目前對心血管健康狀況的檢測方法大多數是應用于醫院的臨床診斷，有的是有創傷性的，給人體帶來痛苦甚至感染；有的需要專業醫生操作，檢測過程非常繁瑣。特別是大多數心血管功能參數的檢測儀器比較笨重，價格不菲，不適用于普通家庭用戶的使用。

本文利用半導體壓力傳感器獲得橈動脈處的脈搏波信號，壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業，下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應用。另有醫用壓力傳感器。壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發現的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應力的變化電場變化微小（也就說壓電系數比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數，但是它只能在室溫和濕度比較低的環境下才能夠應用。

1 檢測原理

人體血液循環系統包括心、血管系和淋巴系，它是人體內一套封閉的連續管道系統，分布于身體各部。心血管系由心、動脈、靜脈和連于動、靜脈之間的毛細血管組成，其中有血液循環流動。心有節律的收縮，是血液循環的動力，它將血液射入動脈，流經龐大的毛細血管網，再經各級靜脈流回心。血液在毛細血管內流動緩慢，經過極薄的毛細血管壁與周圍的組織和細胞進行氣體交換和物質交換。組織間隙內的水分和代謝產物等，除由毛細血管回收，沿靜脈回流入心外，還有第二條回流渠道，即由淋巴系回流入心。淋巴系由淋巴管道、淋巴器官和淋巴組織構成，起于器官和組織內呈盲端的毛細淋巴管，借其回收一部分組織液而成為淋巴液，沿淋巴管回流，最后由淋巴導管匯入靜脈。血液循環系統是血液在體內流動的通道，分為心血管系統和淋巴系統兩部分，一般我們所說的循環系統指的是心血管系統。它又由體循環和肺循環構成。圖1給出了彈性腔分室網絡理論的示意圖。

2 儀器設計

2.1 硬件設計

心血管功能參數無創檢測儀的系統框圖如圖2所示。該儀器以32位ARM單片計算機LPC2114為核心，ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業的一家知名企業，設計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟件。技術具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應用等。ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業的一家知名企業，設計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟件。技術具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應用等。包括傳感器、充/放氣自動控制電路、信號調理電路、液晶顯示器LCD、外部存儲器、實時時鐘（RTC）電路、鍵盤、電源管理、USB接口等幾部分。

2.1.1 嵌入式處理器

嵌入式處理器是嵌入式系統的核心，是控制、輔助系統運行的硬件單元。范圍極其廣闊，從最初的４位處理器，目前仍在大規模應用的８位單片機，到最新的受到廣泛青睞的32位，64位嵌入式CPU。目前世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經超過1000種，流行體系結構包括MCU，MPU等30多個系列。鑒于嵌入式系統廣闊的發展前景，很多半導體制造商都大規模生產嵌入式處理器，并且公司自主設計處理器也已經成為了未來嵌入式領域的一大趨勢，其中從單片機、DSP到FPGA有著各式各樣的品種，速度越來越快，性能越來越強，價格也越來越低。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64kB到16MB，處理速度最快可以達到2000 MIPS，封裝從8個引腳到144個引腳不等。常見的嵌入式處理器的比較如表1所示。

考慮到本系統有低成本、低功耗、便攜式的要求，所以選用ARM處理器。ARM處理器的特點是處理速度快、超低功耗、開發資源豐富、價格低廉易購買，非常適合本系統的要求。具體芯片選擇PHILPS公司的32位ARM處理器LPC2114。ARM處理器是一個32位元精簡指令集（RISC）處理器架構，其廣泛地使用在許多嵌入式系統設計。

2.1.2 傳感器

能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。系統采用兩種傳感器：一個是專門用于血壓測量的壓阻式傳感器。另一個是半導體應變片式壓阻傳感器，用于采集腕部的脈搏波。半導體式傳感器[5]主要由敏感元件、轉換元件和基本轉換電路構成。傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之廣泛的領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個現代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。

血壓傳感器選用***生產的壓阻式傳感器MPS3100，其特性包括：氣壓范圍0-300mmHg，工作溫度范圍-40℃～85℃， 易用、易安裝于OEM設備、低價位SMD封裝，工作電源5V，因此MPS3100是一款非常適合于血壓測量的傳感器。具體電路如圖3所示。

2.1.3 信號調理電路

由于脈搏波信號屬于微弱、低頻信號，幅度只有10mV左右，所以需要設計兩級信號放大電路。本儀器采用程控放大電路，并根據采集到的信號大小，利用軟件控制不同的放大倍數，使信號輸出的幅度在0.8V左右，具體電路如圖4所示。在采集脈搏信號時，必須施加預壓力，因此檢測到的脈搏信號中包含一直流分量。為了提取到有用的脈搏波信號，在二級放大電路前加了一個電容來濾掉這個直流分量，由IC9高精度運算放大器再次將經IC8放大的已經不含直流分量的信號放大，并且通過IC7來控制信號的增益。

2.1.4 鍵盤和液晶顯示

顯示部分選用青云公司的液晶顯示屏LCM192641，大小為120mm×62mm×12.5mm，其供電電源為5V，帶有背光，控制器是KS0107，STN 黃藍模式。測量之前要求輸入個人的資料，例如：身高、體重、年齡以及時間的調整以及測量操作需要按鍵。

本設計采用薄膜鍵盤，它具有外形美觀、防水防塵防腐蝕、壽命長、性能穩定、按鍵反應靈敏、操作力均勻、無短路現象以及裝配方便的特點。儀器的鍵盤為28矩陣鍵盤，包括10個數字鍵0～9，4個方向鍵（上、下、左、右），“返回”和“確定”鍵。采用掃描輸入方式。如圖5所示，行線Key1、Key2的一端通過電阻接正電源，另外一端作為輸出端接LPC2114的I/O口。列線DB0～DB8作為輸入端接ARM的I/O口。這樣，當沒有鍵按下時，兩路輸出均為高電平。若行線輸出為低電平，一旦有鍵按下，則對應輸入的列線電位就會被拉低，通過讀入線的狀態就知道是否有鍵按下。

2.1.5 電源管理

系統采用電池和電源適配器兩種方式供電。供電電池采用四節1.5V堿性電池，電源適配器采用輸出為6V的適配器，使儀器的使用更加方便。其電路如圖6所示。圖中，P8為電源適配器接口，電源適配器可通過D2和IC17將電壓穩定在6V，然后對電池BAT進行充電。

儀器電源的開關由鍵POWER控制。未開機前，三極管TR16截止，系統內部沒有電源供應。POWER鍵為點動開關，按下時Vbat經R122和D7接地，三極管TR16導通，電源開始給LPC2114及外圍電路供電。程序運行的過程中，LPC2114始終將VCON置高電平，使TR17導通。雖然此時POWER鍵斷開，但因為TR17導通，使三極管TR16的B極電位拉低，TR16導通，電源仍然正常供電。圖6中，OPEN接到LPC2114的一個外部中斷口，儀器在運行的過程中，按下電源鍵POWER并放開，OPEN產生上跳沿，引起中斷，在中斷服務函數中設置VCON為低電平，使三極管TR17截止，同時三極管TR16也隨之截止，從而切斷電源，實現關機的功能。

2.2 軟件設計

為了實現系統工作的穩定性、軟件的可移植性并且便于日后升級，32位ARM單片計算機采用嵌入式操作系統是非常必要的。本系統采用源代碼公開的μC/OSII操作系統，μC/OSII具有內核小、結構簡單、可移植性和可裁剪性好等優點。應用程序中包括若干個任務：液晶顯示、鍵盤掃描、USB通訊、外部存儲、充/放氣控制、測量任務、打印等，在測量任務中實現脈搏波和血壓的測量。脈搏波信號和血壓信號是通過兩個獨立的傳感器分別采集處理的，首先采集脈搏波信號，并對其放大、濾波、平均化、歸一化等處理后，計算脈搏波的特征點的特征值并保存；然后采集血壓信號，在放氣過程中，提取脈搏波的峰值組成的包絡線，利用示波法計算血壓和心率；最后通過血壓、心率、個人信息和已存的脈搏波特征值推算心血管參數。

3 測試結果

將本儀器用于人體心血管多參數的測量，共測量了56例無明顯心血管疾病病史的在校教師和學生，其中男生30例女生26例；年齡從20歲～54歲，然后對測量數據進行統計分析，實測人群的心血管參數如表2所示。

利用便攜式心血管無創檢測儀能夠測量血管、心臟、血液、微循環四類參數。實驗結果表明，儀器的重復性好，性能穩定，測量結果準確，能夠較好地反映相應的心血管健康狀況。特別是該儀器擺脫了傳統心血管檢測儀器對計算機的依賴，采用一體化的設計，操作方便快捷、結果簡單直觀、重量輕、體積小，適合個人及家庭的心血管多參數快速的檢測。