基于示波法和高斯拟合的电子血压计研究与实现
韩云+俞阿龙+宋奔腾
摘 要： 近年来高血压在中老年人群中发病率不断上升，心血管病人呈现出低龄化大众化的趋势。在这样的背景下，以往的医院诊所式的测量方式已经远远不能满足人们的测试需求，随着电子血压计的出现，这一现象才得到缓解，大大提高了效率。该文以此为着眼点，介绍以示波法和高斯拟合的血压判定方法设计的便携式电子血压计。借助RealViewMDK开发套件，以STM32F103C8T6处理器为核心，详细分析了硬件选型及软件设计流程。该文综合了市场上绝大多数血压计的优点，设计出了功耗低、测试时间短、精度高的电子血压计，测试结果与水银血压计测试结果基本吻合，具有更高的实用价值。
关键词： 电子血压计； 示波法； 高斯拟合； STM32F103C8T6
中图分类号： TN98?34； TP368.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）04?0176?03
Electronic sphygmomanometer research and implementation based on
oscillography and Gaussian fitting
HAN Yun， YU Along， SONG Benteng
（College of Electrical Engineering and Control Science， Nanjing Tech University， Nanjing 210000， China）
Abstract： With the continuously increasing of the high blood pressure morbidity of the elderly population， the tendency of the cardiovascular patients becomes younger?age trend and popularization. Under this background， the previous measurement modes of the hospital clinic cant satisfy the test requirement. With the appearance of the electronic sphygmomanometer， this phenomenon has been eased， and its efficiency is improved greatly. The portable electronic sphygmomanometer designed with the blood pressure judgment method based on the oscillography and Gaussian fitting is introduced. The hardware selection and software design process are analyzed in detail by means of the RealViewMDK development kit， and by taking STM32F103C8T6 as the core. The advantages of the vast majority of the sphygmomanometer in the market are synthesized to design an electronic sphygmomanometer with low power dissipation， short test time and high precision. The test results of this sphygmomanometer and mercury sphygmomanometer are basically matched. The sphygmomanometer has a higher practical value.
Keywords： electronic sphygmomanometer； oscillography； Gaussian fitting； STM32F103C8T6
高血压对人体危害非常大，不仅直接产生头疼、头晕、失眠、烦燥、心悸、胸闷等一系列症状，长期下去对心、脑、肾及其靶器官的破坏是非常严重的。许多高血压的患者死于中风、心衰和肾功能衰竭。近年来高血压在中老年人群中发病率不断上升，心血管病人呈现出低龄化大众化的趋势。如果能经常测量自己的血压，对预防和治疗心血管疾病大为有益。电子血压计应运而生， 与传统水銀血压计相比有无污染，体积小重量轻，携带方便的特点，越来越多的走进了人们的家庭里。本文设计了以STM32F103C8T6处理器为控制核心，采用示波法进行测量的电子血压计，具有很高的实用价值。
1 示波法原理
血压判定方法可分为直接测量法和间接测量法。直接测量法通过观察插入大动脉内的压力传感器的导管内的液柱测得数据，此方法可靠性高，但技术难度大且有一定的创伤性，不适合大范围使用。间接测量法可分为连续式测量和间歇式测量。电子血压计一般采用间歇式测量，本文采用的示波法即为间歇式测量的代表性方法。示波法通过检测血液流动时碰撞血管壁产生的振动来判定血压，查找源于血管壁的搏动而产生的振荡波的包络，并根据包络与动脉血压之间的关系，得到血压值。示波法多采用幅度系数法确定舒张压和收缩压，由于幅度系数法在对振荡波的最强点以及和舒张压、收缩压与其的比值系数的选取比较困难，且幅度系数法的个体适应性差，本文采用基于示波法和高斯拟合的血压判定方法：首先确定振荡波中各个单波的峰值点；然后确定拟合振荡波包络线的最佳拟合曲线；进而查找包络线的最大值，选定积分区间，提出的积分公式和最大值的位置，确定舒张压和收缩压的位置，最后确定舒张压和收缩压[2]。示波法测量示意图如图1所示。图中尖脉冲是脉搏波，最上方是袖带静压力，中间是高斯拟合后的包络线。
2 硬件选型与设计
电子血压计硬件主要包括STM32F103C8T6微处理器、压力传感器电路、气阀气泵控制电路、前置预放电路、滤波放大电路、按键和LCD显示等。系统框图见图2。
2.1 STM32F103C8T6微处理器
本设计选用STM32F103C8T6处理器为主控制芯片，采用高性能的ARM Cortex?M3 32位RISC内核，最高主频达到72 MHz，高速嵌入式存储器（闪存高达20 KB的SRAM），并连接到两个APB总线广泛的范围内增强I/O和外设。STM32F103C8T6处理器在本设计中主要完成气泵气阀电路的控制、A/D信号的采集、处理与存储等功能。
2.2 前端信号采集与预处理
前端處理电路主要包括压力传感器、仪表放大和滤波放大电路，完成对输入血压信号的采集、滤波和放大。压力传感器选用美国芯源系统有限公司（MPS）公司生产的MPS1117（压力值范围0～300 mmHg），集成了4个压敏电阻和1个弹性膜。
4个压敏电阻形成了惠斯通电桥结构，当有压力作用在弹性膜上时电桥会产生一个与所加压力成线性比例关系的电压输出信号。仪表放大器选用亚德诺半导体（ADI）公司生产的AD620，具有高精度（最大非线性度40 ppm）、低失调电压（最大50 μV）和低失调漂移（最大0.6 μV/°C）特性，是传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。只需要串接一个电阻就可以自由调节放大倍数，本系统前置放大倍数20倍，输出的直流信号也就是袖带静压力通过STM32F103C8T6的AD接口处理。脉搏波信号的频率较低，易受外界高频信号的干扰，在预放AD620后接一个0.8～20 Hz的带通滤波器使外界干扰能得到20～30 dBm的衰减，带外信号抑制能力强。滤波和后级放大均采用LM324运算放大器，后级放大30倍后接入STM32F103C8T6的AD端口。前端信号采集与预处理框图如图3所示。
2.3 气阀气泵控制电路
本设计采用厦门科际电子有限公司生产的KPM27W气泵和KSV05B微型电磁阀，供电电压DC 3～6 V，体积小、重量轻、响应速度快。
STM32F103C8T6微处理器I/O口输出最大电流为8 mA，驱动气泵和电磁阀需串接一个三极管S8050，然后通过I/O口输出PWM波控制气泵和电磁阀的充放气速度。
2.4 按键处理与LCD显示
按键和显示模块由3个独立按键和一块LCD1602组成，其中按键分别是开始、复位和查询。按下开始键开机启动一次测量，结果自动保存在RAM中。复位键可以结束这次测量，还原到初始状态，准备下一次测量。再次按下开始键关闭电源，其中查询键可任意翻看列次测量结果。LCD1602显示收缩压、舒张压和测量时间。
3 软件设计
系统软件使用C语言基于RealViewMDK开发套件进行编程开发。系统开机后，微处理器对定时器、I/O口、ADC等内部寄存器进行初始化配置，等待按键触发。软件设计流程图如图4所示。
软件设计主要包括微处理器初始化、按键扫描程序、气泵气阀输出PWM波控制程序、A/D采样程序、数据滤波与血压值计算程序、LCD显示程序，具体流程见图5。其中数据滤波与血压值计算程序中采用了示波法和高斯拟合的血压判定方法且对采集序列进行了抗干扰处理[2]。
4 性能评估
为了评估实测血压值的准确性和稳定性，以水银血压计测试数据为参考，邀请了来自南京工业大学的10名大学生志愿者，在无剧烈运动的情况下进行连续测量。实测结果和水银测试数据结果偏差在10%以内，满足商用需求。
5 结 语
本文给出了利用示波法实现电子血压计设计方案，包括基于STM32F103C8T6为控制核心的硬件和软件设计。硬件设计具有低成本、低功耗、测试时间短等特点；软件设计存储方便用户查看，开发实现了相应的实物仪表装置。
注：本文通讯作者为俞阿龙。
参考文献
[1] 王维，王静，孙洪央，等.具有蓝牙通信功能的上臂一体式血压测量系统[J].中国医疗器械杂志，2012，36（4）：239?243.
[2] 李雪情.基于示波法和高斯拟合的腕式电子血压计设计与验证[D].合肥：中国科学技术大学，2011.
[3] 谭劲华，吕建超.基于STC89C52单片机的血压计设计[J].自动化技术与应用，2011，30（8）：30?33.
[4] 龚素琴，谷刚.具有通信功能的电子血压计的设计[J].电脑开发与应用，2011，24（1）：50?52.
[5] 王维维，蒲宝明，贺宝岳，等.基于上气测量的电子血压计的设计与实现[J].计算机系统应用，2012，21（2）：150?153.
[6] 王维.基于ARM的便携式多生理参数监护装置的研制[D].上海：上海交通大学，2012.
[7] LEE S， RAJAN S， JEON G， et al. Oscillometric blood pressure estimation by combining nonparametric bootstrap with Gaussian mixture model [J]. Computers in biology & medicine， 2015， 6： 373?380.
[8] 顾涵.基于AT89S51单片机的电子血压计设计[J].常熟理工学院学报，2011，25（8）：97?100.
摘 要： 近年来高血压在中老年人群中发病率不断上升，心血管病人呈现出低龄化大众化的趋势。在这样的背景下，以往的医院诊所式的测量方式已经远远不能满足人们的测试需求，随着电子血压计的出现，这一现象才得到缓解，大大提高了效率。该文以此为着眼点，介绍以示波法和高斯拟合的血压判定方法设计的便携式电子血压计。借助RealViewMDK开发套件，以STM32F103C8T6处理器为核心，详细分析了硬件选型及软件设计流程。该文综合了市场上绝大多数血压计的优点，设计出了功耗低、测试时间短、精度高的电子血压计，测试结果与水银血压计测试结果基本吻合，具有更高的实用价值。
关键词： 电子血压计； 示波法； 高斯拟合； STM32F103C8T6
中图分类号： TN98?34； TP368.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）04?0176?03
Electronic sphygmomanometer research and implementation based on
oscillography and Gaussian fitting
HAN Yun， YU Along， SONG Benteng
（College of Electrical Engineering and Control Science， Nanjing Tech University， Nanjing 210000， China）
Abstract： With the continuously increasing of the high blood pressure morbidity of the elderly population， the tendency of the cardiovascular patients becomes younger?age trend and popularization. Under this background， the previous measurement modes of the hospital clinic cant satisfy the test requirement. With the appearance of the electronic sphygmomanometer， this phenomenon has been eased， and its efficiency is improved greatly. The portable electronic sphygmomanometer designed with the blood pressure judgment method based on the oscillography and Gaussian fitting is introduced. The hardware selection and software design process are analyzed in detail by means of the RealViewMDK development kit， and by taking STM32F103C8T6 as the core. The advantages of the vast majority of the sphygmomanometer in the market are synthesized to design an electronic sphygmomanometer with low power dissipation， short test time and high precision. The test results of this sphygmomanometer and mercury sphygmomanometer are basically matched. The sphygmomanometer has a higher practical value.
Keywords： electronic sphygmomanometer； oscillography； Gaussian fitting； STM32F103C8T6
高血压对人体危害非常大，不仅直接产生头疼、头晕、失眠、烦燥、心悸、胸闷等一系列症状，长期下去对心、脑、肾及其靶器官的破坏是非常严重的。许多高血压的患者死于中风、心衰和肾功能衰竭。近年来高血压在中老年人群中发病率不断上升，心血管病人呈现出低龄化大众化的趋势。如果能经常测量自己的血压，对预防和治疗心血管疾病大为有益。电子血压计应运而生， 与传统水銀血压计相比有无污染，体积小重量轻，携带方便的特点，越来越多的走进了人们的家庭里。本文设计了以STM32F103C8T6处理器为控制核心，采用示波法进行测量的电子血压计，具有很高的实用价值。
1 示波法原理
血压判定方法可分为直接测量法和间接测量法。直接测量法通过观察插入大动脉内的压力传感器的导管内的液柱测得数据，此方法可靠性高，但技术难度大且有一定的创伤性，不适合大范围使用。间接测量法可分为连续式测量和间歇式测量。电子血压计一般采用间歇式测量，本文采用的示波法即为间歇式测量的代表性方法。示波法通过检测血液流动时碰撞血管壁产生的振动来判定血压，查找源于血管壁的搏动而产生的振荡波的包络，并根据包络与动脉血压之间的关系，得到血压值。示波法多采用幅度系数法确定舒张压和收缩压，由于幅度系数法在对振荡波的最强点以及和舒张压、收缩压与其的比值系数的选取比较困难，且幅度系数法的个体适应性差，本文采用基于示波法和高斯拟合的血压判定方法：首先确定振荡波中各个单波的峰值点；然后确定拟合振荡波包络线的最佳拟合曲线；进而查找包络线的最大值，选定积分区间，提出的积分公式和最大值的位置，确定舒张压和收缩压的位置，最后确定舒张压和收缩压[2]。示波法测量示意图如图1所示。图中尖脉冲是脉搏波，最上方是袖带静压力，中间是高斯拟合后的包络线。
2 硬件选型与设计
电子血压计硬件主要包括STM32F103C8T6微处理器、压力传感器电路、气阀气泵控制电路、前置预放电路、滤波放大电路、按键和LCD显示等。系统框图见图2。
2.1 STM32F103C8T6微处理器
本设计选用STM32F103C8T6处理器为主控制芯片，采用高性能的ARM Cortex?M3 32位RISC内核，最高主频达到72 MHz，高速嵌入式存储器（闪存高达20 KB的SRAM），并连接到两个APB总线广泛的范围内增强I/O和外设。STM32F103C8T6处理器在本设计中主要完成气泵气阀电路的控制、A/D信号的采集、处理与存储等功能。
2.2 前端信号采集与预处理
前端處理电路主要包括压力传感器、仪表放大和滤波放大电路，完成对输入血压信号的采集、滤波和放大。压力传感器选用美国芯源系统有限公司（MPS）公司生产的MPS1117（压力值范围0～300 mmHg），集成了4个压敏电阻和1个弹性膜。
4个压敏电阻形成了惠斯通电桥结构，当有压力作用在弹性膜上时电桥会产生一个与所加压力成线性比例关系的电压输出信号。仪表放大器选用亚德诺半导体（ADI）公司生产的AD620，具有高精度（最大非线性度40 ppm）、低失调电压（最大50 μV）和低失调漂移（最大0.6 μV/°C）特性，是传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。只需要串接一个电阻就可以自由调节放大倍数，本系统前置放大倍数20倍，输出的直流信号也就是袖带静压力通过STM32F103C8T6的AD接口处理。脉搏波信号的频率较低，易受外界高频信号的干扰，在预放AD620后接一个0.8～20 Hz的带通滤波器使外界干扰能得到20～30 dBm的衰减，带外信号抑制能力强。滤波和后级放大均采用LM324运算放大器，后级放大30倍后接入STM32F103C8T6的AD端口。前端信号采集与预处理框图如图3所示。
2.3 气阀气泵控制电路
本设计采用厦门科际电子有限公司生产的KPM27W气泵和KSV05B微型电磁阀，供电电压DC 3～6 V，体积小、重量轻、响应速度快。
STM32F103C8T6微处理器I/O口输出最大电流为8 mA，驱动气泵和电磁阀需串接一个三极管S8050，然后通过I/O口输出PWM波控制气泵和电磁阀的充放气速度。
2.4 按键处理与LCD显示
按键和显示模块由3个独立按键和一块LCD1602组成，其中按键分别是开始、复位和查询。按下开始键开机启动一次测量，结果自动保存在RAM中。复位键可以结束这次测量，还原到初始状态，准备下一次测量。再次按下开始键关闭电源，其中查询键可任意翻看列次测量结果。LCD1602显示收缩压、舒张压和测量时间。
3 软件设计
系统软件使用C语言基于RealViewMDK开发套件进行编程开发。系统开机后，微处理器对定时器、I/O口、ADC等内部寄存器进行初始化配置，等待按键触发。软件设计流程图如图4所示。
软件设计主要包括微处理器初始化、按键扫描程序、气泵气阀输出PWM波控制程序、A/D采样程序、数据滤波与血压值计算程序、LCD显示程序，具体流程见图5。其中数据滤波与血压值计算程序中采用了示波法和高斯拟合的血压判定方法且对采集序列进行了抗干扰处理[2]。
4 性能评估
为了评估实测血压值的准确性和稳定性，以水银血压计测试数据为参考，邀请了来自南京工业大学的10名大学生志愿者，在无剧烈运动的情况下进行连续测量。实测结果和水银测试数据结果偏差在10%以内，满足商用需求。
5 结 语
本文给出了利用示波法实现电子血压计设计方案，包括基于STM32F103C8T6为控制核心的硬件和软件设计。硬件设计具有低成本、低功耗、测试时间短等特点；软件设计存储方便用户查看，开发实现了相应的实物仪表装置。
注：本文通讯作者为俞阿龙。
参考文献
[1] 王维，王静，孙洪央，等.具有蓝牙通信功能的上臂一体式血压测量系统[J].中国医疗器械杂志，2012，36（4）：239?243.
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[4] 龚素琴，谷刚.具有通信功能的电子血压计的设计[J].电脑开发与应用，2011，24（1）：50?52.
[5] 王维维，蒲宝明，贺宝岳，等.基于上气测量的电子血压计的设计与实现[J].计算机系统应用，2012，21（2）：150?153.
[6] 王维.基于ARM的便携式多生理参数监护装置的研制[D].上海：上海交通大学，2012.
[7] LEE S， RAJAN S， JEON G， et al. Oscillometric blood pressure estimation by combining nonparametric bootstrap with Gaussian mixture model [J]. Computers in biology & medicine， 2015， 6： 373?380.
[8] 顾涵.基于AT89S51单片机的电子血压计设计[J].常熟理工学院学报，2011，25（8）：97?100.
