设计了一种有创血压监测设备压力测量准确性测试系统，该系统用步进电机带动活塞产生静态压力，用DDS生成正弦信号经放大后驱动扬声器振动，推动活塞往复运动，从而在液体管路中产生动态压力变化。实验结果表明，该系统能准确的产生静态和动态压力变化，达到了标准的要求。
【关键词】有创血压 准确性 YY0783-2010
1 引言
有创血压监测是经动脉穿刺置管后直接测量动脉腔内压力的方法，因其准确性高，且能直接、持续、动态地检测被测者的血压变化，具有很重要的临床价值，因此被广泛应用于重症监护、急救、心血管外科等领域。有创血压监测设备测得的血压值将影响医生对危重病人生理状况的判断，所以对有创血压监测设备压力测量准确性的检测意义重大。
在我国医药行业标准YY0783-2010《医用电气设备第2-34部分：有创血压监测设备的安全和基本性能专用要求》（以下简称《标准》）中，对有创血压监测设备的压力测量准确性有着明确的规定，《标准》中给出了测试方法，测试过程中需要用到液体管路、信号发生器、功放驱动器、示波器、压力测试仪等多种设备来实现，涉及仪器设备众多，操作复杂，测试准确度难以达到《标准》要求。有鉴于此，本文提出了一种有创血压监测设备压力测量准确性测试系统，该系统采用上下位机结构，下位机基于嵌入式ARM开发，上位机为基于LabView的软件平台，上下位机通过USB进行数据传输，实现了对有创血压监测设备的压力测量准确性测试。
2 测试系统设计
2.1 系统总体设计
系统结构如图1所示，测试系统由上下位机构成，上位机为基于PC平台的LabView开发的控制软件。用户通过上位机的LabView软件设置测试系统各项工作参数、控制系统工作状态，用户设置的各项参数通过USB传输到下位机。下位机工作时压力传感器采集的数据通过USB实时传输到上位机，由LabView软件描绘液体管路中的压力变化波形，并提供各种压力参数给用户，实现系统的人机交互。
下位机以嵌入式ARM为控制核心，负责控制静态压力调节、动态压力调节和压力信号采集三部分电路的工作。
静态压力调节：由步进电机调整静态压力调节活塞的位置，来改变液体管路中的静态压力。
动态压力调节：由波形发生电路产生正弦或三角波形，再经过功放电路驱动扬声器产生振动，推动活塞往复运动，从而在液体管路中产生压力变化，完成动态压力模拟。
压力信号采集：由压力传感器采集液体管路中的压力值，经16位AD转换器后传给嵌入式ARM，ARM比较测得的压力和预置压力差异来调节压力，精确控制压力变化曲线，有效提高有创血压模拟的精度准确度。
2.2 主控芯片介绍
系统采用STM32F103处理器作为控制器，该处理器由意法半导体公司出品，基于ARM公司的Cortex-M3内核，是32位标准RISC（精简指令集）处理器，最高72MHz工作频率，高达512K字节的Flash存储器，最大64K字节的SRAM，具有丰富的通用I/O端口，自带USB 2.0接口，在多种领域如电机驱动、医疗、手持设备、编程控制器（PLC）等方面具有广泛的应用。该ARM处理具有低成本、高性能、片上资源丰富的特点，能够胜任本系统各功能电路的控制和上下位机数据传输要求。
2.3 静态压力调节电路
调节静态压力的步进电机用TA8435H驱动芯片来驱动。TA8435H 是步进电机专用驱动芯片，用于驱动二项步进电机，采用该芯片的驱动电路简单，工作可靠。
步进电机驱动电路如图2所示。EN为使能控制，CW控制电机转动方向，CKl、CK2为输入时钟，控制时钟的频率，即可控制电机转动速率。M1和M2的值决定电机的转动方式，本系统设定Ml=1、M2=1，电机按l/8步细分方式运转，一个脉冲周期，电机最大旋转0.255°，能够满足静态压力调节中0.01mmHg的要求。步进电机接口需要使用快恢复二级管（D2-D5），用来泄放步进电机的绕组电流。主控芯片STM32F103与电机驱动芯片TA8435H之间加入隔离电路，由TLP521-4和TLP521-2光电耦合芯片，将STM32F103的控制信号与步进电机驱动电路进行隔离和电平转换，能够提高系统的可靠性和抗干扰能力。
2.4 动态压力调节电路
标准要求，动态压力变化为正弦波形或三角波形，本系统采用直接数字频率合成器（DDS）AD9834来产生所需波形。AD9834是一款最高75MHz、低功耗DDS器件，能够产生高性能正弦波和三角波输出。AD9834提供相位调制和频率调制功能，频率寄存器为28位，时钟频率为1 MHz时，AD9834可以实现0.004 Hz的分辨率。达到本系统频率分辨率0.01Hz要求。主控芯片STM32F103通过串行外设接口（SPI）与AD9834通讯。
AD9834的输出为信号频率为
f=∆P×fCLK/228
其中∆P是系统设置的频率寄存器的值，fCLK是AD9834外部时钟频率，
以设置1Hz信号为例，∆P为整型变量，设置为268（10进制数）时，f=0.998378Hz，理论误差为0.0017 Hz，达到本系统频率误差0.01Hz要求。
AD9834产生系统所需的波形，先由第一级放大器初步放大，再经功率放大器后驱动扬声器，带动活塞往复运动，在液体管路中产生动态压力变化。
本系统的功放电路选用了集成音频功放芯片TDA8920CTH，TDA8920CTH是飞利浦公司生产的一种高效、低功耗的双通道D类音频功率放大器，供电范围为±12.5 V至±32.5V。本系统对TDA8920CTH采用±30V供电，单个通道输出功率为110W，若用桥接负载的方式者输出功率达到220W。功放电路如图3所示。
2.5 压力检测电路
系统需要实时检测液路中的压力，根据压力变化曲线，修正步进电机或信号发射电路的工作参数，同时将压力值将通过软件描绘压力变化波形，并显示各项参数。本系统选用高精度压力传感器，将压力转换成0至5V的电压输出，然后由AD7607完成模数转换。AD7607是一款完全集成的多通道数据采集解决方案，采用5V单电源供电，可实现16位无失码性能，在高噪声电源条件下也能保持这一性能。
2.6 系统软件设计
上位机软件使用LabVIEW作为开发平台，其主要的功能是对系统的集成与管理，这其中包括：①用户在上位机软件中设置压力参数、测试方案，发送用户参数到下位机；②接收下位机实时数据，描绘压力变化波形，并显示系统的各项参数，如静态压力、收缩压、舒张压、频率等，方便用户的实时监控；③实现数据的记录，方便用户查询历史数据并加以分析。
3 实验结果
实验采用TS110压力变换器和Tektronix的DPO5054B示波器来测量本系统的输出压力，以此验证系统可重复性和精度。TS110压力变换器的测量范围是-600mmHg～600mmHg，测量精度0.15%，输出电压0～5V。测试结果表明，本系统的静态压力范围为-80mmHg～400mmHg，误差±1 mmHg；动态压力的变化范围0mmHg～250 mmHg，误差±1 mmHg；动态压力变化频率1Hz～10Hz，误差±0.01Hz。10Hz 的正弦压力相对于1Hz信号衰减不超过0.3dB，各项参数均达到标准要求。
4 结论
本文依据最新有创血压监测设备性能标准，设计了有创血压监测设备的压力测量准确性测试系统，用步进电机带动活塞产生静态压力，用DDS芯片产生正弦或者三角波信号，经放大后驱动扬声器振动，推动活塞往复运动，从而在液体管路中产生动态压力变化。系统下位机基于嵌入式ARM开发，上位机基于LabView的软件平台设计，能实时监控液体压力变化，并将液体压力波形显示出来。实验证明了设计方案的可行性，较好地按照《标准》要求模拟静态、动态血压，有精度高、波形显示速度快的特点。为按照《标准》要求检验各种有创血压监测设备的性能提供了良好的平台。
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作者单位
广东食品药品职业学院 广东省广州市 510520