非藥物治療高血壓由于可能克服藥物治療所帶來的經濟負擔和副作用等缺點,逐漸成為研究熱點。其中,基于慢呼吸訓練的高血壓療法因治療效果好和操作簡便,已成為臨床治療高血壓的新型物理療法之一。本文闡述了基于慢呼吸訓練的高血壓治療方法原理,介紹了便攜式高血壓治療儀的總體結構和功能,包括呼吸檢測電路、核心控制模塊、音頻模塊、存儲模塊和人機交互模塊。簡要介紹高血壓治療儀軟件流程。試驗樣機的測試結果的表明,該治療儀具有較明顯降低血壓的治療效果。
引用本文： 黃戎, 何紅梅, 皮喜田, 刁子驥, 趙素文. 基于生物反饋的便攜式高血壓治療儀的研究. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(3): 586-589. doi: 10.7507/1001-5515.20140110 復制
引言
隨著現代社會工作節奏的加快和生活水平的提高，人群中患高血壓疾病的人數明顯增加。《中國高血壓防治指南》2010版預計，今后數年內國內患高血壓疾病的人數將以每年1 000萬人的速率遞增，且高血壓疾病是致死率最高的心血管疾病[1-2]。
常規高血壓疾病治療方法主要有兩種：藥物治療和非藥物治療。長期藥物治療會給高血壓患者帶來沉重的經濟壓力和不可避免的副作用。非藥物治療高血壓方法由于有可能克服藥物療法的缺點而備受醫患雙方的歡迎。其中，基于慢呼吸訓練治療高血壓是一種新興的非藥物治療方法[3]。
相關研究證實，高血壓患者進行緩慢而深度的腹式呼吸，能夠起到降低血壓的作用。慢呼吸降低血壓的原因主要是：首先，慢呼吸可降低胸腔內的壓力及回心血流量，從而影響心肺感受器調節心血輸出量[4]；其次，慢呼吸也能夠提高高壓力感受器(動脈壓力感受器)敏感程度；最后，慢呼吸通過影響心血管中樞[5]，提高副交感神經和交感神經的活性[6-7]。
1 便攜式高血壓治療儀總體結構
基于以上原理，本研究設計了基于慢呼吸訓練的高血壓治療儀。該治療儀包括呼吸信號檢測模塊、核心控制模塊、音頻模塊、電源模塊、信息存儲模塊和人機交互模塊等。如圖 1所示：呼吸信號檢測電路采集人體呼吸變化的節律信號，轉化為變頻信號供微處理器進行數據處理。微處理器根據采集的信號生成音視頻引導信號。音頻電路部分采用獨立的音頻芯片，集成數據卡電路，患者可根據自身情況調整音頻引導信號；視頻電路采用LCD顯示模塊，顯示引導視頻信號方案供患者使用[8]。信息存儲模塊可保存患者使用該儀器所設定的各種參數。
圖1
便攜式高血壓治療儀結構框圖
Figure1.
Structure diagram of the portable blood pressure instrument
2 便攜式高血壓治療儀的功能
主要功能為：① 通過鍵盤和LCD顯示來完成工作流程的更改和視頻引導信號的顯示； ② 通過耳機向患者發出音頻引導信號； ③ 通過呼吸傳感器來獲取患者當前呼吸頻率； ④ 通過片外E2PROM可保存患者以前治療所產生的信息； ⑤ 使用2節5#電池作為電源，在使用時不影響患者的簡單活動。
3 便攜式高血壓治療儀的軟件設計
便攜式高血壓治療儀上電后，首先完成系統初始化。初始化完成后若查詢到有開始治療鍵盤按下，則進行呼吸傳感器檢測。若檢測到呼吸傳感器未就緒，則在顯示屏上顯示腹帶未連接；若呼吸傳感器已佩戴正確，則開始采集患者呼吸頻率。將采集到的患者實際呼吸頻率信號經計算生成實際呼吸引導信號，并產生音視頻引導信號指導患者呼吸訓練。與此同時，不斷比較實時呼吸頻率是否達到慢呼吸閾值，若達到則引導患者保持目前呼吸頻率直到訓練時間結束，若未達到則重復上述過程。
4 便攜式高血壓治療儀的硬件設計
4.1 呼吸檢測電路
呼吸信號檢測電路由一級放大電路、帶通濾波電路、二級放大電路等三部分組成[9]。其電路如圖 2所示。呼吸檢測傳感器，選用了壓阻式全橋型腹帶式微型呼吸傳感器拾取呼吸信號，由于呼吸傳感器的輸出為幾十毫伏，而微處理器的A/D轉換輸入電壓范圍為0～+5 V，為了使呼吸傳感器的輸出與之匹配，本設計的一級放大倍數約為10倍，再由二級放大器放大20倍，所得到的輸出電壓基本能滿足微處理器的輸入要求。帶通濾波電路的設計是考慮到人的呼吸節律對應的頻率范圍為0.125~2.5 Hz，因此，在前級放大器之后加入一個由0.33 μF的電容和10 MΩ的電阻構成的高通濾波器，時間常數τ約為3.3 s，截止頻率為0．05 Hz，其后連接的低通濾波器截止頻率為30 Hz。整個帶通濾波器的帶寬為0.05~30 Hz。
圖2
呼吸信號檢測電路
Figure2.
Respiratory signal detection circuit
4.2 核心控制模塊
本設計核心控制模塊采用的微處理器芯片為STC12C5A60S2。這款單片機功耗較低，運算速度較快，并且自帶A/D轉換功能，可滿足設計需要。核心控制模塊及外圍電路如圖 3所示。
圖3
核心控制模塊電路
Figure3.
Core control module circuit
4.3 人機交互模塊
4.3.1 鍵盤電路
便攜式高血壓治療儀的鍵盤是用來輸入各類定時數據和修改工作流程，是人機交互功能的基礎部分。在本高血壓治療儀設計中，共需要6個按鍵，因此設計了3×3矩陣鍵盤。直接通過單片機STC12C5A60S2的6個IO口來擴展3×3矩陣鍵盤，3行分別與P2.3、P2.4、P2.5相連，3列分別與P2.0、P2.1、P2.2相連，共占用6路IO口[10]。鍵盤連線如圖 4所示。
圖4
鍵盤電路
Figure4.
The keyboard circuit
4.3.2 LCD顯示電路
LCD顯示界面也是高血壓治療儀人機交互組成部分，患者使用該儀器時，通過觀察顯示界面的畫面提示信息，來進行慢呼吸的訓練。本儀器顯示的提示信息為呼吸的引導節律，通過文字的形式和箭頭圖形表現出來。本設計中采用128×64圖形點陣漢字液晶模塊，這個模塊自帶行/列驅動器，所以可以單屏顯示84個(16×16點陣)漢字，也可以比較方便地顯示圖形。LCD顯示電路如圖 5所示。
圖5
LCD顯示電路
Figure5.
LCD display circuit
4.4 音頻產生模塊
為了在使用便攜式高血壓治療儀的同時不影響單片機的運行速度，本設計采用了硬件編碼解碼的方案。本設計選用一款中文語音合成音頻芯片XF-S3011，另外設計了相應的SD卡存儲模塊，用戶可以通過更改SD卡的存儲音樂而自行設置所需要播放的音樂引導信號[11]。
高血壓治療儀通過產生音頻引導信號，引導患者改變呼吸頻率，以期到達治療目的，因此該音頻引導信號準確與否至關重要。音頻芯片及外圍電路如圖 6所示。本課題音頻內容是存儲于SD(Secure Digital Memory Card)卡之中，由XF-S3011芯片讀取。一般的SD存儲卡有兩種通信協議可供選擇：SD模式和SPI模式。在本設計中選擇了SPI模式，在主芯片發出復位指令后，SD卡能檢測到主芯片要求使用SPI模式，后續的指令執行都采用此種模式完成通信和數據的讀寫。SD卡連接電路如圖 7所示。
圖6
音頻芯片及外圍電路
Figure6.
Audio chips and peripheral circuit
圖7
SD卡連接電路
Figure7.
SD card connection circuit
4.5 片外存儲模塊
在本設計中患者使用便攜式高血壓治療儀所產生的各種治療數據，采用片外24C02這款芯片來存儲，單片機采用串行接口連接該芯片，患者使用高血壓治療儀產生的信息都可以保存在其中，以便患者再次使用時調用。
4.6 電源模塊
本便攜式高血壓治療儀采用兩節5#電池供電。采用電池作為電源，一方面可以方便患者攜帶，另一方面在使用時不會影響患者的簡單活動。
5 結語
本課題完成了基于慢呼吸訓練的高血壓治療儀的試驗樣機的研制，并進行了樣機的調試和相應測試。樣機測試數據表明該樣機可實現對患者呼吸信號的實時監測和指導慢呼吸訓練。通過課題組招募的志愿者的實驗，表明本課題所設計的高血壓治療儀具有較明顯的降低血壓的治療效果。基于慢呼吸訓練的高血壓治療儀是一個新興的研究領域，其功能仍有待完善。對于便攜式高血壓治療儀的電磁兼容性需要進一步的實驗并加以改進；還可以在儀器中增加經脈理療和電磁刺激等輔助治療功能；同樣軟件的算法需進一步優化。
引言
隨著現代社會工作節奏的加快和生活水平的提高，人群中患高血壓疾病的人數明顯增加。《中國高血壓防治指南》2010版預計，今后數年內國內患高血壓疾病的人數將以每年1 000萬人的速率遞增，且高血壓疾病是致死率最高的心血管疾病[1-2]。
常規高血壓疾病治療方法主要有兩種：藥物治療和非藥物治療。長期藥物治療會給高血壓患者帶來沉重的經濟壓力和不可避免的副作用。非藥物治療高血壓方法由于有可能克服藥物療法的缺點而備受醫患雙方的歡迎。其中，基于慢呼吸訓練治療高血壓是一種新興的非藥物治療方法[3]。
相關研究證實，高血壓患者進行緩慢而深度的腹式呼吸，能夠起到降低血壓的作用。慢呼吸降低血壓的原因主要是：首先，慢呼吸可降低胸腔內的壓力及回心血流量，從而影響心肺感受器調節心血輸出量[4]；其次，慢呼吸也能夠提高高壓力感受器(動脈壓力感受器)敏感程度；最后，慢呼吸通過影響心血管中樞[5]，提高副交感神經和交感神經的活性[6-7]。
1 便攜式高血壓治療儀總體結構
基于以上原理，本研究設計了基于慢呼吸訓練的高血壓治療儀。該治療儀包括呼吸信號檢測模塊、核心控制模塊、音頻模塊、電源模塊、信息存儲模塊和人機交互模塊等。如圖 1所示：呼吸信號檢測電路采集人體呼吸變化的節律信號，轉化為變頻信號供微處理器進行數據處理。微處理器根據采集的信號生成音視頻引導信號。音頻電路部分采用獨立的音頻芯片，集成數據卡電路，患者可根據自身情況調整音頻引導信號；視頻電路采用LCD顯示模塊，顯示引導視頻信號方案供患者使用[8]。信息存儲模塊可保存患者使用該儀器所設定的各種參數。
圖1
便攜式高血壓治療儀結構框圖
Figure1.
Structure diagram of the portable blood pressure instrument
2 便攜式高血壓治療儀的功能
主要功能為：① 通過鍵盤和LCD顯示來完成工作流程的更改和視頻引導信號的顯示； ② 通過耳機向患者發出音頻引導信號； ③ 通過呼吸傳感器來獲取患者當前呼吸頻率； ④ 通過片外E2PROM可保存患者以前治療所產生的信息； ⑤ 使用2節5#電池作為電源，在使用時不影響患者的簡單活動。
3 便攜式高血壓治療儀的軟件設計
便攜式高血壓治療儀上電后，首先完成系統初始化。初始化完成后若查詢到有開始治療鍵盤按下，則進行呼吸傳感器檢測。若檢測到呼吸傳感器未就緒，則在顯示屏上顯示腹帶未連接；若呼吸傳感器已佩戴正確，則開始采集患者呼吸頻率。將采集到的患者實際呼吸頻率信號經計算生成實際呼吸引導信號，并產生音視頻引導信號指導患者呼吸訓練。與此同時，不斷比較實時呼吸頻率是否達到慢呼吸閾值，若達到則引導患者保持目前呼吸頻率直到訓練時間結束，若未達到則重復上述過程。
4 便攜式高血壓治療儀的硬件設計
4.1 呼吸檢測電路
呼吸信號檢測電路由一級放大電路、帶通濾波電路、二級放大電路等三部分組成[9]。其電路如圖 2所示。呼吸檢測傳感器，選用了壓阻式全橋型腹帶式微型呼吸傳感器拾取呼吸信號，由于呼吸傳感器的輸出為幾十毫伏，而微處理器的A/D轉換輸入電壓范圍為0～+5 V，為了使呼吸傳感器的輸出與之匹配，本設計的一級放大倍數約為10倍，再由二級放大器放大20倍，所得到的輸出電壓基本能滿足微處理器的輸入要求。帶通濾波電路的設計是考慮到人的呼吸節律對應的頻率范圍為0.125~2.5 Hz，因此，在前級放大器之后加入一個由0.33 μF的電容和10 MΩ的電阻構成的高通濾波器，時間常數τ約為3.3 s，截止頻率為0．05 Hz，其后連接的低通濾波器截止頻率為30 Hz。整個帶通濾波器的帶寬為0.05~30 Hz。
圖2
呼吸信號檢測電路
Figure2.
Respiratory signal detection circuit
4.2 核心控制模塊
本設計核心控制模塊采用的微處理器芯片為STC12C5A60S2。這款單片機功耗較低，運算速度較快，并且自帶A/D轉換功能，可滿足設計需要。核心控制模塊及外圍電路如圖 3所示。
圖3
核心控制模塊電路
Figure3.
Core control module circuit
4.3 人機交互模塊
4.3.1 鍵盤電路
便攜式高血壓治療儀的鍵盤是用來輸入各類定時數據和修改工作流程，是人機交互功能的基礎部分。在本高血壓治療儀設計中，共需要6個按鍵，因此設計了3×3矩陣鍵盤。直接通過單片機STC12C5A60S2的6個IO口來擴展3×3矩陣鍵盤，3行分別與P2.3、P2.4、P2.5相連，3列分別與P2.0、P2.1、P2.2相連，共占用6路IO口[10]。鍵盤連線如圖 4所示。
圖4
鍵盤電路
Figure4.
The keyboard circuit
4.3.2 LCD顯示電路
LCD顯示界面也是高血壓治療儀人機交互組成部分，患者使用該儀器時，通過觀察顯示界面的畫面提示信息，來進行慢呼吸的訓練。本儀器顯示的提示信息為呼吸的引導節律，通過文字的形式和箭頭圖形表現出來。本設計中采用128×64圖形點陣漢字液晶模塊，這個模塊自帶行/列驅動器，所以可以單屏顯示84個(16×16點陣)漢字，也可以比較方便地顯示圖形。LCD顯示電路如圖 5所示。
圖5
LCD顯示電路
Figure5.
LCD display circuit
4.4 音頻產生模塊
為了在使用便攜式高血壓治療儀的同時不影響單片機的運行速度，本設計采用了硬件編碼解碼的方案。本設計選用一款中文語音合成音頻芯片XF-S3011，另外設計了相應的SD卡存儲模塊，用戶可以通過更改SD卡的存儲音樂而自行設置所需要播放的音樂引導信號[11]。
高血壓治療儀通過產生音頻引導信號，引導患者改變呼吸頻率，以期到達治療目的，因此該音頻引導信號準確與否至關重要。音頻芯片及外圍電路如圖 6所示。本課題音頻內容是存儲于SD(Secure Digital Memory Card)卡之中，由XF-S3011芯片讀取。一般的SD存儲卡有兩種通信協議可供選擇：SD模式和SPI模式。在本設計中選擇了SPI模式，在主芯片發出復位指令后，SD卡能檢測到主芯片要求使用SPI模式，后續的指令執行都采用此種模式完成通信和數據的讀寫。SD卡連接電路如圖 7所示。
圖6
音頻芯片及外圍電路
Figure6.
Audio chips and peripheral circuit
圖7
SD卡連接電路
Figure7.
SD card connection circuit
4.5 片外存儲模塊
在本設計中患者使用便攜式高血壓治療儀所產生的各種治療數據，采用片外24C02這款芯片來存儲，單片機采用串行接口連接該芯片，患者使用高血壓治療儀產生的信息都可以保存在其中，以便患者再次使用時調用。
4.6 電源模塊
本便攜式高血壓治療儀采用兩節5#電池供電。采用電池作為電源，一方面可以方便患者攜帶，另一方面在使用時不會影響患者的簡單活動。
5 結語
本課題完成了基于慢呼吸訓練的高血壓治療儀的試驗樣機的研制，并進行了樣機的調試和相應測試。樣機測試數據表明該樣機可實現對患者呼吸信號的實時監測和指導慢呼吸訓練。通過課題組招募的志愿者的實驗，表明本課題所設計的高血壓治療儀具有較明顯的降低血壓的治療效果。基于慢呼吸訓練的高血壓治療儀是一個新興的研究領域，其功能仍有待完善。對于便攜式高血壓治療儀的電磁兼容性需要進一步的實驗并加以改進；還可以在儀器中增加經脈理療和電磁刺激等輔助治療功能；同樣軟件的算法需進一步優化。
