基于藍牙4.0的示波法電子血壓計的設(shè)計方案

一、引言

隨著人類飲食作息習(xí)慣的改變，心血管方面的疾病問題已經(jīng)成為致使人類過早死亡和殘疾的主要因素之一。血壓作為人體的重要生理指標(biāo)之一，健康的血壓是維持人體進行正常的新陳代謝必不可少的條件。傳統(tǒng)的水銀汞柱式血壓計雖然測量準(zhǔn)確，但使用不便，且需要經(jīng)過培訓(xùn)才能精確測量。近年來，隨著嵌入式軟件和硬件技術(shù)的快速發(fā)展，可穿戴式智能醫(yī)療設(shè)備逐漸受到人們的青睞。因此，設(shè)計和開發(fā)便于攜帶的電子血壓計已成為當(dāng)前的研究熱點。

二、示波法測量血壓的基本原理

示波法測量血壓的過程與柯氏音法基本一致。示波法通過袖帶壓力和脈搏波之間的對應(yīng)關(guān)系來測定血壓值。測量步驟如下：

1. 加壓：通過氣泵對袖帶進行充氣加壓，阻塞上臂肱動脈血液流通。

2. 放氣：在脈搏波消失后，對袖帶進行緩慢放氣減壓，脈搏開始出現(xiàn)。

3. 測量：脈搏波突然變大，在達到人體的平均壓時，脈搏波幅值達到最大值，然后又隨著袖帶中壓力的減小而衰減。示波法通過檢測脈搏波最大值來確定平均壓，而舒張壓和收縮壓則需要通過它們之間的比例系數(shù)來計算。

三、基于藍牙4.0的示波法電子血壓計設(shè)計方案

1. 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于藍牙4.0的示波法電子血壓計由數(shù)據(jù)采集部分（血壓采集盒、袖帶）和Android端APP組成。數(shù)據(jù)采集部分通過分支器連接壓力傳感器、電磁閥、氣泵和袖帶，保證裝置和系統(tǒng)的氣密性。電磁閥和氣泵通過各自的驅(qū)動電路與控制芯片的O/I口相連，控制芯片通過驅(qū)動電路操縱電磁閥開關(guān)和氣泵的充放氣。

2. 硬件設(shè)計

（1）氣泵和電磁閥設(shè)計

設(shè)備選擇370直流氣泵（日本美上美公司生產(chǎn)），最大供氣氣壓可達450mmHg，額定電流為250mA，工作電壓DC3-6V，分貝小于65dB。電磁閥選擇CJ13-A06A1，氣密性3mmHg/min，額定電流60mA，額定電壓為DC3-6V，最低工作電壓3.5V，直流阻抗100Ω，可達到設(shè)備快速放氣和緩慢放氣的要求。

（2）壓力傳感器和信號調(diào)理模塊

壓力傳感器用于采集袖帶壓力數(shù)據(jù)和脈搏波數(shù)據(jù)。由于脈搏波信號具有采集困難、抗干擾能力差、強度較弱等特點，因此采用信號調(diào)理模塊對采集到的信號進行放大、濾波，并傳入單片機。

（3）藍牙通信模塊

本設(shè)備選用基于V4.0BLE的藍牙串口通信模塊（HC-08），與藍牙2.0模塊相比，功耗低、傳輸速度更快。在低耗能MODE3模式下，向串口發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)即可將其喚醒，該模塊還可完成廣播者、觀察者、外設(shè)、中心等多角色轉(zhuǎn)換，在空曠環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)80米遠距離通信。

（4）主控芯片

主控芯片是電子血壓計的核心部件，負責(zé)數(shù)據(jù)處理和通信控制。常見的主控芯片型號有：

• SIC32F911RET6：采用專有32位CPU，支持雙引腳32KHz晶體振蕩器或單引腳32KHz晶體振蕩器。封裝形式為LQFP64，適用于高性能、低功耗的應(yīng)用場景。

• STM32F103ZET6：基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，具有高性能、低功耗的特點。適用于醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

• CC2540：支持藍牙4.0低功耗技術(shù)的MCU，能夠以小電流驅(qū)動氣泵和氣閥，并通過PWM智能控制氣泵電機的轉(zhuǎn)速。適用于可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

主控芯片在設(shè)計中的作用：

1. 數(shù)據(jù)處理：主控芯片負責(zé)采集到的壓力傳感器數(shù)據(jù)進行處理，通過算法計算出收縮壓和舒張壓。

2. 通信控制：主控芯片通過藍牙模塊與Android端APP進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸和接收。

3. 設(shè)備控制：主控芯片通過驅(qū)動電路控制電磁閥和氣泵的開關(guān)，實現(xiàn)袖帶的加壓和放氣過程。

（5）電源管理模塊

電源管理模塊負責(zé)為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。采用低功耗設(shè)計，確保設(shè)備在長時間使用過程中保持穩(wěn)定的性能。

3. 軟件設(shè)計

（1）下機位軟件設(shè)計

下機位軟件的主要功能是接收Android端APP的指令，并根據(jù)指令完成不同的操作。最后將經(jīng)過信號調(diào)理模塊和控制芯片處理后的數(shù)據(jù)通過藍牙4.0上傳至Android端APP。下機位軟件采用STM32F103ZET6微控制器，以KeilMDK為開發(fā)平臺，通過“串口調(diào)試助手”調(diào)試血壓信號。

（2）Android端APP設(shè)計

Android端APP包含數(shù)據(jù)處理模塊、波形繪制模塊和藍牙模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、顯示與傳輸。界面設(shè)計包括歡迎動畫（顯示產(chǎn)品名稱及l(fā)ogo）、主界面（測量界面）、按鈕（連接藍牙、開始/停止測量）、顯示區(qū)域（測量時心率、氣壓值、收縮壓、舒張壓）、分析界面（可選擇查看歷史血壓曲線圖）和信息提示對話框（提示用戶重新連接、藍牙未連接、袖帶未綁好等）。

4. 測量算法

示波法測量血壓的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確計算收縮壓和舒張壓。本設(shè)備采用拐點法和變幅度系數(shù)法相結(jié)合的方法來確定血壓值。首先確定脈搏波中的每一個單波的峰值點，然后選擇最適合的曲線擬合方式對脈搏波的峰值點進行包絡(luò)線的擬合，并查找出包絡(luò)線的峰值點。通過該點可以得出平均壓，再利用變幅度系數(shù)法的歸一化系數(shù)來確定收縮壓和舒張壓的位置，進而求得收縮壓和舒張壓。

5. 實驗驗證

對開發(fā)的電子血壓計進行實驗測試和驗證，實驗表明系統(tǒng)符合美國醫(yī)療儀器促進協(xié)會（AAMI）標(biāo)準(zhǔn)的要求。與水銀血壓計相比，測量結(jié)果相近，舒張壓差值≤5mmHg的比例為90%，收縮壓差值≤5mmHg的比例為80%。設(shè)備具有攜帶方便、操作簡單、穩(wěn)定性更強等優(yōu)點，適用于家庭日常血壓檢測。

四、結(jié)論

基于藍牙4.0的示波法電子血壓計結(jié)合了示波法測量血壓的基本原理和藍牙4.0低功耗通信技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)了血壓的準(zhǔn)確測量和數(shù)據(jù)的實時傳輸。通過優(yōu)化硬件設(shè)計和改進測量算法，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。該設(shè)備具有攜帶方便、操作簡單、測量準(zhǔn)確等優(yōu)點，適用于家庭日常血壓檢測和遠程醫(yī)療管理。未來，可以進一步探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電子血壓計中的應(yīng)用，實現(xiàn)更加智能化和個性化的健康管理。