TWI604821B - 具有壓電幫浦的血壓測量裝置及具有壓電幫浦的血壓測量裝置的控制方法 - Google Patents

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Description

具有壓電幫浦的血壓測量裝置及具有壓電幫浦的血壓測量裝置的控制方法
本發明係關於一種血壓測量裝置，尤其是一種具有壓電幫浦的血壓測量裝置。本發明另關於一種血壓測量裝置的控制方法，尤其一種在對氣囊的充氣過程中，控制壓電幫浦的充氣速率維持在一預定範圍內的控制方法。
習知的血壓測量裝置在測量血壓上，通常應用兩種方式進行血壓測量，第一種是洩氣式測量，第二種是充氣式測量。在洩氣式測量過程中，首先利用充氣幫浦將氣體充入捲繞在手臂或手腕上的腕帶(cuff)內的氣囊(bladder)，使氣囊被充氣達到一預定的壓力，壓迫使用者的動脈。接著釋放氣囊內的氣體，使氣囊洩氣。在洩氣的過程中，利用壓力感測器感測血管收縮所造成的壓力脈動，並將此壓力脈動換算成血壓值。充氣式測量過程則在充氣的過程中測量血壓。
近來，壓電幫浦(MEMS pump)的技術漸趨成熟，已開始廣泛的應用於血壓測量裝置。利用壓電材料的逆壓電效應所製作出的壓電幫浦，具有低噪音、操控精準度高及穩定輸出的特性。使用壓電幫浦製成的 血壓測量裝置，可在對氣囊充氣的過程中，擷取血管收縮所造成的壓力脈動，經過分析、計算、換算後，即可得到血壓值。
然而，要提高這類具有壓電幫浦的血壓測量裝置的準確度，必須持續改良壓電幫浦在充氣時的穩定度，讓充氣的速率接近穩定。由於充氣過程中，為了使氣囊內的壓力緩慢地持續的上升，致使壓電幫浦的驅動電壓或驅動頻率必須隨時透過微控制器進行控制，才能使充氣速率維持穩定，因此控制電路非常的複雜，在實際應用上並無法得到理想的效果。
因此本發明之目的係提供一種血壓測量裝置，其藉由控制壓電幫浦的驅動電壓位準，使得壓電幫浦充速能力能即時改變，從而使氣囊內的加壓速率或流入氣囊內的氣體流率維持穩定。
依據本發明之一觀點，提供一種具有壓電幫浦的血壓測量裝置，該裝置包括一具有一氣囊之腕帶、一壓電幫浦及一微控制器。腕帶係纏繞在一待測部位上。壓電幫浦係用以將氣體充入該氣囊內。微控制器係控制該壓電幫浦的驅動電壓位準，使該壓電幫浦之一氣體充入速率維持在一預定充氣速率範圍內。
本發明之上述血壓測量裝置之該微控制器透過一電壓調整電路經由一馬達驅動控制電路控制該壓電幫浦的驅動電壓位準。
本發明之上述血壓測量裝置之該微控制器發出一定頻訊號至該馬達驅動控制電路，以提供壓電幫浦固定的驅動頻率。
本發明之上述血壓測量裝置，更包含一馬達驅動控制電路，其發出一定頻訊號，以提供該壓電幫浦固定的驅動頻率。
本發明之上述血壓測量裝置之該預定充氣速率範圍為每秒4至6毫米汞柱。
本發明之上述血壓測量裝置更包括一壓力感測器，係用以在氣體充入該氣囊內的過程中，監測該氣囊內的壓力。
本發明之上述血壓測量裝置之該壓電幫浦更用以將氣體導出該氣囊內
本發明另提供一種具有壓電幫浦的血壓測量裝置之控制方法，其中，該血壓測量裝置包括：一具有氣囊之腕帶，係纏繞在一待測部位上；一壓電幫浦，係連接至該氣囊，用以將氣體充入該氣囊內；一壓力感測器，係連接至該氣囊，用以監測該氣囊內的壓力；以及一微控制器，該微控制器在該壓電幫浦的一充氣過程中，從該壓力感測器接收多個壓力訊號；該控制方法包括以下步驟：(a)提供壓電幫浦一固定的驅動頻率及一驅動電壓位準，以持續將氣體充入該氣囊內；(b)該微控制器依據該壓力感測器感測之該多個壓力訊號判斷壓電幫浦的一充氣速率，若該充氣速率較一預定的充氣速率範圍快，則該微控制器降低該驅動電壓位準，使該充氣速率減緩至該預定的充氣速率範圍內；以及(c)該微控制器將該多個壓力訊號換算成一血壓值。
本發明另提供一種具有壓電幫浦的血壓測量裝置之控制方法，其中，該血壓測量裝置包括：一具有氣囊之腕帶，係纏繞在一待測部位上；一壓電幫浦，係連接至該氣囊，用以將氣體充入該氣囊內；一壓力感測器，係連接至該氣囊，用以監測該氣囊內的壓力；以及一微控制器，該微控制器在該壓電幫浦的一充氣過程中，從該壓力感測器接收多個壓力訊號；該控制方法包括以下步驟：(a)提供壓電幫浦一固定的驅動頻率及一驅動電壓位準，以持續將氣體充入該氣囊內；(b)該微控制器依據該壓力感測器感測之該多個壓力訊號判斷壓電幫浦的一充氣速率，若該充氣速率較該預定的充氣速率範圍慢，則該微控制器昇高該驅動電壓位準，使該 充氣速率加快至該預定的充氣速率範圍內；以及(c)該微控制器將該多個壓力訊號換算成一血壓值。
本發明之上述控制方法更包括在該(a)步驟之後，該微控制器藉由該壓力感測器感測脈動，若沒有脈動，則對該氣囊進行洩氣。
10‧‧‧血壓測量裝置
20‧‧‧本體
21‧‧‧顯示器
22‧‧‧使用者操作介面
30‧‧‧腕帶
31‧‧‧氣囊
51‧‧‧儲存器
52‧‧‧系統電源
53‧‧‧壓電幫浦
54‧‧‧壓力感測器
55‧‧‧微控制器
56‧‧‧馬達驅動控制電路
57‧‧‧電壓調整電路
58‧‧‧DC-DC昇壓電路
60‧‧‧洩氣部
V0‧‧‧初始電壓
S101-107‧‧‧步驟
圖1為本發明之血壓測量裝置之立體示意圖；圖2為本發明之血壓測量裝置之第一實施例中的元件方塊圖；圖3為本發明之血壓測量裝置之氣囊內壓力與時間的關係圖；圖4為本發明之血壓測量裝置之壓電幫浦之電壓與時間的關係圖；圖5為本發明之血壓測量裝置之第二實施例中的元件方塊圖；圖6為本發明之血壓測量裝置之控制流程圖。
以下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
為簡化和清楚呈現主要內容，圖式顯示發明整體之構造方式，並且將眾所周知的特徵和其相應之技術描述及細節略去，以避免不必要地模糊本發明之保護範圍。在不同圖式中的相同參考數字表示相同的元件。
圖1繪示本發明之血壓測量裝置10的外觀，在本實施例中僅例示腕式血壓計，但本發明並不以此為限，本發明技術領域具通常知識者當知，血壓測量裝置10也可為上臂式血壓計或等效的血壓測量測量裝置。血壓測量裝置10主要包含本體20及連接於本體20的具有氣囊(未示於圖1)的腕帶30。本體20上另有顯示器21及使用者操作介面22，例如按鈕。顯示器21可供使用者察看操作資訊，例如時間、體溫及所在地的溫度、濕度等，以及測量後的血壓值。然而，本發明之血壓測量裝置的顯示器類型或功能並不限於此，例如觸碰式螢幕也可以適用於本發明。在其他實施例中，本體20的外殼可為透明或可透光的外殼，其內部可設置變色光源或兩種顏色的光源，可隨測量時的脈搏速率變不同顏色，或可在測量結束時，發出紅光或綠光，表示血壓高於或接近標準值。
請參見圖2，顯示本發明之第一實施例的血壓測量裝置10在本體20內的元件方塊圖(顯示於圖2之虛線範圍內)。當使用者藉由本體20上的使用者操作介面，如按鈕22，啟動血壓測量裝置10的測量時，系統電源52開始對整個系統提供電源。在本實施例中，系統電源52可為電池，也可為外接電源，例如透過變壓器取得室內110伏特交流電源。壓力感測器54與腕帶的氣囊31連接，藉此可逐時監測氣囊31內的壓力，並將多個所感測的壓力訊號傳輸至微控制器55。熟此技術者當知，於實際設計上，壓力感測器54係設置在連通氣囊31的氣路上以感測壓力。此外，系統電源52也提供電力給DC-DC昇壓電路58，其用於將系統電源52之直流電壓升壓至適用於馬達驅動控制電路56的直流電壓。
微控制器55控制電壓調整電路57，在初始開始作動時，給予馬達驅動控制電路56初始電壓V0，較佳地為10伏特(volts)，同時透過電壓調整電路57經由馬達驅動控制電路56，使壓電幫浦53進行等速 充氣。微控制器55另發出脈衝寬度調變(PWM)定頻訊號至馬達驅動控制電路56，以提供壓電幫浦53一個固定的驅動頻率，亦即在整個充氣過程中頻率都保持固定。在此特別說明的是，電壓調整電路57是藉由改變電阻或電流，進而隨時調整壓電幫浦53的驅動電壓位準，以達到壓電幫浦53進行等速充氣的目的。
壓電幫浦53以初始電壓V0及固定驅動頻率的設定值開始對氣囊充氣。同時，壓力感測器54受到微控制器55的控制，在充氣過程中，每隔一段時間即感測氣囊31內之壓力一次，較佳地為每0.5秒感測一次，並不斷發出帶有壓力值的多個壓力訊號至微控制器55。
微控制器55依據至少兩個在不同時間點感測到的壓力訊號的壓力值，換算壓電幫浦53的即時充氣速率，同時判斷此即時充氣速率是否維持在儲存於儲存器51內的預定充氣速率範圍內。當即時充氣速率大於預定的充氣速率範圍時，微控制器55則調整電壓調整電路57之輸入/輸出(I/O)腳位，透過馬達驅動控制電路56使壓電幫浦53的驅動電壓位準變低，減緩即時充氣速率，使即時充氣速率回到預定的充氣速率範圍內；當即時充氣速率小於預定的充氣速率範圍時，微控制器55則調整電壓調整電路57之輸入/輸出(I/O)腳位，透過馬達驅動控制電路56使壓電幫浦53的驅動電壓位準變高，進而加快即時充氣速率，使即時充氣速率達到預定的充氣速率範圍內。在本實施例中，預定充氣速率範圍為每秒2至7毫米汞柱(mmHg/sec)，較佳地為每秒4至6毫米汞柱(mmHg/sec)。此外，儲存器51為記憶體，但本發明並不以此為限。儲存器51用以儲存至少一筆血壓值。在其他實施例中，儲存器51還可儲存使用者的相關資料，可透過使用者操作介面切換，進而顯示身份資訊或生理資訊在前述顯示器 21上。熟此技術者當知，儲存器51內儲存使用者的相關資料係由外部電子裝置透過無線或有線傳輸方式存入。
微控制器55依據壓力感測器54所得的多個壓力訊號，經過分析、計算後，換算為血壓值，並顯示在顯示器21上。此換算的過程在本發明所屬技術領域中為習知的技術，故不在此贅述。
圖3繪示本發明的壓力與時間的關係圖，由圖上曲線可知，依據本發明之血壓測量裝置10之控制方法，可將充氣速率控制在一定的範圍內，接近等速率地充氣加壓，藉此可更清楚地紀錄到脈搏脈動的幅度，從而使微控制器55經分析、計算而得的血壓值更為準確。
圖4繪示本發明的壓電幫浦55之驅動電壓與時間的關係圖，由圖可知壓電幫浦55之驅動電壓位準隨著時間不斷地在調整，並非只是單純地依線性控制方式增加電壓位準，而是不斷變化電壓位準，使得充氣速率得以維持在預定的充氣速率範圍內。
在其他實施例中，血壓測量裝置內可增設流量感測器感測充氣量取代壓力感測器逐時監測氣囊內壓力之功能。使流量感測器如同上述不斷發出即時的流量訊號給微控制器55，使微控制器55如同上述得以不斷據此變化壓電幫浦55的驅動電壓位準，同樣能將充氣速率維持在預定的充氣速率範圍內。
圖5繪示本發明之第二實施例的元件方塊圖，其與第一實施例中所提的大部分元件都相同，惟不同處在於，由馬達驅動控制電路56發出脈衝寬度調變(PWM)定頻訊號，較佳地為自迴授訊號，提供壓電幫浦53一個固定的驅動頻率，亦即在整個充氣過程中頻率保持固定。而微控制器55是藉由調整電壓調整電路57的負載比(duty ratio)來改變壓電幫浦53的驅動電壓位準。
詳言之，微控制器55依據至少兩個在不同時間點感測到的壓力訊號的壓力值，換算壓電幫浦53的即時充氣速率，同時判斷此即時充氣速率是否維持在儲存於儲存器51內的預定充氣速率範圍內。當即時充氣速率大於預定的充氣速率範圍時，藉由馬達驅動控制電路56提供脈衝寬度調變(PWM)定頻訊號，並由微控制器55調整定頻的負載比輸出至電壓調整電路57，以藉由不同負載比輸出，使電壓調整電路57產生不同的電壓位準，使壓電幫浦53的驅動電壓變小，減緩即時充氣速率，進而即時將充氣速率調回到預定的充氣速率範圍內；當即時充氣速率小於預定的充氣速率範圍時，則調整驅動電壓變大，加快即時充氣速率，進而即時將充氣速率調回到預定的充氣速率範圍內。
圖6繪示本發明第一或第二實施例之血壓測量裝置10之控制流程圖。本發明係僅例示充氣式測量過程，亦即在充氣的過程中測量血壓。當使用者按壓按鈕22啟動血壓測量裝置10時(步驟S101)，壓電幫浦53以固定的驅動頻率及初始電壓位準的設定值，開始將氣體充入氣囊31內(步驟S102)，微控制器55判斷壓電幫浦53即時的充氣速率是否在預定的充氣速率範圍內(步驟S103)，當即時充氣速率大於預定的充氣速率範圍時，則降低壓電幫浦53的驅動電壓位準(步驟S103-1)，使充氣速率回到預定的充氣速率範圍內；當即時充氣速率小於預定的充氣速率範圍時，則昇高壓電幫浦53的驅動電壓位準(步驟S103-2)，使充氣速率達到預定的充氣速率範圍內。
同時參見圖3及圖6，無論壓電幫浦53的即時充氣速率是否在預定的範圍內，微控制器55都會透過壓力感測器54判斷是否感測到源自壓力變化引起動脈血管發生的脈動，以決定是否完成血壓測量(步驟S104)。若未感測到脈動，則壓電幫浦53停止充氣加壓且微控制器55計 算血壓值(步驟S105)。應注意的是，在壓電幫浦53開始加壓後，微控制器即開始會隨時透過判斷壓力感測器54感測脈動。
於步驟S105之後，洩氣部60進行洩氣步驟(步驟S106)，將氣囊內的氣體從設置於本體20內的洩氣部60排出。最後，計算出的血壓值會顯示在顯示器21上。雖然本發明中，顯示血壓值的步驟(步驟S107)在洩氣部60洩氣步驟(步驟S106)之後，但本發明不限於此，顯示血壓值在顯示器21上的步驟(步驟S107)亦可在洩氣部60進行洩氣(步驟106)之前，只要壓電幫浦53停止充氣且微控制器55已將自壓力感測器54接收到多個壓力訊號換算為血壓值，即可顯示血壓值於顯示器21上。在其他實施例中，壓電幫浦53也可逆向執行洩氣，亦即在不施加驅動電壓下，壓電幫浦53可取代洩氣部60，用以將該氣囊內的氣體快速地導出。
本發明雖僅以第一及第二實施例說明本發明之控制方法，但此控制方法同樣可應用於以流量感測器代替壓力感測器的實施例中，其差異僅在於第一或第二實施例的微控制器是藉由監測氣囊內的壓力判斷充氣速率來調控壓電幫浦的電壓位準；而有流量感測器的實施例中的微控制器是藉由監測壓電幫浦充氣時的流體流動速率判斷充氣速率來調控壓電幫浦的電壓位準。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
21‧‧‧顯示器
22‧‧‧使用者操作介面
31‧‧‧氣囊
51‧‧‧儲存器
52‧‧‧系統電源
53‧‧‧壓電幫浦
54‧‧‧壓力感測器
55‧‧‧微控制器
56‧‧‧馬達驅動控制電路
57‧‧‧電壓調整電路
58‧‧‧DC-DC昇壓電路
60‧‧‧洩氣部

Claims (9)

  1. 一種具有壓電幫浦的血壓測量裝置，包括：一具有氣囊之腕帶，係纏繞在一待測部位上；一壓電幫浦，係用以將氣體充入該氣囊內；以及一微控制器，係控制該壓電幫浦的驅動電壓位準，使該壓電幫浦之一氣體充入速率維持在一預定充氣速率範圍內；其中該微控制器發出一定頻訊號至一馬達驅動控制電路，以提供壓電幫浦固定的驅動頻率。
  2. 一種具有壓電幫浦的血壓測量裝置，包括：一具有氣囊之腕帶，係纏繞在一待測部位上；一壓電幫浦，係用以將氣體充入該氣囊內；一微控制器，係控制該壓電幫浦的驅動電壓位準，使該壓電幫浦之一氣體充入速率維持在一預定充氣速率範圍內；以及一馬達驅動控制電路，其發出一定頻訊號，以提供該壓電幫浦固定的驅動頻率。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之血壓測量裝置，其中該微控制器透過一電壓調整電路經由該馬達驅動控制電路控制該壓電幫浦的驅動電壓位準。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述之血壓測量裝置，其中該預定充氣速率範圍為每秒4至6毫米汞柱。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述之血壓測量裝置，更包括一壓力感測器，係用以在氣體充入該氣囊內的過程中，監測該氣囊內的壓力。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所述之血壓測量裝置，其中該壓電幫浦更用以將氣體導出該氣囊內。
  7. 一種具有壓電幫浦的血壓測量裝置之控制方法，其中：該血壓測量裝置包括：一具有氣囊之腕帶，係纏繞在一待測部位上；一壓電幫浦，係連接至該氣囊，用以將氣體充入該氣囊內；一壓力感測器，係連接至該氣囊，用以監測該氣囊內的壓力；以及一微控制器，該微控制器在該壓電幫浦的一充氣過程中，從該壓力感測器接收多個壓力訊號；該控制方法包括以下步驟：(a)提供壓電幫浦一固定的驅動頻率及一驅動電壓位準，以持續將氣體充入該氣囊內；(b)該微控制器依據該壓力感測器感測之該多個壓力訊號判斷壓電幫浦的一充氣速率，若該充氣速率較一預定的充氣速率範圍快，則該微控制器降低該驅動電壓位準，使該充氣速率減緩至該預定的充氣速率範圍內；以及(c)該微控制器將該多個壓力訊號換算成一血壓值。
  8. 一種具有壓電幫浦的血壓測量裝置之控制方法，其中：該血壓測量裝置包括：一具有氣囊之腕帶，係纏繞在一待測部位上；一壓電幫浦，係連接至該氣囊，用以將氣體充入該氣囊內；一壓力感測器，係連接至該氣囊，用以監測該氣囊內的壓力；以及一微控制器，該微控制器在該壓電幫浦的一充氣過程中，從該壓力感測器接收多個壓力訊號；該控制方法包括以下步驟：(a)提供壓電幫浦一固定的驅動頻率及一驅動電壓位準，以持續將氣體充入該氣囊內；(b)該微控制器依據該壓力感測器感測之該多個壓力訊號判斷壓電幫浦的一充氣速率，若該充氣速率較該預定的充氣速率範圍慢，則該微控制器昇高該驅動電壓位準，使該充氣速率加快至該預定的充氣速率範圍內；以及(c)該微控制器將該多個壓力訊號換算成一血壓值。
  9. 如申請專利範圍第7或8項所述之控制方法，更包括在該(a)步驟之後，該微控制器藉由該壓力感測器感測脈動，若沒有脈動，則對該氣囊進行洩氣。
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