數(shù)字化醫(yī)療儀器

數(shù)字化醫(yī)療儀器 第五章 數(shù)字化醫(yī)學(xué)儀器應(yīng)用實(shí)例 5.1 傳感采集接口的設(shè)計(jì) 5.1.1 數(shù)據(jù)傳感采集接口概述 人體的各種物理量（生物電位，心音，體溫，血壓等）需用傳感器將其變成電信號(hào)，經(jīng)由諸如放大，濾波，干擾抑制，多路轉(zhuǎn)換等信號(hào)檢測(cè)及預(yù)處理電路，將模擬量的電壓或電流送 A/D 轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，供計(jì)算機(jī)處理。 傳感器采集接口框圖 5.1.2 信號(hào)源與數(shù)據(jù)采集電路間的接口電路 一、心電信號(hào)放大器 1.保護(hù)電路 氖管 NH0-10將輸入電壓限制在 6070V范圍，再有穩(wěn)壓管限制在 67V范圍。形成二級(jí)保護(hù)。 1000PF 為高頻旁路電容 ,10K電阻為限流電阻。 2.抗共模干擾電路 共模干擾就是同時(shí)疊加在兩條被測(cè)信號(hào)線上的外界干擾信號(hào)，因屏蔽引線的分布電容不完全相等而引起。 抑制共模干擾的措施： （ 1）利用雙端輸入的運(yùn)放作為前置放大器，抑制共模干擾。 （ 2）利用隔離放大器，變壓器或光電耦合器將信號(hào)源和儀器 隔離，使兩個(gè)地之間沒(méi)有直接的導(dǎo)通回路。 （ 3）利用浮地輸入雙層屏蔽放大器。 數(shù)字電壓表的共模干擾 數(shù)字電壓表的串模干擾 串模干擾 它是有外界條件引起的，疊加在被測(cè)電壓上的干擾信號(hào)，并通過(guò)測(cè)量?jī)x器的輸入端，與被測(cè)信號(hào)一起進(jìn)入測(cè)量?jī)x器而引起的測(cè)量誤差。串模干擾主要來(lái)自于高壓輸電線所產(chǎn)生的空間電磁場(chǎng)。 抑制串模干擾的措施： （ 1）采用濾波器 雙 T濾波器，低通濾波器等。 （ 2）選擇器件 采用雙積分型的 A/D 器件。積分周期要等于工頻周期的整數(shù)倍。 （ 3）電磁屏蔽 除進(jìn)行電磁屏蔽外，應(yīng)選用帶有屏蔽層的雙絞線或同軸電纜作信號(hào)線。 3.三運(yùn)放輸入電路 公式計(jì)算： 設(shè) R1=R2； R3=R4； R5=R6 Vo1-Vo2=IG（ 2R1+RG）； Vi1-Vi2=IGRG； 故 Vo1-Vo2= （ Vi1-Vi2)(2R1+RG)/RG AV1=(2R1+RG)/RG=1+2R1/RG 而 AV2= - R5/R3 所以總差模增益 AV=AV1*AV2= - (1+2R1/RG)R5)/R3 AV= - 60 而總共模增益 AVM=AVM1*AVM2=1*0=0 三運(yùn)放電路特點(diǎn)為 : 1. 高輸入阻抗 ; 2. 高共模抑制比 CMRR; 3. 改變 RG 可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。 4.中間級(jí)放大電路 運(yùn)放 A5 提供整個(gè)電路輸出信號(hào)幅度的足夠增益。 1uF 的隔直電容可消除極化電壓。 還設(shè)置了一個(gè)幅度超越時(shí)能自動(dòng)閉鎖的開(kāi)關(guān)。 RW1為增益調(diào)節(jié) ,RW2為基線位置調(diào)整 . 5.雙 T 50Hz 陷波電路 消除心電信號(hào)中工頻 50Hz 的干擾。 陷波頻率 f=1/2RC 6.低通濾波器 電路為二階有源低通濾波器。濾除高頻干擾。 fH= 100 Hz 7.跟隨器輸出電路 降低放大器的輸出阻抗，便于后級(jí) A/D轉(zhuǎn)換器的匹配連接。 跟隨器輸出電路與限幅比較器 8.限幅比較器 雙向超限時(shí)都能進(jìn)行檢出，所限幅值由分壓決定。 VMAX = 2V 9.閉鎖電路 由單穩(wěn)觸發(fā)器構(gòu)成。 10.無(wú)效信號(hào)檢出電路 當(dāng)信號(hào)超限時(shí)，為系統(tǒng)提供一個(gè)識(shí)別狀態(tài)。 閉鎖電路與無(wú)效信號(hào)檢出電路 二、光電耦合接口電路 在病人與儀器設(shè)備之間必須有良好的隔離措施，以免病人受到儀器漏電時(shí)的強(qiáng)電危害以及使用除顫器時(shí)設(shè)備受到高電壓沖擊的損傷。因此，隔離放大器是必不可少的。 目前用于這種隔離的器件有許多種，例如光電耦合器、變壓器、光敏電阻、磁敏電阻或霍爾效應(yīng)器件等。 下圖為接口電路的工作原理 光電耦合接口電路 電路中的電容是為了擴(kuò)大放大器工作的頻率范圍而設(shè)置的。 由于電路具有線性和寬帶等特點(diǎn)，常串接在生物電放大器的前置輸入和主放大器之間，有效地避免了觸電危險(xiǎn)和設(shè)備損傷的可能，抑制了微機(jī)系統(tǒng)與生物電放大器之間共地而產(chǎn)生的回流干擾。 兩組電源也需要隔離。 5.2 智能攜帶式動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀 (Holter) 智能 Holter機(jī)是一種采用微型計(jì)算機(jī)對(duì) DCG進(jìn)行實(shí)時(shí)分析 ,判斷并有選擇記錄 , 發(fā)現(xiàn)重癥及時(shí)報(bào)警的攜帶式監(jiān)護(hù)記錄儀。 動(dòng)態(tài)心電圖 -DCG。 5.2.1 智能攜帶式動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀的結(jié)構(gòu)及其功能 1. 功能 根據(jù)心電波的 R R間期、 QRS波寬、幅度大小等特征量進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，判斷并有選擇地存儲(chǔ)記錄?？梢栽\斷室顫、心動(dòng)過(guò)緩、漏博、停博、早博、RonT等 10多種心律失常病癥。 2. 組成結(jié)構(gòu) (見(jiàn)下圖 ) 智能動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀硬件結(jié)構(gòu) 5.2.2 智能 Holter的算法及其程序設(shè)計(jì) 智能動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)工作流程見(jiàn)下頁(yè)框圖 1.數(shù)字濾波 在心電信號(hào)的拾取，放大及變換過(guò)程中，會(huì)引起各種干擾。用數(shù)字濾波對(duì)經(jīng)過(guò) A/D轉(zhuǎn)換后的心電信號(hào)進(jìn)行濾波和平整。 抑制 50Hz工頻干擾采用 5點(diǎn)對(duì)稱數(shù)字濾波器，即 : 其中 X、 Y分別是心電信號(hào)原始采樣序列及經(jīng)過(guò)濾波后的信號(hào)序列。 )2()1(4)(2)1(4)2(41)(1 nXnXnXnXnXnY智能動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)工作流程圖 濾波器的頻率響應(yīng) 對(duì)于的采樣頻率，在處濾波器增益為零，如濾波器的幅頻特性曲線圖 (a)所示，但在高頻率端信號(hào)的特性變差， 此需進(jìn)行平滑濾波。平滑濾波器的方程為 21c o s2c o s21)( jeH)1()(2)1(41)(111 nYnYnYnY 級(jí)聯(lián)后的濾波器差分方程為 級(jí)聯(lián)后的濾波器頻率應(yīng)為 頻率特性曲線如下圖濾波器的幅頻特性曲線 (b)所示，由圖可知通頻帶大約在左右。這會(huì)使 QRS波的高頻成分有所下降。但 QRS波的主要頻率成分在，大于的高頻成分所占的比重不大，已能滿足對(duì)心律失常識(shí)別的要求。 )1(5)(4)1(5)2(2)3(161)( nXnXnXnXnXnY)3()2(2 nXnX2c os52c os2c os81)( jeH 濾波器的幅頻特性曲線圖 2. QRS波檢測(cè) （ 1） 技術(shù)處理 求出絕對(duì)微分?jǐn)?shù)據(jù)的形式 : 為了便于設(shè)計(jì)識(shí)別區(qū)分點(diǎn)的程序，把上式修改成求絕對(duì)微分?jǐn)?shù)據(jù)的形式： )()(414223113 iiiiiiiii XXXXXXXXX)()( 4223113 iiiiiiiii XXXXXXXXX（ 2） QRS波檢測(cè) 先求出 400個(gè)微分?jǐn)?shù)據(jù)的最大值。 由最大值定出 閾值 1，應(yīng)保證能識(shí)別每一個(gè) QRS波群超過(guò)閾值 1的時(shí)刻作為 R波的代表點(diǎn)，表明已進(jìn)入QRS波群。 然后逆方向（ P波方向）求微分值小于某一值（閾值2）的點(diǎn)，將在 0.015s（相當(dāng)于 3個(gè)采樣點(diǎn)）期間內(nèi)連續(xù)小于閾值 2的那些點(diǎn)的最后一點(diǎn)作為 QRS波的起點(diǎn)。 QRS波終點(diǎn)的識(shí)別與起點(diǎn)相似。起點(diǎn)與終點(diǎn)的間期定義為 QRS波的寬度。 QRS波的處理 （ 3） R波檢測(cè) 在原始心電圖中，從識(shí)別出的 QRS波起點(diǎn)開(kāi)始，求200ms內(nèi)數(shù)據(jù)為最大值的點(diǎn)作為 R 波頂點(diǎn)，兩個(gè)相鄰 R 波頂點(diǎn)之間的間隔即為 R-R 間隔。 3. R 波高度的補(bǔ)償 因?yàn)?A/D 采樣不一定正好采到 R 波的峰值上，故需對(duì) R 波進(jìn)行高度補(bǔ)償。設(shè) R波上升和下降斜率基本相同，而計(jì)算機(jī)對(duì) R波采樣高度為 a 。見(jiàn)下圖 (1) 采樣點(diǎn)正落在 R波的峰值上 , a-a-1 =a-a+1,則 VR=a. (2) 采樣點(diǎn)在 R波上升沿 , a-a-1 a-a+1，則 VR=a+|a+1-a-1|/2 (3) 采樣點(diǎn)在 R波下降沿 , a-a-1 a-a+1，則 VR=a+|a+1-a-1|/2 (4) 采樣點(diǎn)在 R波下降沿 , a-a-1=0,則 VR=a+(a-1-a-2)/2 (5) 采樣點(diǎn)在 R波上升沿 , a-a+1=0，則 VR=a+(a+1-a+2)/2 R波的高度補(bǔ)償示意圖 4. QRS 波模板匹配技術(shù) 系統(tǒng)軟件通過(guò)自學(xué)習(xí) ,建立一個(gè)正常的 QRS 波模板 . 根據(jù)數(shù)學(xué)準(zhǔn)則 ,系統(tǒng)判斷以后的實(shí)時(shí)心電信號(hào)是否與模板匹配 (各項(xiàng)特征參數(shù)大致相等否 )。若匹配就說(shuō)明此 QRS波與模板是同一類波形 ;否則就可以懷疑它是一個(gè)異常的QRS波 ,并將其存入內(nèi)存作為另一類模板。如此反復(fù) ,建立一個(gè) QRS波模板集。 5. 心電數(shù)據(jù)壓縮算法 目的 : 減少數(shù)據(jù)量 ,而又不至于使主要信息失真。 轉(zhuǎn)折點(diǎn)算法 : 它分析采樣點(diǎn)的趨勢(shì) ,并在兩想鄰的點(diǎn)中只存儲(chǔ)一個(gè) , 這樣就可以壓縮數(shù)據(jù)一半。 基本方法 : X0作為參考點(diǎn) ,在隨后的 X1和 X2兩點(diǎn)之中選擇一 點(diǎn)。見(jiàn)下表 : 心電數(shù)據(jù)壓縮算法表 數(shù)學(xué)算法 : 其中若 : (X2 - X1)*(X1 - X0) 0 , 則 X0 = X1 ; 若 : (X2 - X1)*(X1 - X0)0 , 則 X0 = X2 。 優(yōu)點(diǎn) : 簡(jiǎn)便迅速 . 缺點(diǎn) : 連用兩次后 ,失真顯著。 5.3 病房監(jiān)護(hù)技術(shù) 醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)最重要的應(yīng)用是在醫(yī)院對(duì)住院危重病人的監(jiān)護(hù)。這類監(jiān)護(hù)是在醫(yī)院病房進(jìn)行的，所以稱為住院患者的監(jiān)護(hù)， 簡(jiǎn)稱病房監(jiān)護(hù) 。這類監(jiān)護(hù)的對(duì)象都是危重病人，又稱為危重癥患者監(jiān)護(hù)。 冠心病監(jiān)護(hù)病房 （ Coronary Care Unit， CCU）、 加強(qiáng)監(jiān)護(hù)病房 （ Intensive Care Unit，ICU）、 新生兒監(jiān)護(hù)病房 、 手術(shù)監(jiān)護(hù) 及其他各種專科監(jiān)護(hù)病房。 5.3.1 生理參數(shù)的多路實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù) 對(duì)住院危重癥患者，通常需要對(duì)下列重要生理參數(shù)進(jìn)行連續(xù)或間斷連續(xù)監(jiān)測(cè)： (1)血壓 無(wú)創(chuàng)間接法 測(cè)動(dòng)脈血壓 (收縮壓 、 舒張壓和平均壓 )或 有創(chuàng)直接檢測(cè) 動(dòng)靜脈血壓 ， 一般情況下應(yīng)盡可能采用無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè) 。 (2)心電圖和心律 通常用 導(dǎo)聯(lián) 對(duì)心電圖進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)冠心病患者，往往還需要同時(shí)監(jiān)測(cè) V5導(dǎo)聯(lián) 和 導(dǎo)聯(lián) I的心電圖，以便不僅能了解心搏情況，而且可以對(duì)心肌缺血、心肌梗塞、各種心律失常 (如室顫、房顫、早搏、停博等 )作出正確的分析和判斷。 (3)體溫 由于體溫變化相對(duì)較慢 ，也可采取 間斷采樣測(cè)量 的方式(0 5h、 1h或 2h測(cè)一次 )；觀察一晝夜體溫變化情況 ， 對(duì)掌握病情變化是十分重要的 。 (4)呼吸 監(jiān)測(cè)呼吸次數(shù)、呼吸質(zhì)量，包括呼吸量、呼出二氧化碳含量等，以判定是否存在呼吸障礙 (如痰阻塞 )及肺氣交換功能是否正常。 屬于因病情而異所增減的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目通常有： (1)血?dú)鈪?shù) 對(duì)于伴有呼吸功能衰弱 、 呼吸障礙 、 肺功能衰竭的患者 ， 通常必須監(jiān)測(cè)血?dú)鈪?shù) ， 包括 動(dòng)脈血液的 pH值 、 血氧飽和度 、 二氧化碳飽和度等 。 (2)腦電圖 對(duì)于意識(shí)不清 、 各種腦損傷 (缺血 、 缺氧 、 溢血 、 血栓 )等所造成的腦損傷患者 ， 需要監(jiān)測(cè)其腦電圖 ，以便觀察大腦的生理活動(dòng)能力 ， 判定病情變化趨勢(shì) 。通常只需單道或雙導(dǎo) (左 、 右側(cè) )記錄 。 (3)肝功能 、 腎功能 、 電解質(zhì)平衡 ， 包括血糖 、 尿液分析和血紅蛋白測(cè)定 等 。 這些參數(shù)通常沒(méi)有連續(xù)的監(jiān)測(cè)儀器 ， 因而采用間斷式采樣分析 ， 由護(hù)士操作 ， 也可以說(shuō)是針對(duì)病情的常規(guī)測(cè)試項(xiàng)目 。 每一個(gè)生理參數(shù)都由其專用傳感器將信號(hào)提取出來(lái) ，例如， 心電信號(hào) (ECG)或 腦電信號(hào) (EEG)由貼片電極提?。慌c 呼吸 有關(guān)的參數(shù)由氣體流量計(jì)、氣樣采集與分析變換器提取； 體溫 用熱電偶或半導(dǎo)體溫度計(jì)取得； 血壓 可由微型壓力傳感器從動(dòng)、靜脈取得 (直接測(cè)量法 )，或者用氣囊式或袖套式通過(guò)測(cè)振法或柯氏音法取得。 各種被測(cè)生理參數(shù)就其參數(shù)性質(zhì)而言，可分為兩大類。一類是 電信號(hào) ，通常直接用 電極 提??；另一類是 非電信號(hào) ，如血壓、呼吸等，需通過(guò)不同的 變換器 (傳感器 )取得。 凡是需要連續(xù)監(jiān)測(cè)的信號(hào)都必須轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò) 放大 和 預(yù)處理 (濾波去噪、平均疊加等 )，然后 再變換成數(shù)字信號(hào) ，以便能用 計(jì)算機(jī) 進(jìn)行信號(hào)處理與分析。 多路生理信號(hào)采集監(jiān)護(hù)系統(tǒng)原理框圖 監(jiān)護(hù)儀一般都有 自檢測(cè)裝置 ，通過(guò)硬件和軟件檢測(cè)系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)、導(dǎo)聯(lián)電極是否脫落等。當(dāng)系統(tǒng)不正常時(shí)，如電源斷電、電極松動(dòng)或脫落時(shí)，即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 幾乎所有的監(jiān)護(hù)儀都有 超限報(bào)警 裝置，即當(dāng)所監(jiān)測(cè)的參數(shù)超出設(shè)定的正常范圍一定時(shí)間后，即發(fā)出 聲、光報(bào)警信號(hào) 。此報(bào)警信號(hào)應(yīng)與設(shè)備工作不正常的報(bào)警信號(hào)有所不同。 多參數(shù)生理信息的采集和監(jiān)護(hù)中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要有： (1)信號(hào)的隔離 由于監(jiān)護(hù)儀的 主電源都是交流供電的 ，而測(cè)量電極有的直接置入血管內(nèi)，有的雖置于體表但 靠近心臟 ， 交流漏電 可能導(dǎo)致病人 生命危險(xiǎn) ，必須有良好的電源和信號(hào)隔離。 (2)不同信號(hào)間的串?dāng)_與交叉調(diào)制 各路信號(hào)間可能會(huì)通過(guò)公共地線、電源內(nèi)阻、空間電磁耦合 而發(fā)生串?dāng)_和交叉調(diào)制，這就要求各路信號(hào)放大器之間有良好的 隔離和屏蔽。 (3)不同采樣率和采樣精度間的協(xié)調(diào) 根據(jù)不同生理參數(shù)特性調(diào)整選擇 合適的電位動(dòng)態(tài)放大 措施及 采樣頻率 。如心電和腦電的采樣頻率可設(shè)為 :250 500Hz。 (4)實(shí)時(shí)自動(dòng)分析技術(shù) 實(shí)現(xiàn)對(duì)反映病情的各關(guān)鍵生理參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)護(hù)，如 分析心率失常嚴(yán)重性、心肌梗塞和心肌缺血程度等 。 (5)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與回顧 由于監(jiān)測(cè)是連續(xù)進(jìn)行的，數(shù)據(jù)量大，因而可以將監(jiān)測(cè)的 數(shù)據(jù)選擇存儲(chǔ) ，供會(huì)診或進(jìn)行深入的醫(yī)學(xué)研究和分析所用。 (6)多參數(shù)顯示技術(shù) 設(shè)置顯示緩沖區(qū) 動(dòng)態(tài)滾動(dòng)顯示波形 并 顯示各參數(shù) 。 (7)安全性和可靠性 應(yīng)保持系統(tǒng) 長(zhǎng)時(shí)間正常監(jiān)測(cè) 患者參數(shù)及可靠工作。 (8)價(jià)格和使用費(fèi)用 要求監(jiān)護(hù)儀器 性價(jià)比高 。 5.3.2 CCU與 ICU中的監(jiān)護(hù)技術(shù) 一、 CCU中的監(jiān)護(hù)技術(shù) 現(xiàn)代 CCU監(jiān)護(hù)系統(tǒng)有兩大類：一類是 分散監(jiān)護(hù)系統(tǒng) ， 另一類是 集中監(jiān)護(hù)系統(tǒng) 。 前者 是對(duì) 單個(gè)病人進(jìn)行監(jiān)護(hù) ， 其監(jiān)護(hù)儀獨(dú)立成機(jī) (系統(tǒng) )， 使用靈活方便 。 后者 是較為典型的 CCU監(jiān)護(hù)系統(tǒng) ， 可以 同時(shí)監(jiān)護(hù)多個(gè)病人 ， 便于集中管理 ，儀器使用效率高 。 目前在醫(yī)院CCU病房中大多采用集中監(jiān)護(hù)系統(tǒng) 。 集中監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由 床邊監(jiān)護(hù)儀 和 中央監(jiān)護(hù)控制臺(tái) 兩部分組成。部分集中監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的床邊監(jiān)護(hù)儀也可單獨(dú)使用，成為獨(dú)立的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。 大部分集中監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的床邊監(jiān)護(hù)儀需要和中央監(jiān)護(hù)控制系統(tǒng) 聯(lián)合使用 ，兩部分間由 接口電路和數(shù)據(jù)通信線路連接 ，使床邊監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以傳送到中央監(jiān)護(hù)控制臺(tái)，控制臺(tái)的控制信號(hào)能直接控制床邊監(jiān)護(hù)儀的工作。 當(dāng)出現(xiàn) 某一監(jiān)護(hù)參數(shù)超限時(shí) ， 不僅床邊監(jiān)護(hù)儀給出報(bào)警信號(hào) ， 而且在中央監(jiān)護(hù)控制臺(tái)也會(huì)發(fā)出 報(bào)警 ， 并指示報(bào)警的床號(hào)和參數(shù) 。 通常 ， 一個(gè)中央監(jiān)護(hù)控制臺(tái)可接 4 12個(gè)床邊監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng) 。 CCU監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖 1.2所示 。 CCU監(jiān)護(hù)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖 中央監(jiān)護(hù)控制臺(tái)一般可以管理 4 8臺(tái)床邊監(jiān)護(hù)儀，有的可擴(kuò)展到 12臺(tái)。管理臺(tái)數(shù)越多，反應(yīng)越慢，對(duì)中央控制臺(tái)的 主機(jī)運(yùn)算、數(shù)據(jù)存取速度要求 越高。目前發(fā)展趨勢(shì)是： 床邊監(jiān)護(hù)儀 功能越來(lái)越強(qiáng)，系統(tǒng)日益完善，已成為一種完全 可以獨(dú)立工作的監(jiān)護(hù)系統(tǒng) 。與早期的監(jiān)護(hù)儀不同的是， 中央控制臺(tái) 可不必對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行分析，主要起 集中監(jiān)控作用 ，因而接入床邊監(jiān)護(hù)儀的臺(tái)數(shù)可以增加 。 床邊監(jiān)護(hù)儀的結(jié)構(gòu)框圖 中央監(jiān)控臺(tái) 還可以存儲(chǔ)必要的數(shù)據(jù)和結(jié)果 ， 記錄 24h內(nèi) 對(duì)各床邊監(jiān)護(hù)儀信號(hào)的 監(jiān)護(hù)分析結(jié)果 ， 并打印輸出 。 中央監(jiān)護(hù)控制臺(tái)各床邊監(jiān)護(hù)儀之間采用 異步通信方式 ，傳輸速率可達(dá) 100Mbit s，實(shí)際上是一個(gè) 小型局域網(wǎng) 。 二、 ICU中的監(jiān)護(hù)技術(shù) ICU(加強(qiáng)監(jiān)護(hù)病房 )與 CCU監(jiān)護(hù)的相同之處在于， 兩者都需要監(jiān)護(hù)心電參數(shù) ，因?yàn)?循環(huán)系統(tǒng)功能 正常與否是保證生命安全的基本要素。 兩者的區(qū)別是： CCU不一定需要監(jiān)護(hù) 呼吸、體溫或者血壓 ，而 ICU對(duì)這些參數(shù)必須進(jìn)行監(jiān)護(hù)； ICU的病人往往 還需監(jiān)護(hù)腦電及心輸出量 ； 重癥 CCU病人實(shí)際上也應(yīng)視為危重病人，因而也需根據(jù)情況增加血壓、呼吸等其他參數(shù)的監(jiān)護(hù)； ICU的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)很難有一種規(guī)范的程式 ， 其中有些監(jiān)護(hù)不能用儀器連續(xù)監(jiān)測(cè) ， 需要用 人工采樣 的辦法通過(guò)間隔式化驗(yàn)分析 進(jìn)行 監(jiān)護(hù) ， 例如對(duì)腎衰患者的尿液進(jìn)行定時(shí)分析 ， 對(duì)血液病患者的血樣進(jìn)行化驗(yàn)等 。 因此 ，對(duì) ICU病人除了同樣可以使用床邊監(jiān)護(hù)儀外 ， 可能 還需要其他 監(jiān)護(hù)儀或 監(jiān)護(hù)手段 。 5.3.3 多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀 多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀是一種用來(lái)對(duì)危重病人的眾多生理（或生化）進(jìn)行 連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間、自動(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并經(jīng)分析處理后實(shí)現(xiàn)多類別的自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)記錄 的監(jiān)護(hù)裝置。 一、 多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀中各類生理參數(shù)的檢測(cè) 多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀往往需監(jiān)護(hù)兩類以上的生理和生化參數(shù)，常被監(jiān)測(cè)的 生理參數(shù) 有： （ 1） ECG 心臟在搏動(dòng)之前， 心肌 首先發(fā)生 興奮 ，在興奮過(guò)程中產(chǎn)生微弱的 電流 ，該電流經(jīng)人體組織向各部分 傳導(dǎo) ，由于身體各部分的組織不同，各部份與心臟間的距離不同，因此在人體體表各部位，表現(xiàn)出不同的 電位變化 ，這些電位變化可通過(guò)導(dǎo)線送至一種特制的記錄裝置 記錄下來(lái)，形成 動(dòng)態(tài)曲線 ，這就是所謂 心電圖（ Electrocardiogram， ECG），也稱為體表心電圖 心電圖（ ECG） 是多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀最基本的監(jiān)護(hù)內(nèi)容，心電監(jiān)護(hù)往往采用 導(dǎo)聯(lián) ，亦有采用 、 、 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)或全 12導(dǎo)聯(lián)監(jiān)護(hù) ，視需要而定。 在 CRT屏幕 上除給出心電波形外，應(yīng)同時(shí)給出 心率HR，并具有 心律失常自動(dòng)分析 的功能。 （ 2） 無(wú)創(chuàng)血壓 心臟收縮時(shí)所達(dá)到的最高壓力稱為 收縮壓 ，它把血液推進(jìn)到主動(dòng)脈，并維持全身循環(huán)。 心臟擴(kuò)張時(shí)所達(dá)到的最低壓力稱為 舒張壓 ，它使血液能回流到右心房。 血壓波形在 一周內(nèi)的積分除以心周期 T稱為 平均壓 。圖 1.5為血壓測(cè)量袖帶的纏繞方法。 血壓測(cè)量袖帶的纏繞 方法圖 有多種方法可實(shí)現(xiàn)血壓的無(wú)創(chuàng)測(cè)量，在多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀中通常采用 柯氏音法 和 測(cè)振法 兩類。 柯氏音法 是 檢測(cè) 袖帶下的 柯氏音（脈搏聲） 來(lái)測(cè)定血壓的，柯氏音無(wú)創(chuàng)血壓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)包括袖帶充氣系統(tǒng)、袖帶、柯氏音傳感器、音頻放大及自動(dòng)增益調(diào)整電路、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器及顯示部分等。 測(cè)振法 是檢測(cè)氣袖內(nèi)氣體的 振蕩波 ， 振蕩波源于血管壁的搏動(dòng) ， 測(cè)量振蕩波的相關(guān)點(diǎn) 就可 測(cè)定血壓值（ PS， PD和 PM） 。 測(cè)振法獲得脈搏振動(dòng)波的方法可借助微音器和壓力傳感器 。 （ 3） 血氧飽和度 血氧飽和度是衡量人體血液攜帶氧的能力的重要參數(shù) 。血氧飽和度的測(cè)量目前廣泛應(yīng)用透射法 （ 或反射法 ）雙波長(zhǎng) （ 紅光 R： 660nm和紅外光 IR： 920nm） 光電檢測(cè)技術(shù) ， 檢測(cè)紅光和紅外光通過(guò) 動(dòng)脈血 的 光吸收 引起的 交變成分之比 IIR/IR和 非脈動(dòng)組織 （ 表皮 、 肌肉 、靜脈血等 ） 引起 光吸收的穩(wěn)定分量 （ 直流 ） 值 ， 通過(guò)計(jì)算 可得到 血氧飽和度值 SPO2。 由于光電信號(hào)的 脈動(dòng)規(guī)律 與心臟搏動(dòng)的規(guī)律一致 ， 所以根據(jù)檢出信號(hào)的周期可同時(shí) 確定脈率 ， 因而亦稱該方法為 脈搏血氧飽和度測(cè)量 。 下圖為血氧飽和度測(cè)量時(shí)手指安放的方法 。 氧飽和度測(cè)量時(shí)手指安放的方法圖 （ 4） 呼吸波與呼吸率 呼吸測(cè)量是肺動(dòng)能檢查的重要部分。在監(jiān)護(hù)儀中，通常測(cè)量呼吸波并測(cè)定呼吸（頻）率（次 /分鐘）。 呼吸頻率的測(cè)量可通過(guò) 熱敏電阻（傳感器） 直接 測(cè)量呼吸氣流的溫度變化 ，經(jīng)過(guò)電橋電路將這一變化變換成電壓信號(hào)，也可采用 阻抗法 來(lái) 測(cè)量呼吸頻率 ，因?yàn)楹粑\(yùn)動(dòng)時(shí)，胸壁肌肉交變張馳，胸廓交替變形，肌體組織的電阻抗也隨之交替變化。 測(cè)量呼吸阻抗值的變化可采用電橋法、調(diào)制法、恒壓源法和恒流源法等多種方式。 在監(jiān)護(hù)儀中， 呼吸阻抗電極可與心電電極合用 ，在檢測(cè)心電信號(hào)時(shí)可同時(shí)檢測(cè)呼吸阻抗變化和呼吸頻率。 （ 5） 體溫 體溫是了解生命狀態(tài)的重要指標(biāo) 。 監(jiān)護(hù)儀中 ， 體溫的測(cè)量 常采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻 作為 溫度傳感器 ，采用電橋作為檢測(cè)電路 。 現(xiàn)在已有集成化測(cè)溫電路可供選用 。 高檔 的監(jiān)護(hù)儀可提供 兩道 以上的 測(cè)溫電路 ， 以測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同部位的 溫差 T=T2 T1。 體溫探頭 （ 傳感器 ）可采用體表探頭和體腔探頭 ， 分別用來(lái)監(jiān)護(hù)體表和腔內(nèi)溫度 。 在一些特殊場(chǎng)合 ， 為了避免交叉?zhèn)魅?， 亦可以采用 紅外非接觸測(cè)溫技術(shù) 。 監(jiān)護(hù)儀中 ， 測(cè)溫精度應(yīng)在 0.1 ，應(yīng)有較快的測(cè)溫響應(yīng) 。 （ 6） 心輸出量 心輸出量 是指心臟在單位時(shí)間內(nèi)輸出的血量 （ L/min） 。它是衡量心功能的重要指標(biāo) 。 在監(jiān)護(hù)儀中 ， 心輸出量的測(cè)量常采用 熱稀釋法 ， 將冷液 （ 生理鹽水或葡萄糖液 ） 注入 漂浮導(dǎo)管 中 ， 當(dāng) 冷液與血流混合 后將會(huì)發(fā)生 溫度變化 ， 溫度變化由導(dǎo)管前端的 熱敏電阻檢出 ， 并通過(guò) 計(jì)算獲得心輸出量 ， 這種方法可高精度反復(fù)測(cè)量不同時(shí)間的心輸出量 ， 其測(cè)量間隙最短可達(dá) 2分鐘 。 二、 多生理參數(shù)床邊監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì) 多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀能自動(dòng)測(cè)量心電、血壓、脈搏率、血氧飽和度、呼吸速率、體溫、呼吸中的二氧化碳濃度等生理參數(shù)，是臨床上廣泛使用的醫(yī)療儀器。 除可靠、安全和便攜等要求之外，多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀還應(yīng)具備波形顯示、操作便利等特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)中普遍采用 CRT顯示器或液晶顯示屏。 下圖為一模塊化多生理參數(shù)床邊監(jiān)護(hù)儀的組成原理框圖。儀器由 工控卡、心電、血壓、血氧 OEM模塊、電源模塊及各種探頭以及 9”綠色 CRT顯示器（或液晶屏） 等組成， 該系統(tǒng)的功能模塊可以擴(kuò)充，既可以單獨(dú)使用，也可通過(guò)通信接口與中央監(jiān)護(hù)控制臺(tái)聯(lián)機(jī)。 模塊化多生理參數(shù)床邊監(jiān)護(hù)儀的組成原理框圖 （一） 主控模塊 主控模塊采用了 嵌入式工控卡設(shè)計(jì) ，它具有工控機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)，能經(jīng)受惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，而且采用開(kāi)放式總線結(jié)構(gòu)，體積緊湊，擴(kuò)展方便。它們采用 CMOS器件設(shè)計(jì)，功耗低，又 支持電子盤(pán) ，在 固化 BIOS和 DOS的支持下，可 使用 PC機(jī)的軟件資源 ，便于編制和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法。再加上使用無(wú)源底板、抗干擾的Wathdog電路等，使它們很 適用于醫(yī)療儀器等嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 卡上還有鍵盤(pán)插口和軟、硬盤(pán)接口，可用在設(shè)計(jì)階段調(diào)試程序。一個(gè)并口可用來(lái)驅(qū)動(dòng)記錄病案的熱敏記錄儀或打印機(jī)。它具有與 PC/AT兼容的總線 ISA、PC104接口，能通過(guò)無(wú)源底板與外設(shè)相接，包括與TFT顯示器連接，實(shí)現(xiàn)生理參數(shù)波形和測(cè)量結(jié)果的大屏幕彩色顯示。圖 5-17為 3英寸的 PCM-3054工控卡外形圖。 其具體性能如下： CPU處理器： 采用嵌入式 CPU， 386SX-40， 16位數(shù)據(jù)總線、 8MHz總線速度。 DMA通道： 7。 中斷： 15級(jí)。 內(nèi)存： 4MB在板。 I/O:一個(gè)硬盤(pán)口、一個(gè)軟驅(qū)口、 3個(gè) RS-232串口、 1個(gè) RS-232/485串口、 1個(gè)雙向并口、 16bit GPIO。 電子盤(pán)： 支持 Flash/DiskOnChip。 顯示： 1MB顯存，支持最高 24bit液晶屏，支持 CRT。 以太網(wǎng)： NE2000兼容，內(nèi)建 16KRAM緩沖區(qū)， 10MB傳輸速率。 電源： 單 5V， 960mA。 主控模塊 是現(xiàn)代監(jiān)護(hù)儀的核心部分。它接受來(lái)自各功能模塊的數(shù)據(jù)及波形參數(shù)，并對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析和存儲(chǔ) ,控制輸出同時(shí)協(xié)調(diào)、檢測(cè)整機(jī)各部分的工作。控制信息輸出有顯示波形、文字、圖形，啟動(dòng)報(bào)警和打印記錄等。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)，接上硬盤(pán)、鍵盤(pán)和顯示器等外圍設(shè)備，就相當(dāng)于一臺(tái) PC機(jī)。軟件開(kāi)發(fā)完成后，將程序?qū)懭腚娮颖P(pán)，移去硬盤(pán)和鍵盤(pán)變自成系統(tǒng)。 （二） OEM模塊 OEM(Original Equipment Manufacturer)模塊的 結(jié)構(gòu)基本由下列四個(gè)部分組成。 1.信號(hào)采集部分： 通過(guò)電極和傳感器拾取人體心電、血壓、呼吸、血氧飽和度等生理參數(shù)信號(hào) , 并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。 2.模擬處理部分： 通過(guò)模擬電路對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配、過(guò)濾、放大等處理。 3.數(shù)字處理部分 ：由模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微處理機(jī)、存儲(chǔ)器等組成。由模數(shù)轉(zhuǎn)換器把人體生理參數(shù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào) , 由存儲(chǔ)器存儲(chǔ)操作程序、設(shè)置信息和臨時(shí)數(shù)據(jù) (如波形、文字、趨勢(shì)等 ) ,微處理機(jī)（單片機(jī)）接收來(lái)自工控卡的控制信息、執(zhí)行程序 , 對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算、分析和存儲(chǔ)。 4.信息輸出： 以約定的協(xié)議通過(guò)串口傳輸給上位機(jī)（工控卡）各生理參數(shù)的測(cè)量結(jié)果和波形數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)有心電、血壓、血氧 3個(gè)測(cè)量模塊， 需用三個(gè)串口與工控卡通訊，而 PCM-3054工控卡配有四個(gè)串行口，完全能滿足監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)的要求。 一、心電模塊 整個(gè)心電模塊的原理框圖如圖 5-18所示，主要由 前置電路、隔離電路、主放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和微處理器等組成 。其中，濾波電路采用有源濾波，而 A/D轉(zhuǎn)換電路則為 8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLCO832CP。其電路詳細(xì)介紹這里就不再描述。 心電模塊硬件框圖 BT007心電模塊具有如下功能： 1. 同步七通道心電波 ， 四級(jí)程控增益 ， 三級(jí)濾波方式 (診斷方式 ， 監(jiān)護(hù)方式 ， 手術(shù)方式 )， 起搏脈沖抑制功能 ， 導(dǎo)聯(lián)脫落報(bào)警 ， 心率范圍 20250BPM， 抗除顫及電刀干擾 。 2. 阻抗呼吸 ， 四級(jí)程控增益 ， 呼吸率范圍 599BPM。 3. 雙體溫 ， 測(cè)量范圍 050， 顯示精度 0.1， 測(cè)量精度： 0.2。 4. TTL或 RS-232串行接口電平規(guī)范可選 。 5. 內(nèi)含兩套通訊協(xié)議：同步三通道心電協(xié)議與同步七通道心電協(xié)議，用戶可通過(guò)跳線選擇。 BT007心電模塊圖 同步七通道心電軟件協(xié)議： (建議用 RS-232電平規(guī)范 ) 數(shù)據(jù)格式： 28800 BAUDRATE, 8 DATA, 1 START, 1 STOP, NO PARITY（ 無(wú)奇偶校驗(yàn) ） 。 1 COMMAND (MASTER TO MODULE )：?jiǎn)巫止?jié)指令。 2 DATA (ECG MODULE TO MASTER ) 心電板發(fā)送的數(shù)據(jù)，以 字節(jié)數(shù)據(jù)頭加若干字節(jié)數(shù)據(jù)為一組，成組發(fā)送。 其中 數(shù)據(jù)頭為 251 254，數(shù)據(jù)字節(jié)為 0 250。 模塊據(jù)上述協(xié)議通過(guò)串口與工控卡通訊，并以中斷方式接受 80386的控制，除提高了 CPU效率外，還能有效避免各模塊間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和命令的丟失，保證心電和脈搏波形的完好性和實(shí)時(shí)性，并能避免如此復(fù)雜的多 CPU系統(tǒng)出錯(cuò)，提高可靠性。 二、 血壓模塊 圖 5-20是血壓模塊硬件框圖，通過(guò) 充氣袖套 在檢測(cè)部位 以 20mmHg的增量逐級(jí)施加外力 ，當(dāng)外力 超過(guò)預(yù)設(shè)值后，開(kāi)始 以 4 5mmHg的減量逐級(jí)減壓 。在減壓過(guò)程中 檢測(cè) 袖套靜壓和氣袖內(nèi)氣體的 振蕩波 ，而振蕩波起源于血管壁的搏動(dòng)。 血壓模塊框圖 三、血氧模塊 通常，血氧值通過(guò)一個(gè)手指探頭來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，如圖 9-21所示。探頭的光電檢測(cè)器是一個(gè)光電管，能產(chǎn)生正比于透射到它上面的紅光和紅外光強(qiáng)度的電流，但它不能區(qū)分這兩種光。為此，用一個(gè) 定時(shí)電路來(lái)控制兩個(gè) LED的發(fā)光次序 。 光電流信號(hào) 被 轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào) ，并經(jīng) 放大、濾波、信號(hào)基線電平變換 和 去直流分量 等信號(hào)處理過(guò)程后，加到一個(gè)具有自動(dòng)增益調(diào)整功能的電壓 /電流轉(zhuǎn)換電路，然后由積分電路 對(duì)信號(hào)電流積分 ，其輸出經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。微處理器會(huì)進(jìn)行一系列較為復(fù)雜的處理，如 數(shù)字濾波，計(jì)算光電信號(hào)幅度和血氧飽和度 等等。 血氧模塊框圖 三、 其他設(shè)計(jì) 選用一片輸入接口芯片，與面板操作鍵、單鍵飛梭開(kāi)關(guān)相聯(lián)，在程序中通過(guò)定時(shí)查詢、按鍵去抖，獲取按鍵和單鍵飛梭的信息。 儀器面板上安排 6個(gè)按鍵 ，其中 3個(gè)屏幕菜單操作鍵 ，用來(lái)完成儀器各種參數(shù)的設(shè)置和多層菜單的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能；一個(gè)為 消聲鍵 ，任何時(shí)刻按此鍵即實(shí)現(xiàn)報(bào)警器的消聲 /不消聲功能切換；一個(gè) 打印鍵 ，可以完成波形、趨勢(shì)圖、血壓數(shù)據(jù)表格的打?。灰粋€(gè)為 血壓測(cè)量啟動(dòng)鍵 ，任何時(shí)刻按此鍵即實(shí)現(xiàn)血壓測(cè)量啟動(dòng) /血壓測(cè)量停止功能。 圖 5-22是儀器操作界面示意圖，所有測(cè)量參數(shù)均可設(shè)定上、下報(bào)警限，任一參數(shù)越限時(shí)即能發(fā)出聲、光報(bào)警。 需要時(shí)能用消聲鍵停止報(bào)警聲，消聲時(shí)間可調(diào)。能顯示 7個(gè)參數(shù)的 15分鐘到 16小時(shí)趨勢(shì)圖，并能按時(shí)間順序回憶測(cè)量結(jié)果。 儀器能與具有標(biāo)準(zhǔn)并行接口的打印機(jī)連接，描記病人的心電圖及各參數(shù)的測(cè)量時(shí)間與結(jié)果。 為適應(yīng)我國(guó)國(guó)情，屏幕顯示可以在中英文之間隨意切換。 多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀還可按需要加接不同的測(cè)量模塊以擴(kuò)展其功能，同時(shí)還可利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算和處理能力，獲得二次間接測(cè)量的生理和生化指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、多功能、自動(dòng)化等任務(wù)。 監(jiān)護(hù)儀還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與臨床信息系統(tǒng)（ Clinical Information System， CIS）相聯(lián)結(jié)，共享全院信息（包括圖像信息與管理信息）。 四、 軟件設(shè)計(jì) 主控程序用 BC3 l編寫(xiě) ， 部分子程序用 8086匯編寫(xiě)成 ，共包含十多個(gè)子模塊 ， 程序經(jīng)編譯和三個(gè)中英文字符庫(kù)連接后 ， 能