CN103750832A - 实时无线血压监控系统、血压测量装置及血压分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时无线血压监控系统、血压测量装置及血压分析方法，该系统包括血压测量装置、无线网络以及上位机，该血压测量装置以MCU控制芯片为核心，通过控制电磁阀和充气泵对袖带充放气，同时采集压力传感器输入的血压信号，经过MCU内部运算，将计算获得的血压数据通过该无线网络发送至该上位机，最终通过该上位机对数据进行存储、分析、显示，本发明实现了一种操作简单、携带轻便、成本低廉的实时无线血压监控系统，同时实现了一种适用于嵌入式系统应用的血压判定方法，具有较高准确度。

Description

实时无线血压监控系统、血压测量装置及血压分析方法

技术领域

本发明涉及一种血压监控系统、血压测量装置及血压分析方法，特别是涉及一种可用于准危重病人监护的实时无线血压监控系统、血压测量装置及血压分析方法。

背景技术

随着社会进步，患者对于医护设备和治疗仪器的要求越来越高，而先进的监测设备只有在少数医院的重症监护病房有配备，而且这些设备，体积庞大，连接复杂，不宜携带，给医护工作人员造成工作负担的同时也给患者造成一定的心理压力。无线监护系统可以通过无线网络传输血压等生理参数信号，减少设备之间的连接复杂度，使得病房的管理和布置自然有序。此外，无线网络实现了护士台的统一监控管理，减少事故发生率，降低医护人员工作负担；也实现了医生和家属的远程看护并掌握病情。随着无线传感网络和无线通信的发展，医疗设备无线化已成为研究的热点之一。

血压信号是人体体征之一，也是重要的生理健康参数。血压监测是预防和诊断冠心病、高血压、心肌梗塞等心脑血管疾病的重要手段。传统的听诊法测量血压过程中，医生使用水银血压计，其基本原理是通过血压计袖带充放气来控制动脉血流的阻断和流通。随着心脏搏动，血管中的动脉血液产生周期性脉动，并且血管受到外界袖带压力压迫而变得狭窄，这时血液会在血管中产生涡流，并伴随有声音发生,这个声音就是柯氏音。通过对柯氏音及其对应压力点的判断获得收缩压和舒张压。这种血压计体积大，不宜携带；而且测量依赖人的主观判断，个体差异性很大，还需要专业人士和专业技能。示波法是血压测量自动化的代表，在示波法中，袖带内置压力传感器，通过记录放气过程中袖带内静压力的振荡变化并去除微弱的脉搏波来确定血压。由于示波法抗干扰性强，便于实时监测，重复性好，是目前使用最广泛的无创血压测量方法。但是对于示波法中收缩压和舒张压的计算没有统一的标准，而且大多判定算法比较简单，精度较差。

电子血压系统最主流的就是示波法，而示波法的关键在于血压的判定。目前，示波法中主流的血压判定方法包括幅度系数法、波形特征法、改进的幅度系数法、系数差分比值法等，这些方法或多或少存在着准确度低和抗干扰能力差等不足。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种实时无线血压监控系统、血压测量装置及血压分析方法，实现了一种操作简单、携带轻便、成本低廉的实时无线血压监控系统，同时实现了一种适用于嵌入式系统应用的血压判定方法，具有较高准确度。

为达上述及其它目的，本发明提出一种血压测量装置，至少包括：

信号采集模块，包括压力传感器、袖带及附属部件，该压力传感器负责检测袖带内脉搏波周期性振荡引起的脉搏波信号，脉搏波信号通过该压力传感器转换为电压信号；

信号处理模块，通过驱动电路对电磁阀和充气泵进行控制，以为袖带放气和充气，并对该信号采集模块输入的血压信号进行运算，计算获得血压数据；

无线网络传输模块，利用无线网络将该信号处理模块计算获得的血压数据发送至上位机。

进一步地，该信号处理模块包括电源模块、电磁阀模块、信号调理模块、充气泵模块以及MCU，该电磁阀模块包括电磁阀和电磁阀驱动电路，该充气泵模块包括充气泵和充气泵驱动电路，该信号调理模块包括环形振荡电路，该电磁阀驱动电路和充气泵驱动电路和MCU的I/O端口相连，并分别连接该电磁阀与该充气泵，该MCU通过该电磁阀驱动电路和充气泵驱动电路实现对电磁阀和充气泵的控制，该电磁阀与该充气泵连接袖带以为袖带放气和充气，该环形振荡电路连接该压力传感器，以将该压力传感器采集的血压脉搏波信号转换为频率信号送至该MCU，该电源模块负责为其他模块供电。

进一步地，该信号调理模块还包括滤波电路，该滤波电路包括一个二阶高通滤波电路和一个二阶低通滤波电路，连接于该环形振荡电路与MCU之间，以过滤掉该频率信号中的高频和低频噪声干扰。

进一步地，该压力传感器为一个单电容式压力传感器，该脉搏波信号通过该压力传感器转化为电容信号进而转变为电压信号。

进一步地，该环形振荡电路包括一个环形振荡芯片和一个RC电路，该RC电路中电容变化信号来自该压力传感器的压力信号，电容变化引起的电压变化改变该环形振荡电路的频率。

进一步地，该电磁阀驱动电路为一开关电路，与该MCU相连，该MCU的信号通过该电磁阀驱动电路控制该电磁阀放气。

进一步地，该充气泵驱动电路包括开关电路和调速电路，该MCU的信号通过该充气泵驱动电路控制该充气泵放气。

为达到上述目的，本发明还提供一种实时无线血压监控系统，该系统包括血压测量装置、无线网络以及上位机，该血压测量装置以MCU控制芯片为核心，通过控制电磁阀和充气泵对袖带充放气，同时采集压力传感器输入的血压信号，经过MCU内部运算，将计算获得的血压数据通过该无线网络发送至该上位机3，最终通过该上位机对数据进行存储、分析、显示。

进一步地，该系统包括血压测量装置、点对点无线星型网络、无线Zigbee树形传感网络和上位机，该血压测量装置作为无线Zigbee传感网络中的一个末端节点，测量得到的血压信息首先通过该点对点无线星型网络传递至Zigbee树梢节点，然后再通过该无线Zigbee树形传感网络传递，经由树干节点到达Zigbee树根节点,完成和上位机的信息交互。

为达到上述目的，本发明还提供一种实时无线血压监控系统的血压分析方法，包括如下步骤：

上位机接收并载入血压数据；

对载入的血压数据进行高斯拟合，得到脉搏波最大峰值；

读取出该脉搏波最大峰值对应的平均压，根据拐点法和比例系数法，确定相应的拐点的位置；

读取拐点处对应的收缩压和舒张压，最终将血压数据进行显示。

与现有技术相比，本发明一种实时无线血压监控系统、血压测量装置及血压分析方法以MCU控制芯片为核心，控制电磁阀和充气泵对袖带充放气，同时采集压力传感器输入的血压信号，经过MCU内部运算，将计算获得的血压数据通过无线星形点对点网络和Zigbee树形网络发送至上位机，最终通过上位机对数据进行存储、分析、显示，实现了一种操作简单、携带轻便、成本低廉的实时无线血压监控系统，不仅适用于医院准危重病人和普通病人监护，也适用于家庭医疗应用，同时本发明为了满足设备需求的准确度和算法复杂度，实现了一种适用于嵌入式系统应用的血压判定方法，其算法简单且能达到较高准确度。

附图说明

图1为本发明一种实时无线血压监控系统的系统架构图；

图2为本发明一种实时无线血压监控系统之较佳实施例的系统架构示意图；

图3为本发明之实时无线血压监控系统的血压测量装置的硬件结构示意图；

图4为本发明较佳实施例中血压测量装置的硬件结构图；

图5为本发明较佳实施例中上位机通信示意图；

图6为本发明一种实时无线血压监控系统的血压分析方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种实时无线血压监控系统的系统架构图。如图1所示，本发明一种实时无线血压监控系统，包括血压测量装置1、无线网络2以及上位机3。

其中，血压测量装置1，以MCU控制芯片为核心，通过控制电磁阀和充气泵对袖带充放气，同时采集压力传感器输入的血压信号，经过MCU内部算法运算，将计算获得的血压数据通过无线网络2发送至上位机3，最终通过上位机3（例如护士台处）对数据进行存储、分析、显示。

图2为本发明一种实时无线血压监控系统之较佳实施例的系统架构示意图。在本发明较佳实施例中，一种实时无线血压监控系统包括若干点对点病人节点1a（包含血压测量装置）、点对点无线星型网络、无线Zigbee树形传感网络以及上位机。血压测量装置作为无线Zigbee传感网络中的一个末端节点，测量得到的血压信息首先通过病房内的点对点无线星型网络传递至Zigbee树梢节点（点对点病房节点），然后再通过无线Zigbee树形网络传递，经由ZigBee树干节点到达Zigbee树根节点，完成和上位机（护士台）的信息交互。

具体地说，血压测量装置包括压力传感器和环形振荡电路，其中传感器为单电容式压力传感器，压力传感器负责检测袖带内脉搏波周期性振荡引起的脉搏波信号，脉搏波信号通过传感器转化为电容信号进而转变为电压信号。电压信号用来校正环形振荡电路的频率，从而形成包含血压信息的频率信号。

经血压测量装置的MCU处理后的的血压信号通过点对点星形网络，发送至树梢节点，树梢节点为点对点无线网络传输模块和Zigbee模块结合的中继节点，信号由树梢节点经过zigbee网络发送至护士台上位机，经过相应的血压判定算法，最后算出收缩压和舒张压显示在人机交互界面上。

图3为本发明之实时无线血压监控系统的血压测量装置的硬件结构示意图。在如图3所示，血压测量装置包括信号采集模块10、信号处理模块20以及无线网络传输模块30。

信号采集模块10包括压力传感器101、袖带及附属部件102，其完成人体血压信号到电信号的转换。

信号处理模块20包括电源模块201、电磁阀模块202、信号调理模块203、充气泵模块204、微处理器MCU205，电磁阀模块202由电磁阀和电磁阀驱动电路组成，充气泵模块204由充气泵和充气泵驱动电路组成，信号调理模块203由环形振荡电路和滤波电路组成。电源模块201为信号处理和系统工作提供稳定的5V、3.3V和2.5V直流电压；微处理器MCU205通过驱动电路完成对电磁阀和充气泵的控制，为袖带放气和充气，同时，微处理器MCU205将采集到的压力传感器输入的血压信号，经过MCU内部运算，将计算获得的血压数据通过无线网络传输模块30利用无线网络发送至上位机，在本发明较佳实施例中，无线网络传输模块30为点对点无线网络传输模块，微处理器MCU205将计算获得的血压数据通过点对点无线网络传输模块利用无线星形点对点网络和Zigbee树形网络发送至上位机；压力传感器采集血压脉搏波信号并通过环形振荡电路（v-f：电压频-率转换电路）转换成频率信号送至微处理器MCU205进行运算处理；滤波器过滤掉信号中的高频和低频噪声干扰。在本发明中，微处理器MCU205通过SPI接口完成对点对点无线网络传输模块30的控制和信号的发送和接收

电源模块201，负责将外接电源转换为供信号采集模块10使用的5V电压以及供信号处理模块20和无线网络模块使用的3.3V和2.5V电源。

在本发明较佳实施例中，电磁阀、充气泵及其驱动电路中，电磁阀选取用厦门科际精密仪器公司的KSV05A型电磁阀，充气泵选用厦门科际精密仪器公司的KPM10A-3A型充气泵，电磁阀驱动电路为一个开关电路，和微处理器MCU205相连，微处理器MCU205的信号通过电磁阀驱动电路控制电磁阀放气；充气泵驱动电路包括开关电路和调速电路，和微处理器MCU205相连，微处理器MCU205的信号通过充气泵驱动电路控制充气泵放气。

在本发明较佳实施例中，压力传感器与环形振荡电路中，压力传感器为一个单电容式压力传感器，环形振荡电路为一个环形振荡芯片和一个RC电路，RC电路中电容变化信号来自压力传感器的压力信号，电容变化引起的电压变化改变环形振荡电路的频率。

在本发明较佳实施例中，滤波电路为一个二阶高通滤波电路和一个二阶低通滤波电路，低通滤波器用来滤除袖带充放气时产生的低频噪声，高通滤波器用来滤除信号在电路各个部分也会不同程度的混入各种高频噪声。高通滤波器截止频率为低于脉搏频率（72次/分钟即72/60=1.2Hz）的低值例如0.5Hz，低通滤波器截止频率为高于脉搏频率（72次/分钟即72/60=1.2Hz）的高值例如99.5Hz。

图4为本发明较佳实施例中血压测量装置的硬件结构图，图5为本发明较佳实施例中上位机通信示意图。血压测量装置包括信号采集用到的压力传感器和信号调理电路、电磁阀、充气泵、驱动电路（电磁阀驱动电路及充电泵驱动电路）、袖带、微处理器MCU。袖带通过分支管和电磁阀还有充气泵相连，连接处采用压力橡胶管密封。电磁阀和充气泵分别连接相应的驱动电路，驱动电路和微处理器的I/O端口相连；袖带上装置压力传感器采集血压信号，信号通过信号调理电路送至微处理器MCU进行进一步处理；微处理器MCU的SPI端口连接无线节点，上位机的微处理器SPI端口也连接无线节点，数据在无线节点间传输，最终经过MCU的串口送至上位机界面。

图6为本发明一种实时无线血压监控系统的血压分析方法的步骤流程图。如图6所示，本发明一种实时无线血压监控系统的血压分析方法，应用于监控系统的上位机端，包括如下步骤：

步骤601，上位机接收载入血压数据；

步骤602，对血压数据进行高斯拟合，得到脉搏波最大峰值；

步骤603，读取出脉搏波最大峰值对应的平均压，根据拐点法和比例系数法，确定相应的拐点的位置；

步骤604，读取拐点处对应的收缩压和舒张压，最终将血压数据显示在上位机界面上。

以下将通过一具体实例来说明本发明之血压分析方法，首先上位机接收到一组原始血压数据（经过环形振荡电路后得到的包含血压信息的频率数据，通过一张频率-电压线性表，将频率数据转换为电压值，线性表根据多次测量校准后的经验来修订）；其次，上位机将转换后的血压数据拟合成一条两个同轴高斯曲线之和的形式，其解析式如下：

$f\left(x\right)=A_1\·\exp \left\{\frac{{-(x-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}_1^2}\right\}+A_2\·\exp \left\{\frac{-{x(x-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}_2^2}\right\};$

其中，A1和A2是高斯曲线幅度，σ1和σ2是标准差，μ是高斯函数的平均值。

然后，读出拟合后高斯曲线f(x)的最大峰值，其对应的袖带压力为平均压x₀，

f(x₁)＝K_d×f(x₀)    f(x₂)＝K_s×f(x₀)

可以得到时间节点x₁、x₂，其中K_s和K_d分别为收缩压和舒张压的比例系数，K_s取值为0.56，K_d取值范围为0.63；最后根据拐点法计算得到拐点d处对应的舒张压，拐点s处对应的收缩压。

综上所述，本发明一种实时无线血压监控系统、血压测量装置及血压分析方法以MCU控制芯片为核心，控制电磁阀和充气泵对袖带充放气，同时采集压力传感器输入的血压信号，经过MCU内部运算，将计算获得的血压数据通过无线星形点对点网络和Zigbee树形网络发送至上位机，最终通过上位机对数据进行存储、分析、显示，实现了一种操作简单、携带轻便、成本低廉的实时无线血压监控系统，不仅适用于医院准危重病人和普通病人监护，也适用于家庭医疗应用，同时本发明为了满足设备需求的准确度和算法复杂度，实现了一种适用于嵌入式系统应用的血压判定方法，其算法简单且能达到较高准确度。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种血压测量装置，至少包括：

信号采集模块，包括压力传感器、袖带及附属部件，该压力传感器负责检测袖带内脉搏波周期性振荡引起的脉搏波信号，脉搏波信号通过该压力传感器转换为电压信号；

信号处理模块，通过驱动电路对电磁阀和充气泵进行控制，以为袖带放气和充气，并对该信号采集模块输入的血压信号进行运算，计算获得血压数据；

无线网络传输模块，利用无线网络将该信号处理模块计算获得的血压数据发送至上位机。

2.如权利要求1所述的一种血压测量装置，其特征在于：该信号处理模块包括电源模块、电磁阀模块、信号调理模块、充气泵模块以及MCU，该电磁阀模块包括电磁阀和电磁阀驱动电路，该充气泵模块包括充气泵和充气泵驱动电路，该信号调理模块包括环形振荡电路，该电磁阀驱动电路和充气泵驱动电路和MCU的I/O端口相连，并分别连接该电磁阀与该充气泵，该MCU通过该电磁阀驱动电路和充气泵驱动电路实现对电磁阀和充气泵的控制，该电磁阀与该充气泵连接袖带以为袖带放气和充气，该环形振荡电路连接该压力传感器，以将该压力传感器采集的血压脉搏波信号转换为频率信号送至该MCU，该电源模块负责为其他模块供电。

3.如权利要求2所述的一种血压测量装置，其特征在于：该信号调理模块还包括滤波电路，该滤波电路包括一个二阶高通滤波电路和一个二阶低通滤波电路，连接于该环形振荡电路与MCU之间，以过滤掉该频率信号中的高频和低频噪声干扰。

4.如权利要求3所述的一种血压测量装置，其特征在于：该压力传感器为一个单电容式压力传感器，该脉搏波信号通过该压力传感器转化为电容信号进而转变为电压信号。

5.如权利要求4所述的一种血压测量装置，其特征在于：该环形振荡电路包括一个环形振荡芯片和一个RC电路，该RC电路中电容变化信号来自该压力传感器的压力信号，电容变化引起的电压变化改变该环形振荡电路的频率。

6.如权利要求5所述的一种血压测量装置，其特征在于：该电磁阀驱动电路为一开关电路，与该MCU相连，该MCU的信号通过该电磁阀驱动电路控制该电磁阀放气。

7.如权利要求5所述的一种血压测量装置，其特征在于：该充气泵驱动电路包括开关电路和调速电路，该MCU的信号通过该充气泵驱动电路控制该充气泵放气。

8.一种实时无线血压监控系统，其特征在于：该系统包括血压测量装置、无线网络以及上位机，该血压测量装置以MCU控制芯片为核心，通过控制电磁阀和充气泵对袖带充放气，同时采集压力传感器输入的血压信号，经过MCU内部运算，将计算获得的血压数据通过该无线网络发送至该上位机，最终通过该上位机对数据进行存储、分析、显示。

9.如权利要求8所述的一种实时无线血压监控系统，其特征在于：该系统包括血压测量装置、点对点无线星型网络、无线Zigbee树形传感网络和上位机，该血压测量装置作为无线Zigbee传感网络中的一个末端节点，测量得到的血压信息首先通过该点对点无线星型网络传递至Zigbee树梢节点，然后再通过该无线Zigbee树形传感网络传递，经由树干节点到达Zigbee树根节点,完成和上位机的信息交互。

10.一种实时无线血压监控系统的血压分析方法，包括如下步骤：

上位机接收并载入血压数据；

对载入的血压数据进行高斯拟合，得到脉搏波最大峰值；

读取出该脉搏波最大峰值对应的平均压，根据拐点法和比例系数法，确定相应的拐点的位置；

读取拐点处对应的收缩压和舒张压，最终将血压数据进行显示。

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