基于ARM的便携式心血管无创检测系统
2008-07-08
作者：赵学玲1，2，徐可欣1，张乐石1
摘 要： 根据脉搏波" title="脉搏波">脉搏波信号和修正了的弹性腔分室网络模型，设计和开发了基于ARM的便携式心血管无创检测系统。介绍了传感器设计中温度补偿、信号调理、键盘以及电源管理等几个关键的问题。
关键词： 脉搏波 弹性腔 压力传感器 ARM 嵌入式系统
目前对心血管健康状况的检测方法大多数是应用于医院的临床诊断，有的是有创伤性的，给人体带来痛苦甚至感染；有的需要专业医生操作，检测过程非常繁琐。特别是大多数心血管功能参数的检测仪器比较笨重，价格不菲，不适用于普通家庭用户的使用。因此，研究方便快捷的无创伤心血管健康状况的检测方法和装置，实现家庭及个人心血管健康状况的检测，对预防心血管疾病的发生具有重要的意义。
本文利用半导体压力传感器获得桡动脉处的脉搏波信号，以ARM单片计算机构成的嵌入式系统处理该脉搏波信号，通过提取脉搏波的特征点(主波、重搏前波和重搏波高度等)，对人体循环系统弹性腔分室网络模型进行智能分析，从而达到对心血管健康状况的多参数快速检测。
1 检测原理
人体血液循环系统是一个充满血液的胡克弹性体管道系统，在这个弹性管道系统中可分成心脏、动脉、毛细血管、静脉和神经体液调节五个腔室，这些腔室相互连接沟通形成网络，血液在此网络中由心脏加压搏出，经动脉至毛细血管，然后由静脉回到心脏，从而形成在机体整体调节下以心脏为中心的周流不息的血液循环，以完成机体生命活动的需要。其中，心脏搏出的血量和由静脉回心的血量是完全均等平衡的。心脏收缩加力推动血液循环，血液经全身循环后回到心脏时，力能亦已消耗贻尽，而经心脏收缩再次加力，重新循环，这就是修正了的Frank弹性腔分室网络理论[1-2]。图1给出了弹性腔分室网络理论的示意图。
2 仪器设计
2.1 硬件设计
心血管功能参数无创检测仪的系统框图如图2所示。该仪器以32位ARM单片计算机LPC2114为核心，包括传感器、充/放气自动控制电路、信号调理电路、液晶显示器LCD、外部存储器、实时时钟（RTC）电路、键盘、电源管理、USB接口等几部分。
2.1.1 嵌入式处理器
目前嵌入式处理器[3-4]主要有以下几类：基于ARM内核的、MIPS、POWER PC、X86系列。对于嵌入式处理器的选择需要考虑的因素主要有：外围资源、价格、是否有片上Flash、开发难易、应用领域等。常见的嵌入式处理器的比较如表1所示。
考虑到本系统有低成本、低功耗、便携式的要求，所以选用ARM处理器。ARM处理器的特点是处理速度快、超低功耗、开发资源丰富、价格低廉易购买，非常适合本系统的要求。具体芯片选择PHILPS公司的32位ARM处理器LPC2114。该芯片具有加密功能、128KB片内Flash 程序存储器、空闲和掉电二个低功耗模式、4/8路（64/144脚封装）10位A/D" title="A/D">A/D转换器(转换时间为2.44μs)，二个32 位定时器（带4 路捕获和4 路比较通道）、PWM单元（6 路输出）、实时时钟和看门狗。
2.1.2 传感器
系统采用两种传感器：一个是专门用于血压测量的压阻" title="压阻">压阻式传感器。另一个是半导体应变片式压阻传感器，用于采集腕部的脉搏波。半导体式传感器[5]主要由敏感元件、转换元件和基本转换电路构成。其中，敏感元件是弹性横梁磷铜片，转换元件是半导体应变片，基本转换电路是四臂差动电桥。此半导体压阻传感器具有灵敏系数大、机械滞后小、阻值范围宽、横向效应小等特性。
血压传感器选用台湾生产的压阻式传感器MPS3100，其特性包括：气压范围0-300mmHg，工作温度范围-40℃～85℃, 易用、易安装于OEM设备、低价位SMD封装，工作电源5V，因此MPS3100是一款非常适合于血压测量的传感器。为了减小温度对传感器信号的影响，在电路中特意设计了温度补偿电路，使传感器转换后的信号失真更小。具体电路如图3所示。
2.1.3 信号调理电路
由于脉搏波信号属于微弱、低频信号，幅度只有10mV左右，所以需要设计两级信号放大电路。本仪器采用程控放大电路，并根据采集到的信号大小，利用软件控制不同的放大倍数，使信号输出的幅度在0.8V左右，具体电路如图4所示。在采集脉搏信号时，必须施加预压力，因此检测到的脉搏信号中包含一直流分量。为了提取到有用的脉搏波信号，在二级放大电路前加了一个电容来滤掉这个直流分量，由IC9高精度运算放大器再次将经IC8放大的已经不含直流分量的信号放大，并且通过IC7来控制信号的增益。AD8400是一个程控放大器，由ARM处理器根据采集脉搏波的幅值进行调整和控制。IC9输出信号幅值范围在0～0.8V，该信号最后送往LPC2114的一路A/D中。
2.1.4 键盘和液晶显示
显示部分选用青云公司的液晶显示屏LCM192641，大小为120mm×62mm×12.5mm，其供电电源为5V，带有背光，控制器是KS0107，STN 黄蓝模式。测量之前要求输入个人的资料，例如：身高、体重、年龄以及时间的调整以及测量操作需要按键。
本设计采用薄膜键盘，它具有外形美观、防水防尘防腐蚀、寿命长、性能稳定、按键反应灵敏、操作力均匀、无短路现象以及装配方便的特点。仪器的键盘为28矩阵键盘，包括10个数字键0～9，4个方向键(上、下、左、右），“返回”和“确定”键。采用扫描输入方式。如图5所示，行线Key1、Key2的一端通过电阻接正电源，另外一端作为输出端接LPC2114的I/O口。列线DB0～DB8作为输入端接ARM的I/O口。这样，当没有键按下时，两路输出均为高电平。若行线输出为低电平，一旦有键按下，则对应输入的列线电位就会被拉低，通过读入线的状态就知道是否有键按下。键盘扫描的延时和去抖处理在软件中实现。
2.1.5 电源管理
系统采用电池和电源适配器" title="电源适配器">电源适配器两种方式供电。供电电池采用四节1.5V碱性电池，电源适配器采用输出为6V的适配器，使仪器的使用更加方便。其电路如图6所示。图中，P8为电源适配器接口，电源适配器可通过D2和IC17将电压稳定在6V，然后对电池BAT进行充电。
仪器电源的开关由键POWER控制。未开机前，三极管TR16截止，系统内部没有电源供应。POWER键为点动开关，按下时Vbat经R122和D7接地，三极管TR16导通" title="导通">导通，电源开始给LPC2114及外围电路供电。程序运行的过程中，LPC2114始终将VCON置高电平，使TR17导通。虽然此时POWER键断开，但因为TR17导通，使三极管TR16的B极电位拉低，TR16导通，电源仍然正常供电。图6中，OPEN接到LPC2114的一个外部中断口，仪器在运行的过程中，按下电源键POWER并放开，OPEN产生上跳沿，引起中断，在中断服务函数中设置VCON为低电平，使三极管TR17截止，同时三极管TR16也随之截止，从而切断电源，实现关机的功能。
输出电源通过电阻R123、R124分压，Vlow AD接入ARM的一路A/D中。当检测到蓄电池电压低于设定阈值时，则提醒用户插上电源适配器开始工作并对蓄电池充电。
2.2 软件设计
为了实现系统工作的稳定性、软件的可移植性并且便于日后升级，32位ARM单片计算机采用嵌入式操作系统是非常必要的。本系统采用源代码公开的μC/OSII操作系统，μC/OSII具有内核小、结构简单、可移植性和可裁剪性好等优点。应用程序中包括若干个任务：液晶显示、键盘扫描、USB通讯、外部存储、充/放气控制、测量任务、打印等，在测量任务中实现脉搏波和血压的测量。脉搏波信号和血压信号是通过两个独立的传感器分别采集处理的，首先采集脉搏波信号，并对其放大、滤波、平均化、归一化等处理后，计算脉搏波的特征点的特征值并保存；然后采集血压信号，在放气过程中，提取脉搏波的峰值组成的包络线，利用示波法计算血压和心率；最后通过血压、心率、个人信息和已存的脉搏波特征值推算心血管参数。
3 测试结果
将本仪器用于人体心血管多参数的测量，共测量了56例无明显心血管疾病病史的在校教师和学生，其中男生30例女生26例；年龄从20岁～54岁，然后对测量数据进行统计分析，实测人群的心血管参数如表2所示。
利用便携式心血管无创检测仪能够测量血管、心脏、血液、微循环四类参数。实验结果表明，仪器的重复性好，性能稳定，测量结果准确，能够较好地反映相应的心血管健康状况。特别是该仪器摆脱了传统心血管检测仪器对计算机的依赖，采用一体化的设计，操作方便快捷、结果简单直观、重量轻、体积小，适合个人及家庭的心血管多参数快速的检测，对心血管的保健和预防起到了很好的指导作用。
参考文献
[1] 柳兆荣，李惜惜.弹性腔理论及其在心血管系统分析中的应用[M].北京：科学出版社，1987.
[2] 南昌市第二医院脉图研究室.脉图曲线方程组[J].江西中医药，1980，(3):80-91.
[3] 王田苗.嵌入式系统设计与实例开发[M].北京：清华大学出版社，2002.
[4] 吴明晖.基于ARM的嵌入式系统开发与应用[M].北京：人民邮电出版社，2004.
[5] 张维新.半导体传感器[M].天津：天津大学出版社, 1990.
[6] 陈国伟，伍富贵.21世纪心血管疾病研究展望[J]. 新医学，2001, 32(8):455-457.