CN212465979U

CN212465979U - 一种基于ppg的袖带血压监测系统

Info

Publication number: CN212465979U
Application number: CN202020335422.5U
Authority: CN
Inventors: 郑传权; 黄文斌; 刘博生
Original assignee: Dm Information Guangzhou Co ltd; DONGGUAN HOUJIE HOSPITAL
Current assignee: Dm Information Guangzhou Co ltd; DONGGUAN HOUJIE HOSPITAL
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2030-03-17

Abstract

本实用新型公开了一种基于PPG的袖带血压监测系统，包括有主控电路、电源管理电路、数据存储电路、显示驱动电路、PPG信号采集模块、压力传感器电路、泵和阀门驱动控制电路和加速度传感器电路，PPG信号采集模块通过型号为AFE4900的超低耗芯片采集PPG信号；压力传感器电路通过压力传感器用于采集袖带血压数据。本实用新型通过将光电法和袖带测量血压的方法相结合，并设计由传感器电路、PPG信号采集电路、主控电路、电源管理电路、数据存储电路等组成的血压监测系统，实现两种血压测量方法优势互补，达到对血压连续、准确的测量过程，实现尽可能连续且准确地监控患者的血压，具有很好的实用价值。

Description

一种基于PPG的袖带血压监测系统

技术领域

本实用新型涉及血压监测设备技术领域，具体涉及一种基于PPG的袖带血压监测系统。

背景技术

高血压已经成为最常见的心血管系统慢性病，对于血压的监测是高血压防治过程的重要手段。医院与家庭中所使用的血压测量装置，主要是基于柯式音法或示波法，虽然能够较为准确地测量出电压值，但袖带需要充气放气，只能测量出某个时刻的血压值，无法对血压进行连续监测，此外袖带还会对被测对象的手臂或者手腕等测量位置产生压力，使被测者产生不适感。连续血压监测能够让人们了解血压的昼夜变化规律，掌握血压变化率，可以大大减少高血压患者出现致命危险的情况。此外，长期、连续的血压监测数据能够给医生提供患者长期血压监测信息，对于心血管状况的评估、疾病的评估和诊断有很大的帮助，这是一般的检查手段难以得到的。

临床上为了准确测量血压，减少测量误差，提倡袖带血压测量方法，医院常采用电子血压计进行动态血压的监测。电子血压计采用震荡计测量法，与水银柱血压计的不同之处在于不用听诊器，而是通过袖带气囊和通气管，将感受到的动脉搏动信号送到传感器，经过仪器自动分析处理，最后显示出收缩压、舒张压和平均压。电子血压计使用方便、灵活，但在使用过程中经常会出现测压误差。引起误差的原因主要有以下四个方面：1、病员自身的因素，如病人手臂移动、寒颤；病人正处于严重休克或体温太低，血量减少导致动脉脉动降低；心率低于50bpm或高于200bpm时；肥胖病人脂肪过多会降低来自动脉的搏动，等；2、附件和操作不当等因素，如袖带大小不合适，袖带的气囊中心位置不在动脉波动最强处；缠绕袖带松紧不合适，袖带中间应该允许放二手指宽的空间；缠绕袖带时，上臂衣服未松开；缠绕袖带的手臂和心脏不在同一水平线；袖带有漏气现象，等；3、外界干扰，如正在测量血压时，缠绕袖带的肢体移动，手术医生碰到袖带和仪器连接的通气管；病人卧倒时，做胸椎手术，对胸椎进行按压、打凿胸椎骨可使血压产生较大的变化，等；4、血压计充气阀门故障，致使气体只能充到120mmHg；传感器故障，在同一时间测量同一个病人时，测量值相差很多，有时甚至测不出，经过检查发现，是传感器与插件接触不良。综上，电子血压器测量血压是检测规则的动脉压力搏动波，当病人和其他因素的干扰使检波过程发生困难时，测量值就可能不准确。因此电子血压计通过袖带进行血压检测的主要缺点是对运动敏感，在测量的时候要求被测量者静止，否则容易引起误差。

当血液流过外周血管中的微动脉、毛细血管和微静脉等微血管时，该部分微血管的血液容积在心脏搏动下同样会呈现脉动性变化。血液容积的脉动性变化反映出心博功能、血液流动、外周血管和微循环等诸多心血管的重要信息，这种血液容积的脉动性可以通过光电传感器进行记录，即光电容积脉搏波描记法，其基本原理为：光源与光电接收器组成的探头与皮肤相接触，发射光束将会与皮肤组织以及血液发生反射吸收和散射，光电接收器接收光信号并转换为电信号，从而反映出容积脉搏波的脉动情况，用此方法获得的信号叫做PPG信号。通过光电传感器采集手腕部位的脉搏波PPG，分析脉搏波的上升斜率及波段时间等特征参数可以得到特定的计算公式，估算血压数值。优点是采集方法简单，只需光电传感器和算法，用户体验好，能连续监测血压，克服了传统血压测量的缺点，摆脱了袖带的束缚，佩戴舒适，不会造成额外的负担，可以24小时对人体血压进行连续监测。但是缺点也很明显，即准确度待验证，目前尚无医学界公认的监测设备和算法能达到医学标准，准确度不如上臂式的。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷，提供一种通过分析光电法和袖带测量法，将两种测量血压的方法相结合，以实现血压连续、准确测量的基于PPG的袖带血压监测系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种基于PPG的袖带血压监测系统，包括有主控电路、电源管理电路、数据存储电路及显示驱动电路，电源管理电路给各电路模块提供电源，数据存储电路及显示驱动电路分别连接主控电路；主控电路通过程序实现智能化控制，其内部程序架构包括有数据存储模块、泵和阀门控制模块、显示处理、按键操作模块及传感器信号处理模块，其特征在于：还包括有PPG信号采集模块、压力传感器电路、泵和阀门驱动控制电路和加速度传感器电路，四者分别连接主控电路，其中，

PPG信号采集模块通过型号为AFE4900的超低耗芯片采集PPG信号，主控电路通过SPI接口读取PPG信号采集芯片AFE4900存储的数据；

压力传感器电路通过压力传感器用于采集袖带血压数据；

加速度传感器电路通过检测人体的运动和方向，根据人体的运动和方向来改变输出信号的电压值，通过输出电压根据设定的灵敏度做相应的改变，以使主控电路读取代表物体运动和方向的数值；

泵和阀门驱动控制电路驱动控制气泵和泄气电磁阀，使气泵和泄气电磁阀稳定工作以实现充气和泄气。

所述主控电路采用的主控芯片IC1的型号为C8051F340，PPG信号采集芯片AFE4900的C3-C6脚、D4-D6脚、B4脚分别连接主控芯片IC1的P1.7脚、P0.3 脚、P0.2脚、P0.1脚、P1.6脚、P1.5脚及P0.0脚、P3.5脚。

压力传感器电路采用电容式的压力传感器，其测量范围0-40kPa；压力传感器电路采用四路低压低功耗运算放大器IC6A、IC6D、IC6F、IC6E作为对压力信号的放大机构，并由运算放大器IC6E的输出端连接主控芯片IC1的P4.0脚。

加速度传感器电路采用的芯片IC4的型号为MMA7455L，加速度传感器芯片 IC4的SDA脚、SCL脚分别与主控芯片IC1的P4.1脚、P4.2脚连接。加速度传感器部分电路能检测人体的运动和方向，根据人体的运动和方向来改变输出信号的电压值。各个轴在不运动或失重的情况下，其输出为1.65V，如果沿着某个方向运动，或者受到重力作用，输出电压就可以根据设定的灵敏度做相应的改变，然后主控芯片IC读取代表物体运动和方向的数值。

泵和阀门驱动控制电路包括有两个开关三极管Q1、Q2，其中开关三极管Q1 控制气泵JP1，开关三极管Q2控制电磁阀JP2；开关三极管Q1的基极通过电阻 R80连接主控芯片IC1的P1.0脚，其发射极连接气泵JP1，在气泵JP1的输入端之间连接有起保护作用的二极管D10；开关三极管Q2的基极通过电阻R81连接主控芯片IC1的P1.1脚，而其发射极连接电磁阀JP2，在电磁阀JP2的输入端之间连接有起保护作用的二极管D11。由主控芯片IC1的PUMP脚输出一个低电平约(0.6V)，经开关三极管Q1导通，为气泵提供3.3V的电压；由主控芯片 IC1的VALVE脚输出一个低电平约(0.6V),开关三极管Q2导通输出一个+3.3V 的电压经电磁阀，使电磁阀导通工作。二极管D10、D11为保护二极管，使气泵和电磁阀能稳定工作，保护开关三极管。

电源管理电路通过线性稳压芯片U3将5V直流电源转化为3.3V直流电源提供给各电路模块。

显示驱动电路的LCD模块J2与主控芯片IC1通过8位并口进行数据通信以显示得到的血压数据，LCD模块J2的IREF脚连接有下拉电阻R30，而其VDD脚、 BS1脚、BS2脚连接有滤波电容C26，其VCOMH脚连接滤波电容C33，其VCC脚连接有滤波电容C34。

数据存储电路采用Nand Flash芯片IC9，其型号为GD5F4G；芯片IC9的1 脚、2脚、3脚、5脚及6脚分别连接主控芯片IC1对应的管脚，采集到的数据存储到Nand Flash芯片IC9中，Flash芯片芯片IC9与主控芯片IC1通过SPI 接口进行通讯，比普通的SPI方式数据传输速度快4倍；Nand Flash芯片IC9 具有512M字节的存储空间，可以满足存储大量数据的需求。

所述PPG信号采集芯片AFE4900的B3脚和A5脚连接有由两个高亮度绿色 LED和一高灵敏度光电二极管PD组成的光电二极管电路。AFE4900器件是一款同步心电图(ECG)、光电血管容积图(PPG)信号采集的模拟前端(AFE)。PPG 信号链支持多达四个可切换发光二极管(LED)以及多达3个光电二极管(PD)， LED可以使用完全集成的LED驱动器打开。光电二极管的电流通过互阻抗放大器 (TIA)转换为电压，并使用模数转换器(ADC)进行数字化。本实用新型建立在两个高亮度绿色LED和一个高灵敏度光电二极管PD上。

本实用新型通过将光电法和袖带测量血压的方法相结合，并设计由传感器电路、PPG信号采集电路、主控电路、电源管理电路、数据存储电路等组成的血压监测系统，实现两种血压测量方法优势互补，达到对血压连续、准确的测量过程，解决了电子血压计通过袖带测量血压不能连续测量和PPG测量血压误差较大的问题，实现尽可能连续且准确地监控患者的血压，具有很好的实用价值。

附图说明

图1为本实用新型系统结构示意图；

图2为本实用新型电源管理电路；

图3为本实用新型主控电路；

图4为本实用新型显示驱动电路；

图5为本实用新型数据存储电路；

图6为本实用新型泵和阀门驱动控制电路；

图7为本实用新型压力传感器电路；

图8为本实用新型加速度传感器电路；

图9为本实用新型PPG信号采集模块电路；

图10为本实用新型光电二极管电路。

具体实施方式

本实施例中，参照图1-10，本实用新型一种基于PPG的袖带血压监测系统，包括有主控电路、电源管理电路、数据存储电路及显示驱动电路，电源管理电路给各电路模块提供电源，数据存储电路及显示驱动电路分别连接主控电路；主控电路通过程序实现智能化控制，其内部程序架构包括有数据存储模块、泵和阀门控制模块、显示处理、按键操作模块及传感器信号处理模块；还包括有 PPG信号采集模块、压力传感器电路、泵和阀门驱动控制电路和加速度传感器电路，四者分别连接主控电路，其中，

压力传感器电路通过压力传感器用于采集袖带血压数据；

从医学文献可知，PPG这种模式目前的准确度为±10mmhg左右，而且是在特定场景下。对于用户来说，由于他们并不知道真实的血压，在测的时候只能大致测量血压，而对于医学上的要求，血压需要一个标准，需要测标准血压，而采用医疗器械测量血压标准的偏差是±5mmhg。PPG这种模式测量出的血压可以正确反映出被测者血压的变化趋势，但是具体的数据误差，可经过多次试验和测试，得到PPG模式测得的血压和电子血压计通过袖带测量得的血压的比例关系，将两种血压值联系起来，用两种方法测量得的血压值可以通过一定比例互相推导出来，虽然有误差，但数据误差处于可接受的范围内。也就是说在同一时刻，通过一种方式测量得到的血压值可以推导出另一种方式测得的血压，例如，由PPG模式测得的血压推导出用袖带测量得到的血压。

电子血压计通过袖带进行血压检测，主要缺点是对运动敏感，在测量的时候要求被测量者静止，否则，容易引起误差。PPG模式测量血压虽然采集方法简单，只需光电传感器和算法，用户体验好，能连续监测血压，但是准确度较低。通过将两种血压值联系起来，可以知道PPG模式和袖带测量血压分别得到的血压数据可以相互推导出来，因为是同时同条件下测量的血压，两种血压数据可以在其中一方数据出现明显异常时，可通过另一方数据的关联关系对异常数据进行修正。比如，电子血压计通过袖带测量血压时，对运动比较敏感，若人体在此时移动，或者是被测人佩戴袖带存在问题，此时测得的血压数值出现异常，通过PPG模式测得的血压可以和袖带测量得到的血压对比也可以发现异常，此时PPG模式测得血压通过两种模式血压的关联关系式推导出袖带模式血压值，用此推导值代替异常袖带血压值，相当于对袖带血压做了修正；当PPG模式测量血压出现异常时，即测量得到的血压值与一般血压基准值差异较大，此时启动袖带测量血压，对PPG模式测量得到的血压进行修正。

电子血压计通过袖带进行血压检测中加入加速度传感器，加速度传感器完成位置和姿势的识别。当加速度传感器判断被测人是静止状态时开始通过袖带测量血压，此时测量得到的血压作为基准值。因为在医院测量血压时需考虑问题全面，所以标准值分两种，分别要测量卧式和立式两种情况下人体静止时的血压，两种血压值分别作为卧式和立式状态下的标准值。得到标准值之后，PPG 模式测量或者袖带测量得到的血压值就可以与标准值进行比较，判断是否异常，以判断下一步是否进行修正，这种修正过程由本装置系统自动完成。

以上已将本实用新型做一详细说明，以上所述，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能限定本实用新型实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖范围内。

Claims

1.一种基于PPG的袖带血压监测系统，包括有主控电路、电源管理电路、数据存储电路及显示驱动电路，电源管理电路给各电路模块提供电源，数据存储电路及显示驱动电路分别连接主控电路；主控电路通过程序实现智能化控制，其内部程序架构包括有数据存储模块、泵和阀门控制模块、显示处理、按键操作模块及传感器信号处理模块，其特征在于：还包括有PPG信号采集模块、压力传感器电路、泵和阀门驱动控制电路和加速度传感器电路，四者分别连接主控电路，其中，

压力传感器电路通过压力传感器用于采集袖带血压数据；

2.根据权利要求1所述的一种基于PPG的袖带血压监测系统，其特征在于：所述主控电路采用的主控芯片IC1的型号为C8051F340，PPG信号采集芯片AFE4900的C3-C6脚、D4-D6脚、B4脚分别连接主控芯片IC1的P1.7脚、P0.3脚、P0.2脚、P0.1脚、P1.6脚、P1.5脚及P0.0脚、P3.5脚。

3.根据权利要求2所述的一种基于PPG的袖带血压监测系统，其特征在于：压力传感器电路采用电容式的压力传感器，其测量范围0-40kPa；压力传感器电路采用四路低压低功耗运算放大器IC6A、IC6D、IC6F、IC6E作为对压力信号的放大机构，并由运算放大器IC6E的输出端连接主控芯片IC1的P4.0脚。

4.根据权利要求2所述的一种基于PPG的袖带血压监测系统，其特征在于：加速度传感器电路采用的芯片IC4的型号为MMA7455L，加速度传感器芯片IC4的SDA脚、SCL脚分别与主控芯片IC1的P4.1脚、P4.2脚连接。

5.根据权利要求2所述的一种基于PPG的袖带血压监测系统，其特征在于：泵和阀门驱动控制电路包括有两个开关三极管Q1、Q2，其中开关三极管Q1控制气泵JP1，开关三极管Q2控制电磁阀JP2；开关三极管Q1的基极通过电阻R80连接主控芯片IC1的P1.0脚，其发射极连接气泵JP1，在气泵JP1的输入端之间连接有起保护作用的二极管D10；开关三极管Q2的基极通过电阻R81连接主控芯片IC1的P1.1脚，而其发射极连接电磁阀JP2，在电磁阀JP2的输入端之间连接有起保护作用的二极管D11。

6.根据权利要求1所述的一种基于PPG的袖带血压监测系统，其特征在于：电源管理电路通过线性稳压芯片U3将5V直流电源转化为3.3V直流电源提供给各电路模块。

7.根据权利要求2所述的一种基于PPG的袖带血压监测系统，其特征在于：显示驱动电路的LCD模块J2与主控芯片IC1通过8位并口进行数据通信以显示得到的血压数据，LCD模块J2的IREF脚连接有下拉电阻R30，而其VDD脚、BS1脚、BS2脚连接有滤波电容C26，其VCOMH脚连接滤波电容C33，其VCC脚连接有滤波电容C34。

8.根据权利要求2所述的一种基于PPG的袖带血压监测系统，其特征在于：数据存储电路采用Nand Flash芯片IC9，其型号为GD5F4G；芯片IC9的1脚、2脚、3脚、5脚及6脚分别连接主控芯片IC1对应的管脚，采集到的数据存储到Nand Flash芯片IC9中，Flash芯片芯片IC9与主控芯片IC1通过SPI接口进行通讯，Nand Flash芯片IC9具有512M字节的存储空间。

9.根据权利要求1所述的一种基于PPG的袖带血压监测系统，其特征在于：所述PPG信号采集芯片AFE4900的B3脚和A5脚连接有由两个高亮度绿色LED和一高灵敏度光电二极管PD组成的光电二极管电路。