)采集過(guò)程中引入的工頻干擾和溫度漂移等外部噪聲，設(shè)計(jì)了低通濾波器和高通濾波器；同時(shí)，為了使模擬信號(hào)滿足A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，設(shè)計(jì)了電平轉(zhuǎn)換和限幅電路。
還可以通過(guò)RS232串行接口或者USB接口將脈搏波數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上，供醫(yī)生進(jìn)一步分析處理或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳送到醫(yī)院。
本實(shí)用新型有效克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決了一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用超低功耗16位單片機(jī)MSP430，并選用μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)內(nèi)核，使檢測(cè)儀具有體積小、功耗低、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢(shì)。該檢測(cè)儀成本低，便于攜帶，大大提高了心血管血流參數(shù)檢測(cè)儀的應(yīng)用范圍。


圖1便攜式心血管血流參數(shù)檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)圖；圖2脈搏信號(hào)放大濾波電路結(jié)構(gòu)圖；圖3檢測(cè)儀數(shù)字部分電路圖；圖4電源電路圖；
圖5脈搏信號(hào)放大濾波電路圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的便攜式心血管血流參數(shù)檢測(cè)儀以超低功耗16位單片機(jī)MSP430F449作為控制核心，MSP430F449單片機(jī)內(nèi)含一個(gè)八通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器，因此不需要外加ADC芯片，同時(shí)還含有兩個(gè)通用同步/異步串行通訊接口，使接口電路的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，集成度更高，儀器的體積大大減少，增強(qiáng)了可攜帶性。
傳統(tǒng)的單片機(jī)軟件是前后臺(tái)方式的，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性差，軟件編寫(xiě)的難度和復(fù)雜度較大。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)提供了一個(gè)開(kāi)放的軟件框架和完善的多任務(wù)環(huán)境，在RTOS上設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件不僅簡(jiǎn)化了上層應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，而且提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。為了克服傳統(tǒng)單任務(wù)前后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)中存在的實(shí)時(shí)性差、穩(wěn)定性低、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等弊端，采用了嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件的設(shè)計(jì)方法。選用μC/OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核作為系統(tǒng)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，根據(jù)單片機(jī)與其C語(yǔ)言編譯器IAR Embedded Workbench的特點(diǎn)，將μC/OS-II移植到系統(tǒng)硬件平臺(tái)。同時(shí)，在μC/OS-II的內(nèi)核多任務(wù)管理機(jī)制下，結(jié)合系統(tǒng)的應(yīng)用需求，劃分不同任務(wù)模塊，設(shè)計(jì)應(yīng)用層軟件。
本實(shí)用新型的便攜式心血管血流參數(shù)檢測(cè)儀數(shù)字部分電路圖如圖3所示。鍵盤(pán)是人機(jī)對(duì)話的輸入設(shè)備，借助鍵盤(pán)可以向系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)，發(fā)出控制命令等。在掃描數(shù)字輸入鍵盤(pán)時(shí)，MSP430F449單片機(jī)的P3.0-P3.3各口依次輸出高電平，如果沒(méi)有按鍵按下，各口線讀入的電平狀態(tài)都為高；一旦有按鍵按下，相應(yīng)的I/O口為低電平，延時(shí)一段時(shí)間后再次檢測(cè)，如果I/O仍為低電平，確定有按鍵按下，識(shí)別按下的鍵碼值，執(zhí)行相應(yīng)的操作。圖3中，S1為復(fù)位鍵，S2為菜單選擇鍵，S3為確定鍵，S4為取消鍵，S4-S16為數(shù)字鍵，通過(guò)數(shù)字鍵輸入血流參數(shù)檢測(cè)所需要的身高、體重、收縮壓、舒張壓等參數(shù)。U8為RS232串行接口芯片MAX3232，J6為串行接口插座，可通過(guò)此串行通信接口將脈搏波數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)。由于MSP430的信號(hào)電平只有3.3V，所以選用MAXIM公司新推出的3.3V邏輯電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232來(lái)完成電平轉(zhuǎn)換，把MSP430串行輸出的CMOS電壓轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS-232-C邏輯電平。J5為L(zhǎng)CD顯示器接口插座，點(diǎn)陣式液晶顯示器除可以顯示字符外，還可以顯示各種圖形信息、漢字等，本設(shè)計(jì)采用HY12864點(diǎn)陣式液晶顯示器，液晶顯示器HY12864是一個(gè)128×64點(diǎn)陣顯示模塊，EL背光，可以顯示圖形和文字。J1為JTAG調(diào)節(jié)接口插座，通過(guò)此插座與PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)程序的在線調(diào)試與下載。
U9為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，為串行FLASH芯片AT45DB021，F(xiàn)LASH型存儲(chǔ)器具有容量大、功耗低、體積小的優(yōu)點(diǎn)，而且其價(jià)格比SRAM低的多。AT45DB021芯片中RESET引腳是復(fù)位腳，WP引腳是寫(xiě)保護(hù)腳，CS引腳是片選信號(hào)輸入引腳，SCK是串行時(shí)鐘輸入引腳，SI是串行數(shù)據(jù)輸入引腳，SO是串行數(shù)據(jù)輸出引腳。芯片AT45DB041是根據(jù)主控制器發(fā)出的命令字來(lái)執(zhí)行相應(yīng)操作的。在主控制器將CS信號(hào)端拉低后，給出正確的芯片操作字，就可以通過(guò)串行線將數(shù)據(jù)寫(xiě)入/讀出指定的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的字地址或主存儲(chǔ)區(qū)頁(yè)地址。當(dāng)讀/寫(xiě)至數(shù)據(jù)緩沖區(qū)或某一頁(yè)的末地址時(shí)，內(nèi)部指針都將返回同一數(shù)據(jù)緩沖區(qū)或頁(yè)的起始地址，從起始地址處再開(kāi)始讀或?qū)?，原先在這些地址中的數(shù)據(jù)就會(huì)被刷新。數(shù)據(jù)傳輸按照先高位后低位的過(guò)程進(jìn)行。為進(jìn)一步擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量，增加存儲(chǔ)器U10(芯片24C256)用來(lái)存儲(chǔ)字符等數(shù)字。U11為時(shí)鐘芯片DS1302，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號(hào)。
為了使儀器便于攜帶，心血管血流參數(shù)檢測(cè)儀采用+9V電池供電，可以在野外使用。因?yàn)镸SP430單片機(jī)以及相應(yīng)數(shù)字部分的器件采用低電平，所以設(shè)計(jì)為+3.3V電源供電，而檢測(cè)系統(tǒng)中放大電路等模擬部分采用的運(yùn)算放大器TL084是±5V電源供電的。因此，我們需要把+9V的電源轉(zhuǎn)換成+3.3V、+5V和-5V，以供給MSP430單片機(jī)及其模擬、數(shù)字電路部分。電源電路如圖4所示，主要采用MAXIM公司的產(chǎn)品MAX639、MAX860和NS公司的產(chǎn)品LP2985。MAX639可以將+9V的電池電壓轉(zhuǎn)換至+5V，供運(yùn)算放大器TL084使用。MAX639的輸入范圍是4V至11.5V，同時(shí)器件自動(dòng)輸出+3.3V電壓，或者用戶可以通過(guò)調(diào)整，將輸出電壓調(diào)整為1.3V至輸入電壓。MAX860可以將輸入電壓范圍在+1.5V至-5.5V的電壓對(duì)等的轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的負(fù)電壓(即-5.5V到-1.5V)，或者將輸入范圍為+2.5V至+5.5V的電壓變換為雙倍輸出，而這里只應(yīng)用其可輸出負(fù)壓的功能，其輸入電壓為+5V，輸出電壓為-5V。LP2985是輸出電流150mA，固定輸出的電壓調(diào)整器，它通常應(yīng)用于電池供電的設(shè)備中，提供超低失調(diào)和噪聲電壓。LP2985最大可輸入16V電壓，輸出電壓的范圍在2.8V致5.0V。LP2985關(guān)閉時(shí)靜態(tài)電流小于1μA，輸出電壓的準(zhǔn)確率高，峰值電流的負(fù)載大。LP2985的典型工作電路如圖4所示，輸入電壓為+9V，輸出電壓為+3.3V。
脈搏信號(hào)放大濾波電路如圖5所示，它是由前置放大電路(U2A，U2B，U2C)、程控放大電路U4、低通濾波器U3A、高通濾波器U3B、電平提升電路U3C和限幅電路U3D組成。電路中共使用了兩片14腳IC芯片TL084和一片16腳IC芯片CD4051。從傳感器采集的脈搏波信號(hào)的電壓幅值只有幾十毫伏，通常要求脈搏波放大器應(yīng)具有幾十倍到幾百倍的放大倍數(shù)。前置放大電路采用差動(dòng)式放大器，可以抑制零點(diǎn)漂移，增大輸入阻抗，減少共模信號(hào)干擾。壓力脈搏波幅度因個(gè)體不同差異很大，具有動(dòng)態(tài)變化范圍大的特點(diǎn)，為了滿足不同的需要，增加了程控放大電路，實(shí)現(xiàn)放大器增益的自動(dòng)控制。壓力脈搏波信號(hào)易受到50Hz市電干擾和高頻干擾，所以電路中采用一個(gè)40Hz低通濾波器，消除50Hz工頻干擾，抑制其它高頻噪聲。另外，為了削弱由于血管振動(dòng)和身體運(yùn)動(dòng)引起的偽差干擾等低頻干擾，電路中設(shè)計(jì)了截止頻率為0.1Hz的高通濾波器來(lái)抑制低頻干擾。由于MSP430單片機(jī)的內(nèi)部A/D模塊只能對(duì)單極性信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以脈搏波信號(hào)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，使其波形處于正區(qū)間，因此，需要設(shè)計(jì)電平提升電路來(lái)提高模擬脈搏波信號(hào)的電壓。同時(shí)，為了使脈搏波信號(hào)不超出A/D模塊的參考電壓范圍，還需要設(shè)計(jì)限幅電路來(lái)限制模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)電壓范圍。
利用本系統(tǒng)檢測(cè)了10例實(shí)驗(yàn)者的心血管參數(shù)，并與臨床廣泛采用的TP-CBS II型心功能血流參數(shù)檢測(cè)儀的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，心血管血流參數(shù)檢測(cè)結(jié)果比較如表1所示。兩者檢測(cè)結(jié)果基本一致，而本儀器在血流參數(shù)檢測(cè)中易于操作，可重復(fù)性好。
各心血管參數(shù)均是波形系數(shù)和心率的函數(shù)，因此這兩個(gè)參數(shù)直接反映了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。由表1可見(jiàn)，本系統(tǒng)檢測(cè)的血流參數(shù)與臨床采用的TP-CBS II型系統(tǒng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)基本一致。經(jīng)計(jì)算，波形系數(shù)的平均相對(duì)誤差為1.9％；心率的平均相對(duì)誤差為5.6％。心率是時(shí)變的參數(shù)，可能隨實(shí)驗(yàn)者的情緒、精神狀態(tài)的變化而發(fā)生改變，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有所波動(dòng)是正常的。
我們研制的基于脈搏波信息的心血管血流參數(shù)檢測(cè)儀，能夠?qū)崟r(shí)地采集顯示脈搏波信息，準(zhǔn)確自動(dòng)地分析脈搏波信號(hào)，計(jì)算血流參數(shù)。儀器采用直流電源供電，可以隨身攜帶，操作使用方便、運(yùn)行安全可靠，可以滿足臨床使用的要求。
表1 心血管血流參數(shù)檢測(cè)結(jié)果比較


注TP代表TP-CBS的檢測(cè)結(jié)果，M表示我們研制的系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果。
權(quán)利要求1.一種便攜式心血管血流參數(shù)檢測(cè)儀，其特征在于，包括有16位單片機(jī)MSP430、脈搏信號(hào)放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換器、LCD顯示器、存儲(chǔ)器、電源電路、健盤(pán)；所述的脈搏信號(hào)放大濾波電路，依次包括有前置放大器、程控放大器、低通濾波器、高通濾波器、電平轉(zhuǎn)換和限幅電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式心血管血流參數(shù)檢測(cè)儀，其特征在于，還可以通過(guò)RS232串行接口或者USB接口將上述脈搏波數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上。
專利摘要本實(shí)用新型屬人體生理參數(shù)檢測(cè)儀器領(lǐng)域?，F(xiàn)有8位單片機(jī)的運(yùn)算速度低，數(shù)據(jù)處理能力不強(qiáng)，存儲(chǔ)空間有限，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)；而專用的信號(hào)采集卡成本高，兼容性差。包括有16位單片機(jī)MSP430、脈搏信號(hào)放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換器、LCD顯示器、存儲(chǔ)器、電源電路、健盤(pán)；首先通過(guò)鍵盤(pán)輸入所需人體生理參數(shù)，再用脈搏傳感器采集脈搏波信號(hào)，輸入脈搏信號(hào)放大濾波電路，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)，采集到的脈搏波形送到LCD顯示器上顯示，并保存到存儲(chǔ)器中；隨后對(duì)保存的數(shù)據(jù)分析處理，計(jì)算出心血管血流參數(shù)；儀器使用直流電池供電，通過(guò)電源電路將電池電壓轉(zhuǎn)換為所需要的電壓。本實(shí)用新型小型輕便，具有實(shí)時(shí)清晰脈搏波波形顯示和血流參數(shù)分析處理功能。
文檔編號(hào)A61B5/024GK2832050SQ200520113958
公開(kāi)日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2005年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月18日
發(fā)明者吳水才, 杜旭, 白燕萍, 張松, 李旭雯, 楊益民 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)