CN103222861B - 一种无创血压模拟系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明特别涉及一种无创血压模拟系统及其实现方法，包括：用于输出压力波形信号给步进电机的微处理器模块、容积不大于20cc气缸、位置传感器、压力传感器、温度传感器、一个通过第一电磁阀与大气连接的放气管，一个通过第二电磁阀与所述气缸连接的内部血压袖带、在所述汽缸上设有与血压计连接的压力端口。本发明提供了一种通过电子技术对应用示波法原理血压计及检测和校准仪器，可以用于示波法无创血压计的生产或研发，同现有技术相比，由于其量值转换装置高效、精密且长时间不用维护，是模拟仪具有重复性好、精确、长时间运行稳定的特点；相对现有无创血压模拟装置增加多种检测功能，从而使本发明模拟参数多样、检测功能全面。

Description

一种无创血压模拟系统及其实现方法

技术领域

本发明属于医疗测试设备领域，特别涉及一种无创血压模拟系统及其实现方法，通过外围充气泵、电磁阀模块可以对血压计进行漏气率测试、过压保护测试和静态压力校准，并设有内部标准气瓶模拟袖带进一步提高模拟的一致性。

背景技术

随着现代生活节奏的加快及生活方式的改变，健康得到人们越来越多的关注，血压做为一项重要的健康指标已经得到广泛应用和认可。血压成为临床上诊断疾病、观察治疗效果、进行预后判断等的重要依据，血压的测量可以通过直接和间接两种方法实现．直接法是有创测量方法．通过将导管插入血管内．由压力传感器获得血压值；间接法是无创测量方法。有创法具有测量准确的优点，无创血压测量中最常用的方法为示波法和柯氏音法。水银血压计就是应用柯氏音法原理，在临床广泛应用。随着电子技术的发展，示波法广泛应用于电子血压计中，相较于柯氏音法，示波法排除了主观因素和环境声干扰，实现了血压的自动测量，使血压测量不再依靠专业人员，普通人在家里即可测量。因此，血压计的性能对血压的测量值有着重要的影响，大多数血压计都建议一年检测一次。

目前对于对示波法血压计的检测方法和设备基本分为两种，一种是模拟人体手臂；一种是根据示波法原理将模拟压力波动直接输入到血压计的气动系统中。模拟人体手臂方案，所采用传动装置复杂，一般由弹性膜包裹着夹有人造血管的人造肌肉层，由于现有材料限制这些人造组织很难模拟真正的人体组织，从而对血压计的测量造成误差，而且这种装置大都采用静态血压模拟，无法实现不同患者状态的模拟。另一种方法如专利公开号为CN 202342027 U的专利采用的就是将模拟压力波动直接输入到血压计气动系统的方法，虽然采用了将模拟压力波动直接输入到血压计的气动系统中的实现方法，从专利中可以看出其采用的伺服电机控制复杂，需要一个专用的控制器。他的传递装置包括了连接轴、丝杆、丝杆固定座、移动平台、活塞、气缸，量值传递复杂，通过其外的密封盒可以看出其运行环境要求严格，各部件间需润滑、无尘，长时间运行不利于其稳定和准确性；而且此方案中没有活塞位置反馈装置，将无法修正活塞初始位置的偏差造成的模拟一致性偏差，并且无法准确模拟脉搏量参数。此方案没有自动充气和放气装置，无法对血压计的气密性、过压保护等性能进行检测，无法全面的检测血压计，特别是在模拟婴儿血压测量时，其准确性和重复性及差。

发明内容

本发明的目的提出一种无创血压模拟系统及其实现方法，针对现有血压模拟设备技术上的不足，通过精密位置传感器对模拟误差进行修正，通过外围充气泵、电磁阀模块可以对血压计进行漏气率测试、过压保护测试和静态压力校准，并设有内部标准气瓶模拟袖带进一步提高模拟的一致性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种无创血压模拟系统，所述系统包括：

一个用于输出压力波形信号给步进电机的微处理器模块；

一个带有活塞的容积不大于20cc气缸，所述步进电机连接并驱动所述活塞前后运动；

一个设置于气缸活塞口、传递活塞位置的位置传感器，所述位置传感器与所述微处理器模块连接；

一个设置于汽缸上、反馈气缸内压力的压力传感器，在气缸与压力传感器连接的管路中设置有温度传感器，所述温度传感器和压力传感器与所述微处理器模块连接；

一个通过第一电磁阀与大气相连的放气管，所述第一电磁阀与所述微处理器模块连接；

一个通过第二电磁阀与所述气缸连接的容积不大于290cc的内部血压袖带，所述第二电磁阀与所述微处理器模块连接；

在所述汽缸上设有与血压计连接的压力端口。

方案进一步是，所述气缸通过单向阀连接一个用于漏气率测试、过压保护测试的隔膜式气泵。

一种基于无创血压模拟系统的无创血压模拟实现方法，所述系统包括：

一个用于输出压力波形信号给步进电机的微处理器模块；

一个带有活塞的容积不大于20cc气缸，所述步进电机连接并驱动所述活塞前后运动；

一个设置于气缸活塞口、传递活塞位置的位置传感器，所述位置传感器与所述微处理器模块连接；

一个设置于汽缸上、反馈气缸内压力的压力传感器，在气缸与压力传感器连接的管路中设置有温度传感器，所述温度传感器和压力传感器与所述微处理器模块连接；

一个通过第一电磁阀与大气相连的放气管，所述第一电磁阀与所述微处理器模块连接；

一个通过第二电磁阀与所述气缸连接的容积不大于290cc的内部血压袖带，所述第二电磁阀与所述微处理器模块连接；

在所述汽缸上设有血压计连接的压力端口，压力端口连接一个被测血压计；

在所述微处理器模块中存储有对应不同类型血压的数据模型，其特征在于，所述无创血压模拟实现方法是：

a.气缸活塞回到初始位置：通过检测位置传感器将气缸活塞恢复到原位；

b.选择模拟数据类型：如果进行内部袖带血压测量，则关闭第一电磁阀，打开第二电磁阀；如果进行外部袖带血压的测量，则关闭第二电磁阀和第一电磁阀，并在压力端口处通过一个三通导管同时连接一个外部袖带和被测血压计；

c.血压计测量开始后对袖带进行充气，直到检测不到按照模拟数据类型输出的脉搏波动时停止，然后血压计开始逐渐放气；充气时当汽缸压力大于启动阈值时，并且小于停止阈值时，微处理器模块开始按照所选数据类型，实时采集汽缸压力信号和活塞位置信号，所述信号用以控制驱动步进电机带动气缸活塞往复运动实现脉搏波幅压力曲线的输出到气缸形成闭环控制回路，同时，微处理器模块采集气缸温度数据；

d.血压计输出测量的血压数据，模拟仪输出收缩压、舒张压、平均压、心率、脉搏量以及气缸温度数据。

方案进一步是，所述启动阈值是6mmHg，所述停止阈值是20mmHg。

方案进一步是，所述步骤c还进一步包括，当气缸压力大于所述收缩压20mmHg时，微处理器模块停止输出信号到步进电机。

方案进一步是，所述驱动步进电机采用8细分的方式驱动步进电机，以及采用逐渐增加电机运行速度和逐渐降低运行速度的方式驱动步进电机的加速和减速。

方案进一步是，所述逐渐增加电机运行速度和逐渐降低运行速度是运用抛物线升降频率实现的逐渐增加电机运行速度和逐渐降低运行速度。

方案进一步是，所述步骤a还包括所述气缸通过单向阀连接一个隔膜式气泵，进行气缸和漏气率测试、过压保护测试。

本发明与现有技术相比具有如下优点：通过精密位置传感器对模拟误差进行修正，通过外围充气泵、电磁阀可以对血压计进行漏气率测试、过压保护测试和静态压力校准，并设有内部标准气瓶模拟袖带进一步提高模拟的一致性。基于以上硬件电路设计通过软件程序处理不但可以模拟不同收缩压、舒张压和脉率，还可以模拟不同脉搏量、患者状态、心率失常、呼吸干扰、新生儿、腕式袖带等状态下的血压值。并且可以完整的模拟单个脉搏波形使血压仿真度更高。血压模拟系统具有可重复、稳定、精确的特点，可以快速、准确、全面的检测血压计的性能。本发明提供了一种通过电子技术对应用示波法原理血压计及检测和校准仪器，可以用于示波法无创血压计的生产或研发，同现有技术相比，由于其量值转换装置高效、精密且长时间不用维护，使模拟仪具有重复性好、精确、长时间运行稳定的特点；相对现有无创血压模拟装置增加多种检测功能，从而使本发明模拟参数多样、检测功能全面。

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

附图说明

图1 本发明系统示意图。

具体实施方式

实施例1：

一种无创血压模拟系统，参见图1，所述系统包括：

一个用于输出压力波形信号给步进电机1的微处理器模块2；

一个带有活塞的容积不大于20cc气缸3，所述步进电机由微处理器模块的步进电机驱动2-1控制、通过丝杠4连接并驱动所述活塞前后运动；

一个设置于气缸活塞口、传递活塞位置的位置传感器5，所述位置传感器与所述微处理器模块的微处理器2-2连接；

一个设置于汽缸上、反馈气缸内压力的压力传感器6，在气缸与压力传感器连接的管路中设置有温度传感器7，所述温度传感器和压力传感器与所述微处理器模块连接；

一个通过第一电磁阀8与大气相连的放气管9，所述第一电磁阀与所述微处理器模块的电磁阀控制器2-3连接；

一个通过第二电磁阀10与所述气缸连接的容积不大于290cc的内部血压袖带11，所述第二电磁阀与所述微处理器模块的电磁阀控制器2-3连接；

在所述汽缸上设有与血压计12连接的压力端口3-1。

进一步，所述气缸通过单向阀13连接一个用于漏气率测试、过压保护测试的隔膜式气泵14。

本实施例在动态血压模拟过程中，血压计是在充气或放气过程中进行测量，模拟仪通过压力传感器实时采集压力值，传输给微处理器进行处理，微处理器根据上述运算处理过程，输出控制信号通过驱动电路控制步进电机运行，步进电机通过丝杆、活塞等组成的量值转换装置实现脉搏波幅的输出，位置传感器向处理器反馈活塞位置状态。

步进电机的驱动采用8细分有效减小电机运行过程中的震动和噪声，去除震动对血压模拟的干扰。在心率快、脉搏量大的情况时，电机高速运行状态，这时为避免电机运行出现丢步和停止运行的情况，采用升降法即逐渐增加电机运行速度再逐渐降低运行速度使电机平稳运行。

在采集实时压力的同时对环境温度进行了采集，使用户在测试时可以排除温度的影响。

实施例2：

一种基于实施例1无创血压模拟系统的无创血压模拟实现方法，所述系统包括：

一个用于输出压力波形信号给步进电机的微处理器模块；

一个带有活塞的容积不大于20cc气缸，所述步进电机连接并驱动所述活塞前后运动；

一个设置于气缸活塞口、传递活塞位置的位置传感器，所述位置传感器与所述微处理器模块连接；

一个设置于汽缸上、反馈气缸内压力的压力传感器，在气缸与压力传感器连接的管路中设置有温度传感器，所述温度传感器和压力传感器与所述微处理器模块连接；

一个通过第一电磁阀与大气相连的放气管，所述第一电磁阀与所述微处理器模块连接；

一个通过第二电磁阀与所述气缸连接的容积不大于290cc的内部血压袖带，所述第二电磁阀与所述微处理器模块连接；

在所述汽缸上设有血压计连接的压力端口，压力端口连接一个被测血压计；

在所述微处理器模块中存储有对应不同类型血压的数据模型，所述无创血压模拟实现方法是：

a.气缸活塞回到初始位置：通过检测位置传感器将气缸活塞恢复到原位；

b.选择模拟数据类型：如果进行内部袖带血压测量，则关闭第一电磁阀，打开第二电磁阀；如果进行外部袖带血压的测量，则关闭第二电磁阀和第一电磁阀；

c.血压计测量开始后对袖带进行充气，直到检测不到按照模拟数据类型输出的脉搏波动时停止，然后血压计开始逐渐放气；充气时当汽缸压力大于启动阈值时，并且小于停止阈值时，微处理器模块开始按照所选数据类型，实时采集汽缸压力信号和活塞位置信号，所述信号用以驱动步进电机带动气缸活塞往复运动实现脉搏波幅压力曲线的输出到气缸形成闭环控制回路，同时，微处理器模块采集气缸温度数据；

d.血压计输出测量所得血压数据，模拟仪输出收缩压、舒张压、平均压、心率、脉搏量以及气缸温度数据。

实施例中，所述启动阈值是6mmHg，所述停止阈值是20mmHg。

实施例中，所述步骤c还进一步包括，当汽缸压力大于所述收缩压20mmHg时，微处理器模块停止输出信号到步进电机。

实施例中，所述驱动步进电机采用8细分的方式驱动步进电机，指用8个脉冲完成步进电机转动一个角度的驱动，以保证步进电机不丢步。

实施例中为了保证步进电机在加速和减速时不丢步，采用逐渐增加电机运行速度和逐渐降低运行速度的方式驱动步进电机的加速和减速。

其中，所述的逐渐增加电机运行速度和逐渐降低运行速度是将直线升降频和指数曲线升降频融为一体的抛物线升降频实现的逐渐增加电机运行速度和逐渐降低运行速度：具体的方法是:按照步进电机的矩频特性公式dω/dt=M(f)，遵循步进电机的升频过程中“先快后慢”以及下降过程中“先慢后快”的原则计算出频率f1,f2,…,fn,并将它们所对应的脉冲间隔时间t1,t2,…,tn,依次存于内存的一个数据表区，根据数据表驱动步进电机实现逐渐增加电机运行速度和逐渐降低运行速度。

所述的直线升降频是以恒定的加速度进行升降,平稳性好,适用于速度变化较大的快速定位方式。加速时间虽然长,但软件实现比较简单。

所述指数曲线升降频是从步进电机的矩频特性出发,根据转矩随频率的变化规律推导出来的。它符合步进电机加减速过程的运动规律,能充分利用步进电机的有效转矩,快速响应性能较好,升降时间短。指数升降控制具有较强的跟踪能力,但当速度变化较大时平衡性较差,一般适用于跟踪响应要求较高的切削加工中。

所述抛物线升降频是将直线升降频和指数曲线升降频融为一体,充分利用步进电机低速时的有效转矩,使升降速的时间大大缩短,同时又具有较强的跟踪能力,这是一种比较好的方法。

步进电机在升降频过程中,脉冲序列的产生,即两个脉冲时间间隔的软件确定,有2种方法:

（1）递增/递减一定值。如线性升降频,两脉冲频率的差值Δf=|fi-fi-1|是相等的,其对应的时间增量Δf也是相等。时间的计算若采用软件延时的方法,可先设置一个基本的延时单元Te,不同频率的脉冲序列可由Te的不同倍数产生。设起动时所用频率对应的时间常数为tNe,以后逐次递减Δt(设Δt=tMe),直到等于运行频率fb所对应的时间(tRe)为止。这种方法编程简单,节省内存。时间计算也可采用定时中断的方法,可将定时常数逐次递增/递减一定值,实现升降频控制。因其定时不是连续的,所以升降速曲线不是一条直线,而是折线,但可近似看成直线。

(2)查表法。为了对步进电机实现最佳升降频控制,缩短电机的升降频时间,可从步进电机矩频特性出发进行分析。由步进电机的矩频特性可知,转矩M是频率f的函数(即角加速度dω/dt=M(f)/J,J为电机的转动惯量),它随着f的上升而下降,所以它呈软的特性。当频率较低时,转矩M较大,对应的角加速度dω/dt也较大,所以升频的脉冲频率增加率df/dt应取得大一些;当频率较高时,M较小,dω/dt也较小,此时,升频的脉冲频率增加率df/dt应取小一些,否则,会由于无足够的转矩而失步。因此,根据步进电机的矩频特性,可以看出:在步进电机的升频过程中,应遵循“先快后慢”的原则。按此要求,从开始升频到升至fb之间,按最佳升频要求的频率取出f1,f2,…,fn,并将它们所对应的脉冲间隔时间t1,t2,…,tn,依次存于内存的一个数据区。

考虑到步进电机的惯性作用。在升速过程中,如果速率变化太大,电机响应将跟不上频率的变化,出现失步现象。因此,每改变一次频率,要求电机持续运行一定步数(称阶梯步长),使步进电机慢慢适应变化的频率,从而进入稳定的运行状态。

因此，所述的逐渐增加电机运行速度和逐渐降低运行速度的方式驱动步进电机的加速和减速是抛物线升降频法，并在软件处理上采用了查表法。

实施例中，所述步骤a还包括所述气缸通过单向阀连接一个隔膜式气泵，进行气缸和漏气率测试、过压保护测试。

本实施例，模拟仪的信号输出流程为，根据预设模拟参数（收缩压、舒张压、平均压、心率、脉搏量）通过微处理器处理为对应的脉搏波幅包络曲线和脉搏波形，脉搏波幅与活塞行程存在对应关系，从而与步进电机转动角度对应A=kW(A为脉搏波幅，W为步进电机转动角度，k为常数)，k由丝杆和活塞面积参数计算得出。心率通过步进电机运行的速度控制。

在动态血压模拟过程中，血压计是在充气或放气过程中进行测量，模拟仪通过压力传感器实时采集压力值，传输给微处理器进行处理，微处理器根据上述运算处理过程，输出控制信号通过驱动电路控制步进电机运行，通过丝杆、法兰、活塞等组成的量值转换装置实现脉搏波幅的输出，位置传感器向处理器反馈活塞位置状态。

本实施例将传动高效、精确、稳定利于长时间运行的电信号输送到压力波动转换装置；通过精密位置传感器对模拟误差进行修正，通过外围充气泵、电磁阀控制可以对血压计进行漏气率测试、过压保护测试和静态压力校准，并设有内部标准气瓶模拟袖带进一步提高模拟的一致性。基于以上硬件电路设计通过软件程序处理不但可以模拟不同收缩压、舒张压和脉率，还可以模拟不同脉搏量、患者状态、心率失常、呼吸干扰、新生儿、腕式袖带等状态下的血压值。并且可以完整的模拟单个脉搏波形使血压仿真度更高。使此血压模拟系统具有可重复、稳定、精确的特点，可以快速、准确、全面的检测血压计的性能。

Claims (5)

1.一种基于无创血压模拟系统的无创血压模拟实现方法，所述系统包括：

一个用于输出压力波形信号给步进电机的微处理器模块；

一个带有活塞的容积不大于20cc气缸，所述步进电机连接并驱动所述活塞前后运动；

一个设置于气缸活塞口、传递活塞位置的位置传感器，所述位置传感器与所述微处理器模块连接；

一个设置于气缸上、反馈气缸内压力的压力传感器，在气缸与压力传感器连接的管路中设置有温度传感器，所述温度传感器和压力传感器与所述微处理器模块连接；

一个通过第一电磁阀与大气相连的放气管，所述第一电磁阀与所述微处理器模块连接；

一个通过第二电磁阀与所述气缸连接的容积不大于290cc的内部血压袖带，所述第二电磁阀与所述微处理器模块连接；

在所述气缸上设有血压计连接的压力端口，压力端口连接一个被测血压计；

在所述微处理器模块中存储有对应不同类型血压的数据模型，其特征在于，所述无创血压模拟实现方法是：

a.气缸活塞回到初始位置：通过检测位置传感器将气缸活塞恢复到原位；

b.选择模拟数据类型：如果进行内部袖带血压测量，则关闭第一电磁阀，打开第二电磁阀；如果进行外部袖带血压的测量，则关闭第二电磁阀和第一电磁阀，并在压力端口处通过一个三通导管同时连接一个外部袖带和被测血压计；

c.血压计测量开始后对袖带进行充气，直到检测不到按照模拟数据类型输出的脉搏波动时停止，然后血压计开始逐渐放气；充气时当气缸压力大于启动阈值时，并且小于停止阈值时，微处理器模块开始按照所选数据类型，实时采集气缸压力信号和活塞位置信号，所述信号用以控制驱动步进电机带动气缸活塞往复运动实现脉搏波幅压力曲线的输出到气缸形成闭环控制回路，同时，微处理器模块采集气缸温度数据； 

d.血压计输出测量的血压数据，模拟仪输出收缩压、舒张压、平均压、心率、脉搏量以及气缸温度数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于无创血压模拟系统的无创血压模拟实现方法，其特征在于，所述步骤c还进一步包括，当气缸压力大于所述收缩压20mmHg时，微处理器模块停止输出信号到步进电机。

3.根据权利要求1所述的一种基于无创血压模拟系统的无创血压模拟实现方法，其特征在于，所述驱动步进电机采用8细分的方式驱动步进电机，以及采用逐渐增加电机运行速度和逐渐降低运行速度的方式驱动步进电机的加速和减速，所述8细分是用8个脉冲完成步进电机转动一个角度的驱动。

4.根据权利要求3所述的一种基于无创血压模拟系统的无创血压模拟实现方法，其特征在于，所述逐渐增加电机运行速度和逐渐降低运行速度是运用抛物线升降频率实现的逐渐增加电机运行速度和逐渐降低运行速度。

5.根据权利要求1所述的一种基于无创血压模拟系统的无创血压模拟实现方法，其特征在于，所述步骤a还包括所述气缸通过单向阀连接一个隔膜式气泵，进行气缸和漏气率测试、过压保护测试。