CN108209896A - 一种腕式血压计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种腕式血压计及其测量方法，微处理器接收到测量信号后，关闭电磁放气阀；打开加压气泵，并读取腕带压力值，判断压力值是否达到判定压力，如果是，则关闭加压气泵，同时打开橡胶泄气阀缓慢放气，读取腕带的压力值并通过巴特沃斯带通滤波器从中抽取出脉搏波信号；通过脉搏波信号形成脉搏波包络线，将脉搏波包络线峰值点的最大值点对应的时间点作为分界点，把脉搏波包络线分割为上坡段和下坡段两部分，通过上坡段决定收缩期血压值，下坡段决定舒张期血压值。本发明成本相对较低，稳定性好，不易受干扰；并且通过蓝牙与移动终端建立通信，并由上传至云平台，实现医生对患者血压的远程网络监护。

Description

一种腕式血压计及其测量方法

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，具体地说是一种腕式血压计及其测量方法。

背景技术

传统的上臂用腕带式血压计，一般由腕带，加压气泵，排气阀，压电式压力传感器几个部分组成，腕带式血压计一般使用示波法判别血压。

上臂用腕带式血压计在使用过程中，将腕带捆绑在测量者上臂处，气泵加压至一定程度，阻断人体动脉血管，使用排气阀缓慢放气，记录放气过程中实时产生的压力值，通过经验算法判定某两个压力值为测量者的收缩压和舒张压。

同等成本下，传统电子血压计使用的压力传感器输出信号为模拟信号，转换精度收到器件本身，后续模数转换精度的限制，且模拟信号噪声容忍度低，易受干扰。传统的血压计多为本地测量使用，无法连接网络实现与医生的远程互动，从而应用受到一定程度的限制。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种低成本的，测量时间短，舒适程度高，可以实现互联网远程问诊的腕式血压计及其测量方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种腕式血压计，包括腕带以及腕带外部包围可充入空气的空气袋，所述腕带通过气管与电容式传感器连接，电容式传感器另一端通过环形振荡电路连接微处理器，电容式传感器采集实时变化的腕带压力，引起电容式传感器电容值改变，环形振荡电路接收到电容值后将其转化为频率实时变化的电脉冲信号发送到微处理器；

微处理器通过泵驱动电路连接加压气泵，发出PWM控制信号给泵驱动电路，通过调整PWM信号的占空比对加压气泵进行开关控制；加压气泵通过气管连接腕带，用于向空气袋中充入空气，对测量部位增加压迫压力；

微处理器通过阀驱动电路连接电磁放气阀，发出控制信号给阀驱动电路，控制阀驱动电路对电磁放气阀进行开关控制；电磁放气阀通过气管连接腕带，用于在测量结束后将空气袋中空气排出；

还包括存储器连接微处理器，用于存储电容传感器的电容容值与压迫压力之间的映射关系数据。

在所述气管上设置橡胶泄气阀，用于在测量过程中缓慢泄露空气袋中的空气，使环形震荡电路可以采集放气过程中的待测血压和脉搏。

所述微处理器包括脉搏波检测部、脉搏波包络线数据生成部、血压判断部和血压决定部；其中，

脉搏波检测部，用于从腕带压力信号中检测出脉搏波信号，脉搏波是与心脏波动同步而叠加在所述压迫压力上的压力分量；

脉搏波包络线数据生成部，用于生成脉搏波包络线数据，脉搏波包络线数据将通过脉搏波检测部检测出的脉搏波信号的振幅值与该脉搏产生时对应的腕带压力相关联；

血压判断部，用于调取存储器中的振荡电路输出频率与压迫压力之间的映射关系数据；

血压决定部，用于通过脉搏波包络线数据来决定收缩期血压值和舒张期血压值在包络线上的位置，进而通过时间轴找到包络线上收缩期和舒张期对应的腕带压力曲线上的准确位置，得到收缩期血压值和舒张期血压值。

所述微处理器通过4阶巴特沃斯带通滤波器进行滤波。

还包括蓝牙电路连接微处理器，将测量数据发送到移动终端。

一种腕式血压计的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：微处理器接收到测量信号后，关闭电磁放气阀；

步骤2：打开加压气泵，并读取腕带压力值，判断压力值是否达到判定压力，如果是，则关闭加压气泵，同时打开橡胶泄气阀缓慢放气，否则返回步骤2；

步骤3：读取腕带的压力值并通过巴特沃斯带通滤波器从中抽取出脉搏波信号；

步骤4：通过脉搏波信号形成脉搏波包络线，将脉搏波包络线峰值点的最大值点对应的时间点作为分界点，把脉搏波包络线分割为上坡段和下坡段两部分，通过上坡段决定收缩期血压值，下坡段决定舒张期血压值；

步骤5：将得到的脉搏数据、收缩期血压值、舒张期血压值和心率值通过蓝牙发送到移动终端，同时打开电磁放气阀，测量结束。

所述脉搏波包络线为脉搏波信号峰值点的连线。

所述通过上坡段决定收缩期血压值包括以下过程：

步骤1：取得包络线上坡段峰值为峰值最大点0.3倍到峰值最大点区间内的所有峰值点，同时取得包络线上坡段峰值为峰值最大点0.3倍到峰值最大点区间内的所有脉搏波的波谷点；

步骤2：将得到的峰值点和谷值点做差得到上坡段每个脉搏的峰峰值，作为纵坐标，将峰值对应的时间作为横坐标进行双高斯拟合；

步骤3：将双高斯拟合后的曲线求离散二阶导数，找到二阶导数为零的点，即包络线拐点；

步骤4：如果包络线拐点为由凸函数到凹函数的拐点，则该点对应脉搏波包络线的横轴时间坐标即对应收缩期血压值出现位置；否则该点对应脉搏波包络线的横轴时间坐标不对应收缩期血压值出现位置；

步骤5：根据收缩期血压值出现位置的时间坐标找到滤波前腕带压力曲线上对应的腕带压力，即为收缩期血压值。

所述通过下坡段决定舒张期血压值包括以下过程：

步骤1：取得包络线下坡段峰值为峰值最大点0.3倍到峰值最大点区间内的所有峰值点；

步骤2：将每个峰值点与其前一个峰值点做差，得到一阶差值曲线；

步骤3：将一阶差值曲线每个峰值点的后一个点与该峰值点做差，得到二阶差值曲线；

步骤4：找到二阶差值曲线中的最大值点所对应的时间坐标，该时间坐标对应滤波前腕带压力曲线上对应的腕带压力，即为舒张期血压值。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明的硬件结构成本相对较低，稳定性好，不易受干扰；

2.本发明通过蓝牙与移动终端建立通信，并由上传至云平台，实现医生对患者血压的远程网络监护。

附图说明

图1是本发明的硬件结构图；

图2是本发明的微处理器功能模块图；

图3是本发明的方法流程图；

图4是本发明的决定收缩期压力值和舒张期压力值流程图；

图5是本发明的测量过程腕带压力变化示意图；

图6是本发明的脉搏波信号示意图；

图7是本发明的包络线示意图；

图8是本发明以峰值最大的为分界点，左侧上坡段的上下包络线示意图；

图9是本发明的峰峰值数据进行双高斯拟合后的曲线示意图；

图10是本发明的对上坡段双高斯拟合后的曲线求二阶导数后的曲线示意图；

图11是本发明的收缩期压力值对应示意图；

图12是本发明的下坡段截取的峰值点示意图；

图13是本发明的一阶差值离散点示意图；

图14是本发明的二阶差值离散点示意图；

图15是本发明的舒张期压力值对应示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为本发明的硬件结构图；

血管阻血用腕带通过气管与电容式传感器，加压气泵，电磁放气阀，橡胶泄气阀相连。

由微处理器控制加压泵和电磁泄气阀。微处理器使用PWM控制加压泵，通过改变PWM信号的占空比控制气泵加压速度。

加压气泵作用为增加对手腕测量部位的压迫压力，向空气袋充入空气。

电磁放气阀作用为保持测量过程中气路的良好封闭状态，以及测量结束后将空气袋中的空气瞬间排出。

橡胶泄气阀的作用为在测量过程中缓慢泄露空气袋中的空气。使环形震荡电路可以完整采集缓慢的完整的放气过程，为脉搏波的采集和血压的判断提供依据。

泵驱动电路，其作用为基于微处理器发出的控制信号控制加压泵的开关。

阀驱动电路，其作用为基于微处理器发出的控制信号控制电磁阀的开关

存储器，起作用为存储传感器电容容值与压力之间的映射关系数据。

微处理器控制环形震荡电路的上电与断电。当接收到采集信号时控制控制振荡器上电，当采集并完成血压判断后，控制振荡器下电。振荡器将压力带来电容传感器的容值改变转换为不同频率的电脉冲信号，送至微处理器。

进而，微处理器具有以下功能：10ms周期性地读取来自环形振荡器的电脉冲信号的频率，读回存储器中的频率与压力映射关系数据，转换为实际压力值。并从腕带压力信号分离出叠加在其上的脉搏波信号。从该脉搏波信号与腕带压力信号决定收缩压和舒张压值。

进而，微处理器将上述判断处的收缩压血压值和舒张压血压值传输至蓝牙电路，完成到手机端软件的通信。

如图2所示为本发明的微处理器功能模块图；

微处理器包括脉搏波检测部、脉搏波包络线数据生成部、血压判断部和血压决定部；其中，

脉搏波检测部，用于从腕带压力信号中检测出脉搏波信号，脉搏波是与心脏波动同步而叠加在所述压迫压力上的压力分量；

脉搏波包络线数据生成部，用于生成脉搏波包络线数据，脉搏波包络线数据将通过脉搏波检测部检测出的脉搏波信号的振幅值与该脉搏产生时对应的腕带压力相关联；

血压判断部，用于调取存储器中由标定过程产生的振荡电路输出频率与压迫压力之间的映射关系数据；

血压决定部，用于通过脉搏波包络线数据来决定收缩期血压值和舒张期血压值在包络线上的位置，进而通过时间轴找到包络线上收缩期和舒张期对应的腕带压力曲线上的准确位置，得到收缩期血压值和舒张期血压值。

腕带，其装戴在手腕的测量部位上；压迫压力调整部，其改变所述腕带对所述压力测量部的压迫压力；压力检测部，其检测出所述压迫压力的变化期间内所述腕带内的压力；脉搏波检测部，其从腕带压力信号中检测处脉搏波，所述腕式压力信号是所述压力检测部的输出信号，所述脉搏波是与心脏波动同步而叠加在所述压迫压力上的压力分量；脉搏波包络线数据生成部，其生成脉搏波包络数据，所述脉搏波包络线数据将通过所述脉搏波检测部检测出的脉搏波的振幅值与该脉搏产生时对应的腕带压力相关联；血压决定部，其使用所述脉搏波包络线的数据来决定测量的血压值。控制部，其根据所述血压测量结果进行电路控制。无线通信部，其将所述血压脉搏波检测部检测到的脉搏波数据，及血压决定部决定的血压测量值经由蓝牙发送至手机端软件。

标定过程，由于每个电容传感器在0压力下容值有一定差异，故不同电容传感器在同一频率下对应的压力值存在差异，且环形振荡器输出的频率和实际压力并不成严格的线性关系。为了提供压力与环形振荡器输出脉冲频率有准确的对应关系和一致性，需要外接一个标定电路完成标定过程。标定方法如下：使用另一块带有微处理器(以下称从机)和24位模数转换的电路辅助完成标定，微处理器控制气泵动作，从0mmHg压力开始，以30mmHg为单位充气，由从机记录此时产生的准确压力，并由微处理器记录此时的环形振荡器输出的准确的脉冲频率，直到到达300mmHg停止。此后从机将记录的11个压力数据通过串行接口写入微处理器，微处理器将完成的11个压力及每个压力对应的准确频率一并写入存储器。

如图3所示为本发明的方法流程图；

步骤1：微处理器接收到测量信号后，关闭电磁放气阀；

步骤2：打开加压气泵，并读取腕带压力值，判断压力值是否达到判定压力，如果是，则关闭加压气泵，同时打开橡胶泄气阀缓慢放气，否则返回步骤2；

步骤3：读取腕带的压力值并通过巴特沃斯带通滤波器从中抽取出脉搏波信号；抽取出脉搏波信号过程为由微处理器嵌入式程序实现软件的滤波器。本系统选取的滤波器为4阶巴特沃斯带通滤波器，下限频率值为0.2Hz，可以保证有效地滤除直流信号，将叠加在放气过程中腕带压力的脉搏信号分离出来；上限频率为10Hz，可以有效的滤除50Hz工频信号，抑制干扰高频噪声。

步骤4：通过脉搏波信号形成脉搏波包络线，将脉搏波包络线峰值点的最大值点对应的时间点作为分界点，把脉搏波包络线分割为上坡段和下坡段两部分，通过上坡段决定收缩期血压值，下坡段决定舒张期血压值；

步骤5：将得到的脉搏数据、收缩期血压值、舒张期血压值和心率值通过蓝牙发送到移动终端，同时打开电磁放气阀，测量结束。

如图4所示为本发明的决定收缩期压力值和舒张期压力值流程图；

抽取出脉搏波信号过程为：所述决定收缩期血压的过程为，取得巴特沃斯带通滤波输出的脉搏波数据后，找到每个脉搏波形的最大值，即脉搏波峰值点。并以脉搏波峰值最大的一个点为分界线。取得包络线上坡端峰值为最大峰值0.3倍到脉搏波峰值最大点以内的所有峰值点，同时取得包络线上坡端峰值为最大峰值0.3倍的脉搏波到峰值最大的脉搏波的以内的所有脉搏波的波谷点，二者做差得到，包络线上坡段每个脉搏的峰峰值，将峰峰值作为纵坐标，将所有峰值对应的横轴时间作为横坐标，进行双高斯拟合。将双高斯拟合后的曲线求离散二阶导数，找到二阶导数为零点即包络线拐点，并判断这个点是否满足前一点二阶导数小于零且后一点二阶导数大于零的条件，即凸函数到凹函数的拐点，若满足条件则该点对应的横轴时间坐标即为收缩压出现位置。再由这个时间坐标找到腕带压力曲线上对应的腕带压力，该压力值即为血压收缩压值。

抽取出脉搏波信号过程为：所述决定舒张期血压的过程为确定放气过程中所有脉搏波峰值点位置和脉搏波包络线后，选取脉搏波峰值最大的峰值点到出现在最大值后面同时峰值为0.3倍的最大峰值的脉搏波，以及这两个脉搏峰值之间的所有峰值点作为舒张压位置的判断依据。将这些每个峰值点与其前一个峰值点做差，得到新的1阶差值曲线，将1阶差值曲线每个峰值点的后一个点与其本身做差，得到新的2阶差值曲线，找到二阶差值曲线中的最大值点所对应的时间轴位置，再由这个时间坐标找到滤波前腕带压力曲线上对应的腕带压力，该压力值即为血压舒张压值。

如图5所示为本发明的测量过程腕带压力变化示意图；表示一次测量过程中，腕带压力完整的变化状态，以及脉搏波信号叠加在腕带压力上的情形。纵轴表示压力，单位为0.01mmHg，横轴表示时间，单位为0.01s。

如图6所示为本发明的脉搏波信号示意图；表示使用微处理器实现巴特沃斯滤波器带通滤波器滤除掉混合信号中的直流成分和高频噪声，分离出脉搏波信号的情形。纵轴表示压力，单位为0.01mmHg，横轴表示时间，单位为0.01s。

如图7所示为本发明的包络线示意图；表示使用特征提取的方法找到分离出的脉搏波信号中，截取出现峰值为0.3倍最大峰值的脉搏波的峰值点作为起始点，峰值最大的脉搏波的峰值点作为终止点，之间的所有脉搏波峰值点；同时截取峰值最大的脉搏波的峰值点作为起始点，峰值为0.3倍最大峰值的脉搏波的峰值点作为终止点，之间的所有脉搏波峰值点；截取出现峰值为0.3倍最大峰值的脉搏波的峰值点作为起始点，峰值最大的脉搏波的峰值点作为终止点，之间的所有脉搏波的波谷点。纵轴表示压力，单位为0.01mmHg，横轴表示时间，单位为0.01s。

如图8所示为以峰值最大的脉搏波为分隔点，左侧上坡段上下包络线示意图。将上下包络线对应点做差，取得拟合用峰峰值。

如图9所示是本发明的峰峰值数据进行双高斯拟合后的曲线示意图，表示用图8取得的峰峰值数据，使用双高斯拟合的方式进行曲线拟合，实现0.3倍的最大峰值的峰值点到最大峰值点之间的所有脉搏波的峰峰值的双高斯曲线拟合。

如图10所示为本发明对左侧上坡段脉搏波的峰峰值双高斯拟合后的曲线求二阶导数后的曲线示意图；表示将所述拟合曲线求二阶导数后的曲线，所标记的坐标锁定点(X:2060，Y：2.02e-06)为二阶导数为零且前面为凸函数，后面为凹函数的突变点。纵轴为二阶导数值，横轴表示时间，单位为0.01s。

如图11所示为本发明的收缩期压力值对应示意图；表示通过时间轴的关联关系，以图9突变点出现的时间位置(2060*0.01s＝20.60s)，找到对应的此时的腕带压力为1.086*10000*0.01mmHg＝108.6mmHg，即为收缩压值。

如图12所示为本发明的下坡段截取的峰值点示意图；表示截取峰值最大的脉搏波峰值点到幅值为0.3倍的最大幅值的脉搏波峰点。纵轴表示压力，单位为0.01mmHg，横轴表示时间，单位为0.01s。

如图13所示为本发明的一阶差值离散点示意图；表示取图10每一个峰值点与其前一个峰值点的峰值差值，即一阶差值点。纵轴为一阶差值，横轴表示时间，单位为0.01s。

如图14所示为本发明的二阶差值离散点示意图；表示取图11每一个一阶差值点的前一个差值点与其本身的差值，二阶差值离散点。纵轴为二阶差值，横轴表示时间，单位为0.01s。

如图15所示为本发明的舒张期压力值对应示意图；表示通过时间轴的关联关系，以图13二阶差值点出现的时间位置(3137*0.01s＝31.37s)，找到对应的此时的腕带压力为7820*0.01mmHg＝78.2mmHg，即为舒张压值。

Claims (9)

1.一种腕式血压计，包括腕带以及腕带外部包围可充入空气的空气袋，其特征在于：所述腕带通过气管与电容式传感器连接，电容式传感器另一端通过环形振荡电路连接微处理器，电容式传感器采集实时变化的腕带压力，引起电容式传感器电容值改变，环形振荡电路接收到电容值后将其转化为频率实时变化的电脉冲信号发送到微处理器；

微处理器通过泵驱动电路连接加压气泵，发出PWM控制信号给泵驱动电路，通过调整PWM信号的占空比对加压气泵进行开关控制；加压气泵通过气管连接腕带，用于向空气袋中充入空气，对测量部位增加压迫压力；

微处理器通过阀驱动电路连接电磁放气阀，发出控制信号给阀驱动电路，控制阀驱动电路对电磁放气阀进行开关控制；电磁放气阀通过气管连接腕带，用于在测量结束后将空气袋中空气排出；

还包括存储器连接微处理器，用于存储电容传感器的电容容值与压迫压力之间的映射关系数据。

2.根据权利要求1所述的腕式血压计，其特征在于：在所述气管上设置橡胶泄气阀，用于在测量过程中缓慢泄露空气袋中的空气，使环形震荡电路可以采集放气过程中的待测血压和脉搏。

3.根据权利要求1所述的腕式血压计，其特征在于：所述微处理器包括脉搏波检测部、脉搏波包络线数据生成部、血压判断部和血压决定部；其中，

脉搏波检测部，用于从腕带压力信号中检测出脉搏波信号，脉搏波是与心脏波动同步而叠加在所述压迫压力上的压力分量；

脉搏波包络线数据生成部，用于生成脉搏波包络线数据，脉搏波包络线数据将通过脉搏波检测部检测出的脉搏波信号的振幅值与该脉搏产生时对应的腕带压力相关联；

血压判断部，用于调取存储器中的振荡电路输出频率与压迫压力之间的映射关系数据；

血压决定部，用于通过脉搏波包络线数据来决定收缩期血压值和舒张期血压值在包络线上的位置，进而通过时间轴找到包络线上收缩期和舒张期对应的腕带压力曲线上的准确位置，得到收缩期血压值和舒张期血压值。

4.根据权利要求1所述的腕式血压计，其特征在于：所述微处理器通过4阶巴特沃斯带通滤波器进行滤波。

5.根据权利要求1所述的腕式血压计，其特征在于：还包括蓝牙电路连接微处理器，将测量数据发送到移动终端。

6.根据权利要求1～5所述血压计的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：微处理器接收到测量信号后，关闭电磁放气阀；

步骤2：打开加压气泵，并读取腕带压力值，判断压力值是否达到判定压力，如果是，则关闭加压气泵，同时打开橡胶泄气阀缓慢放气，否则返回步骤2；

步骤3：读取腕带的压力值并通过巴特沃斯带通滤波器从中抽取出脉搏波信号；

步骤4：通过脉搏波信号形成脉搏波包络线，将脉搏波包络线峰值点的最大值点对应的时间点作为分界点，把脉搏波包络线分割为上坡段和下坡段两部分，通过上坡段决定收缩期血压值，下坡段决定舒张期血压值；

步骤5：将得到的脉搏数据、收缩期血压值、舒张期血压值和心率值通过蓝牙发送到移动终端，同时打开电磁放气阀，测量结束。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：所述脉搏波包络线为脉搏波信号峰值点的连线。

8.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：所述通过上坡段决定收缩期血压值包括以下过程：

步骤1：取得包络线上坡段峰值为峰值最大点0.3倍到峰值最大点区间内的所有峰值点，同时取得包络线上坡段峰值为峰值最大点0.3倍到峰值最大点区间内的所有脉搏波的波谷点；

步骤2：将得到的峰值点和谷值点做差得到上坡段每个脉搏的峰峰值，作为纵坐标，将峰值对应的时间作为横坐标进行双高斯拟合；

步骤3：将双高斯拟合后的曲线求离散二阶导数，找到二阶导数为零的点，即包络线拐点；

步骤4：如果包络线拐点为由凸函数到凹函数的拐点，则该点对应脉搏波包络线的横轴时间坐标即对应收缩期血压值出现位置；否则该点对应脉搏波包络线的横轴时间坐标不对应收缩期血压值出现位置；

步骤5：根据收缩期血压值出现位置的时间坐标找到滤波前腕带压力曲线上对应的腕带压力，即为收缩期血压值。

9.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：所述通过下坡段决定舒张期血压值包括以下过程：

步骤1：取得包络线下坡段峰值为峰值最大点0.3倍到峰值最大点区间内的所有峰值点；

步骤2：将每个峰值点与其前一个峰值点做差，得到一阶差值曲线；

步骤3：将一阶差值曲线每个峰值点的后一个点与该峰值点做差，得到二阶差值曲线；

步骤4：找到二阶差值曲线中的最大值点所对应的时间坐标，该时间坐标对应滤波前腕带压力曲线上对应的腕带压力，即为舒张期血压值。