Designdemo Ein elektronischer Schaltkreis für ein Blutdruckmessgerät

Ein Blutdruckmessgerät ist ein grundlegendes medizinisches Hilfsmittel für Ärzte. Dessen elektronischer Schaltkreis lässt sich mit einem Instrumentenverstärker und einer 16-Bit-MCU einfach realisieren.

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Blutdruckmessgeräte sind Standard in Krankenhäusern und Arztpraxen. Mit dem Internet der Dinge (IoT) und Patientenfernüberwachung finden sie sich auch zunehmend in Privathaushalten.

Ein digitales Blutdruckmessgerät misst den systolischen und den diastolischen Druck durch oszillometrische Detektion. Dabei kommt ein elektronischer Drucksensor mit numerischer Anzeige zum Einsatz. Bei einer Blutdruckmessung werden zwei Zahlen übereinander angezeigt. Die obere Zahl ist der systolische Blutdruck in den Arterien, wenn sich das Herz zusammenzieht. Die untere Zahl ist der diastolische Druck in den Arterien zwischen den Herzschlägen. Dabei ruht der Herzmuskel zwischen den Herzschlägen und Blut wird nachgefüllt. Eine elektrisch betriebene Pumpe und ein Ventil blasen eine Manschette auf und lässt die Luft ab. Die Manschette wird am Handgelenk oder am Oberarm befestigt. Sie wird auf einen Wert oberhalb des systolischen Drucks aufgepumpt und dann auf einen Wert unterhalb des diastolischen Drucks abgelassen.

Diese Demo eines digitalen Blutdruckmessgeräts kann beim Aufpumpen den Blutdruck als auch die Pulsfrequenz messen. Das Gerät ist nicht-invasiv und basiert auf einem Instrumentenverstärker und einem 16-Bit-Mikrocontroller. Das Blockdiagramm in Bild 1 zeigt ein Beispiel auf Basis von Microchips Verstärker MCP6N16 und einer PIC24F-MCU.

Die Messung während des Aufpumpens (MWI; Measurement While Inflating) verkürzt die Gesamtmessdauer, um das unangenehme Druckgefühl in der Manschette zu verkürzen. Nachdem der Motor den Druck auf 30 mmHg im Schnellmodus erhöht hat, wechselt er allmählich in einen langsamen Betrieb und bläst die Manschette linear auf. Ist der Druck in der Manschette hoch genug und beginnt damit, den Blutfluss zu verengen, wird der arterielle Puls für den Drucksensor erkennbar. Hier zeigt das vom ADC2-Kanal erfasste Signal (der Ausgang des analogen Hochpassfilters) den Beginn des Blutdruck-Oszillationssignals (Bild 2).

Das Oszillationssignal wird anschließend über einen 2-Wege-Filter mit beweglichem Mittelwert gefiltert. Der mittlere arterielle Blutdruck (MAP; Mean Arterial Pressure) ist der Manschettendruck, der dem maximalen Oszillationssignal entspricht. Basierend auf dem kundenspezifischen Algorithmus zur Berechnung des Blutdrucks werden der systolische Druck (SYS) und der diastolische Druck (DIA) über den MAP-Wert und eine Nachschlagetabelle aus empirischen Formeln bestimmt (Bild 3). Der Aufpumpvorgang wird automatisch beendet sobald der Druck einen bestimmten Wert erreicht. Die Pulsrate (PR) wird aus der ADC-Abtastrate und den abgetasteten Werten aus mehreren aufeinander folgenden Pulsen berechnet.

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