具有蓝牙通信功能的上臂一体式血压测量系统

王维，王静，孙洪央，徐祖洋，柴新禹＊

上海交通大学生物医学工程学院，上海市，200240

0 引言

随着我国人口老龄化问题的日益严峻以及慢性疾病病人的持续增长，传统的医疗手段[1]面临着巨大的压力。移动医疗[2]是生物医学传感技术、移动计算技术与网络互联技术三者相结合的产物。移动医疗的发展是缓解这一压力的有效途径。

移动医疗系统的重要组成部分是无线躯体传感器网络[3](Wireless Body Sensor Networks, WBSN或BSN)，它是以无线传输方式连接的各种可穿戴式生物传感器或者植入人体内的生物传感器所组成的无线网络，不仅是一种全新的医疗保健、疾病监控和预防的解决方案，还是物联网[4]的重要感知及组成部分[1]。在实际应用中，BSN能够长期连续地对人体的生理信息[5-6](心率、血压、血氧、呼吸、体温等)和运动信息[2](速度、步态、轨迹以及体能消耗等)进行无线动态连续监测，通过对测量数据的提取、分析和处理，实现对人体健康状况的实时监测、早期预警和长期跟踪，达到预防为主、无症自诊和日常监护的目的。

血压是人体重要生命体征之一，高血压是诱发众多高危心脑血管疾病最主要的因素。研究发现，血压变化率与早期靶器官损害以及心脑血管疾病的死亡率之间有着显著的相关性[7-8]。因此，及时准确地了解血压的变化，不仅对病情掌控、疾病诊断有着重要的临床价值，而且对维护人体健康、预防心脑血管疾病等具有十分重要的意义。随着科学技术的发展和人们健康意识的逐渐增强，血压监测从医院、病房进入到社区和普通家庭。市场上出现了大量便携式电子血压计，主要有臂式血压计和腕式血压计两种类型。臂式血压计大都体积较大，袖带和血压计之间靠一条气管连接，使用不方便。腕式血压计虽然使用方便，操作简单，但是一般不适合于患有血液循环障碍的病人以及老人[9]，而且测量精度上一般要低于臂式血压计。这两类血压计一般还可以存储若干条历史记录，但是由于不具备无线通信功能，只能通过手工抄录等方式获取历史记录，容易产生错误。而使用无线通信技术，可以很方便地获取被测者的血压信息，并能将测量信息远程传输到后台数据库，便于综合分析管理和医疗专家远程诊断。因此，开发无线通信功能的血压测量系统具有重要的意义。

目前常用的无线通信技术[10-11]主要包括射频（RF）、蓝牙（Bluetooth）、IEEE802.15.4 ZigBee、超宽带技术（Ultra Wide Band, UWB）和红外通信等短距离无线通信技术，以及3G和GPRS等远程通信技术。在BSN中广泛使用的无线通信技术[12]为蓝牙和ZigBee[13]。蓝牙具有体积小、功耗低、安全性、抗干扰性和应用广泛等特点，非常适合BSN中单参数短距离通信。因此，本文提出并实现了一种具有蓝牙通信功能的上臂一体式血压测量系统。

1 系统硬件设计

系统硬件结构主要由微处理器、血压信号采集电路、气泵气阀控制电路、电源电路、按键电路、液晶（LCD）显示和蓝牙通信等部分构成。功能框图如图1所示。蓝牙通信模块的接收端可以是任何带有蓝牙功能的设备，如嵌入式多生理参数记录系统、智能手机等，通过3G（或GPRS）接入移动互联网，可以实现数据的无线传输和远程管理。

图1 系统功能框图Fig.1 The system functional block diagram

1.1 MSP430微处理器

选用美国德州仪器（TI）公司的MSP430F149芯片作为该系统的核心处理器。它是一款基于闪存或ROM的16位超低功耗微处理器（低电压工作和5种低功耗工作模式），丰富的片内资源（8通道12位模数转换器（ADC），2个异步串行通信（USART），2个定时器以及比较器和6路I/O口等），超高的运算速度，方便高效的开发环境和性价比高等特点，非常适合于便携式低功耗医疗电子产品的开发。在本设计中，MSP430F149处理器主要完成袖带充放气控制、血压信号实时采集处理和数据无线传输控制等功能。

1.2 血压信号采集电路

血压信号采集电路主要包括压力传感器、前置放大电路、滤波电路以及后级放大电路等，主要完成血压信号的采集、放大以及滤波。然后将滤波处理后的袖带静压力信号和脉搏波信号分别送入MSP430F149微处理器的ADC单元。在微处理器中进行计算处理获得血压值，然后送到LCD显示，并存储数据；同时通过蓝牙，把数据传送到嵌入式多生理参数记录系统或者智能手机，完成数据预处理后进行存储；同时将数据通过无线网络（3G、GPRS等）传送到远程医疗数据中心。血压信号采集电路原理如图2所示。

图2 血压信号采集电路原理图Fig.2 The schematic diagram of blood pressure signal acquisition circuits

人体脉搏波信号是一种微弱低频（mV量级，0～40 Hz），低信噪比[14]的生理信号，因此需要设计前置放大电路对压力传感器的输出信号进行差分放大[15-16]。前置放大器选用TI的低功耗零漂移仪表放大器INA118。该芯片具有高精度、低功耗和低电源电压等性能，还具有最低的静态电流与输入偏置电流、出色的功率噪声比和极低的失调电压，仅需外接单个高精度电阻就能实现1到1 000倍的放大倍数。本设计前置放大电路增益为10倍。在血压测量过程中，袖带内压力信号变化缓慢，属于低频信号，接近于直流信号，利用截止频率为0.6 Hz的低通滤波器，滤除高频信号，得到纯净的静压力信号。通常正常人的脉搏波信号在0～40 Hz频率范围内，且大约有99%的能量分布在0～10 Hz之间[17]。因此，设计截止频率为0.6 Hz～20 Hz的带通滤波器获得脉搏波信号。考虑到脉搏波信号的幅度较小以及微处理器ADC转化的需要，设计后级放大增益为50倍。滤波电路选用TI的四运算放大器LM324，它具有低功耗电流和低输入失调电压等优点，并使用双电源 ±3.3 V供电。

压力传感器选用联兴特传感技术有限公司生产的扩散硅压力传感器US9111-006。US9111-006系列传感器广泛用于电子血压计中，它内置惠斯通电桥，能够在恒流或恒压源的激励下，将输入压力大小的变化转化为与之成正比的电信号输出。它的量程为0～300 mmHg（0～40 KPa）。

1.3 气泵气阀控制电路

在微处理器MSP430F149的控制下，充气泵和电磁阀分别完成对袖带的充放气。该系统选用博众电子厂生产的BZP06A充气泵和BZV06A常开式电磁阀，它们具有噪声小、充放气速度快等特点。利用三极管2N3904实现驱动电路，提供气泵气阀的驱动电流。通过微处理器的PWM口控制驱动电路，基于三极管的通断来控制充气泵和电磁阀的工作，电路原理如图3所示。

图3 气泵气阀控制电路原理Fig.3 The schematic diagram of pump valve control circuits

充气泵BZP06A的工作电压为4.0 V～7.0 V，充气压力从0～300 mmHg(0～40KPa)所需时间≤10 S，充气过程中电流≤500 mA，噪声≤65 dB。电磁阀BZV06A工作电压3.3 V～6.0 V，定格电流60 mA，电压在ON时出口密封，OFF时放气。

1.4 按键以及显示模块

该部分包括2×2的键盘按键和一块16×2字符的液晶显示屏。键盘按键包括开始（Start）、结束（Stop）、查看（View）、无线发送（Send）。其中“Stop”按键可以随时结束一次测量过程，使系统回到上电后的初始状态，起到保护作用。液晶显示屏选用深圳洪泰显示科技有限公司的LCD1602模块，主要用于显示舒张压、收缩压以及脉搏值。

1.5 蓝牙通信模块

本设计中选用CSR（Cambridge Silicon Radio）公司的蓝牙芯片BC417，它基于BlueCore4-External内核，完全兼容V2.0，并包含增强数据传输单元，速率可达到2 Mbps～3 Mbps，内核工作电压为1.8 V，I/O端口的工作电压为1.8 V～3.6 V。该芯片包含USB和UART等丰富的外设资源，同时可扩展8Mbit的闪存。该模块使用SPANSION公司S29AL008D系列CMOS 3.0V的8Mbit引导扇区闪存，其工作电压为2.7 V～3.6 V。为了方便进行调试与设计，集成了TI公司的低压差收发器MAX3232，能够实现RS-232通信，通过串口使用AT指令集与微处理器进行通信，如图4所示。另外，该蓝牙模块采用曲折线型天线设计[18]，体积小，适合在便携式产品中使用。

图4 蓝牙模块及通信流程图Fig.4 Bluetooth module and communication flowchart

1.6 电源电路

电源选用7.4 V锂电池供电。由于充气泵和电磁阀需要5 V电压，蓝牙模块与血压信号采集模块需要±3.3 V电压，因此，在设计中选用低压差线性稳压器AMS1117-3.3和AMS1117-5.0分别稳定输出3.3V和5V电压，AMS1117﹣3.3输出的3.3 V经过TI公司的电源管理芯片TPS60400反向充电泵稳压器，可以获得﹣3.3 V电压。

2 系统软件设计

程序设计基于IAR Embeded WorkBench开发环境，采用C语言编程。它主要实现微处理器系统初始化、按键扫描控制、气泵气阀充放气控制、血压数据的计算处理、数据显示以及数据无线发送等功能。程序设计流程图如图5所示。

图5 程序设计流程图Fig.5 The programming flowchart

图6 系统工作流程图Fig.6 The work flow chart of system

系统上电后，一方面，蓝牙通信模块上电激活并自动寻找主机；另一方面，开始初始化微处理器时钟、定时器、I/O口、ADC以及串口等，并进入键盘扫描程序对按键进行检测。如果按下“Start”键，则启动血压测量程序进行血压测量，测量结果利用LCD显示存储以及无线发送；如果按下“View”键，则对历史记录进行查看；如果按下“Send”键，则将历史存储值进行无线发送。具体的工作过程如图6所示。同时，在工作过程中，如果按下“Stop”键，系统回到初始化状态，等待新的操作命令。

3 系统测试与分析

本设计开发的上臂一体式血压测量系统将硬件电路集成到袖带上，构成可穿戴的一体式结构。硬件模块包括血压信号采集电路、微处理器模块、蓝牙模块和显示模块等。测量结果显示在液晶屏上，并通过蓝牙模块实现数据的无线发送。开发的系统原理样机如图7所示。

图7 开发的系统原理样机实物图Fig.7 The prototype system for blood pressure measuring

为了评估系统的测量准确度，以商用松下EW3106臂式电子血压计为参照进行血压数据采集。EW3106具体参数如下：血压测量范围为0 kPa～37.3 kPa(0 mmHg～280 mmHg)；脉搏测量范围为30 b/min～160 b/min；压力精度为 ±3 mmHg（±0.4 kpa）以内；脉搏数为读数数值在﹣5 ～ +5以内；可显示血压值及脉率。参与本次测试的6名志愿者来自上海交通大学社团，年龄在23岁到25岁，体重在45 kg到65 kg之间。所有被试者实验前一周内未使用任何药品，4 h内未参与剧烈运动，无任何心血管系统及相关疾病病史。实验方式：商用电子血压计直接进行血压数据的采集；本测量系统将采集到的血压数据通过蓝牙模块发送，PC机通过串口连接蓝牙接收模块接收数据。实验步骤：被试者静息2 min，先利用商用电子血压计测量；然后间隔2 min，再利用本设计系统进行测量，如此一次测量过程结束。被试者在每种测量方式下测量3次，各获得3组数据，然后求取其平均值，得到实验结果。将6名不同被试者的实验结果按序编号，如表1所示。

表1 测试实验结果Tab.1 The testing experimental results

由表1可以看出，本系统采集的收缩压、舒张压及脉搏值数据均处于正常范围以内，这与所招募健康被试的身体状况相符。同时从表1中可以发现，两种测量方式测试结果存在一定的差别，如被试6的舒张压测量值（差值为3 mmHg），被试2的脉搏测量值（差值为3次/min）等，这可能是由于不同测量方式的切换过程中造成个别被试的心理变化和情绪波动等因素所造成的。经与商用血压计测量结果比较和进行统计学分析可知，本文设计开发的具有蓝牙通信功能的血压测量系统各测量参数与商用的电子血压计测得的各参数之间并无显著性差异（收缩压参数t = ﹣1.348，P = 0.235；舒张压参数t = 2.712，P =0.062；脉搏值参数t = ﹣1.185，P = 0.289）。因此，该系统可以实现血压各参数的准确测量以及数据的无线传输，能够满足日常健康监护与无线通信的需要。

3 总结与展望

本文提出并实现了一种具有蓝牙无线通信功能的上臂一体式血压测量系统样机，经健康被试者测试表明，本系统能够完成血压的准确测量和数据的无线通信。因此，在实际应用中既可以进行日常健康监护，又可以通过蓝牙模块将测量数据发送到嵌入式多生理参数记录系统或者智能手机等进行分析处理与存储，同时进一步可以将数据通过远程网络（3G、GPRS等）传送到远程医疗数据中心，实现远程诊断与数据管理。

未来的工作是对样机进行集成化、小型化处理，同时制作成可穿戴的结构，实现便携式测量。由于该设计系统具有蓝牙通信功能，因此系统可以由嵌入式多生理参数记录系统或智能手机等通过蓝牙控制，实现血压的动态连续测量，同时还可与其他生理参数测量系统组成躯体传感网络，应用于移动医疗监护。

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