數(shù)字化醫(yī)學(xué)儀器應(yīng)用實(shí)例課件

1、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 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，經(jīng)由諸如放大，濾波，干擾抑制，多路轉(zhuǎn)換等信號檢測及預(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，供計算機(jī)處理。傳感器采集接口框圖5.1.2 信號源與數(shù)據(jù)采集電路間的接口電路 一、心電信號放大器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 共模干擾就是同時疊加在兩條被測信號線上的

2、外界干擾信號，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源和儀器 隔離，使兩個地之間沒有直接的導(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，疊加在被測電壓上的干擾信號，并通過測量儀器的輸入端，與被測信號一起進(jìn)入測量儀器而引起的測量誤差。串模干擾主要來自于高壓輸電線所產(chǎn)生的空間電磁場。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

3、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線。3.三運(yùn)放輸入電路公式計算：設(shè) R1=R2；R3=R4；R5=R6Vo1-Vo2=IG（2R1+RG）；Vi1-Vi2=IGRG；故 Vo1-Vo2= （Vi1-Vi2)(2R1+RG)/RGAV1=(2R1+RG)/RG=1+2R1/RG而AV2= - R5/R3所以總差模增益 AV=AV1*AV2= - (1+2R1/RG)R5)/R3AV= - 60而總共模增益AVM=AVM1*AVM2=1*0=0三運(yùn)放電路特點(diǎn)為:高輸入阻抗;高共模抑制比CMRR;改變RG 可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。4.中間級放大電路運(yùn)放 A5 提

4、供整個電路輸出信號幅度的足夠增益。1uF 的隔直電容可消除極化電壓。還設(shè)置了一個幅度超越時能自動閉鎖的開關(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中工頻 50Hz 的干擾。陷波頻率f=1/2RC6.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 Hz7.跟隨器輸出電路降低放大器的輸出阻抗，便于后級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都能進(jìn)行檢出，所限幅值由分壓決定。 VMAX = 2V9.閉鎖電路由單穩(wěn)觸發(fā)器構(gòu)成。10.無效信號檢出電路當(dāng)信號超限時，為系統(tǒng)提供一個識別狀態(tài)。閉鎖電路與無效信號檢出

5、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的強(qiáng)電危害以及使用除顫器時設(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 智能攜帶式動態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀(Holter)智能

6、Holter機(jī)是一種采用微型計算機(jī)對DCG進(jìn)行實(shí)時分析,判斷并有選擇記錄, 發(fā)現(xiàn)重癥及時報警的攜帶式監(jiān)護(hù)記錄儀。動態(tài)心電圖-DCG。5.2.1 智能攜帶式動態(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RR間期、QRS波寬、幅度大小等特征量進(jìn)行實(shí)時分析，判斷并有選擇地存儲記錄?？梢栽\斷室顫、心動過緩、漏博、停博、早博、RonT等10多種心律失常病癥。2. 組成結(jié)構(gòu) (見下圖)智能動態(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)計智能動態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)工作流程見下頁框圖1.數(shù)字濾波在心電信號的拾取，放大及變換過程中，會引起各種干擾。用數(shù)字濾波對經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的心電信號進(jìn)行

7、濾波和平整。 抑制50Hz工頻干擾采用5點(diǎn)對稱數(shù)字濾波器，即: 其中X、Y分別是心電信號原始采樣序列及經(jīng)過濾波后的信號序列。智能動態(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，但在高頻率端信號的特性變差， 此需進(jìn)行平滑濾波。平滑濾波器的方程為級聯(lián)后的濾波器差分方程為級聯(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，已能滿足對心律失常識別的要求。 濾波器的幅頻特性曲線圖2. QRS波檢測（

8、1） 技術(shù)處理求出絕對微分?jǐn)?shù)據(jù)的形式: 為了便于設(shè)計識別區(qū)分點(diǎn)的程序，把上式修改成求絕對微分?jǐn)?shù)據(jù)的形式：（2）QRS波檢測先求出400個微分?jǐn)?shù)據(jù)的最大值。由最大值定出 閾值1，應(yīng)保證能識別每一個QRS波群超過閾值1的時刻作為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 在原始心電圖中，從識別出的QRS波起點(diǎn)開始，求200ms內(nèi)數(shù)據(jù)為最大值的點(diǎn)作為 R 波頂點(diǎn)

9、，兩個相鄰 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)锳/D 采樣不一定正好采到 R 波的峰值上，故需對 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，而計算機(jī)對R波采樣高度為 a 。見下圖(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

10、VR=a+(a+1-a+2)/2R波的高度補(bǔ)償示意圖4. QRS 波模板匹配技術(shù) 系統(tǒng)軟件通過自學(xué)習(xí),建立一個正常的QRS 波模板. 根據(jù)數(shù)學(xué)準(zhǔn)則,系統(tǒng)判斷以后的實(shí)時心電信號是否與模板匹配(各項特征參數(shù)大致相等否)。若匹配就說明此QRS波與模板是同一類波形;否則就可以懷疑它是一個異常的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,并在兩想鄰的點(diǎn)中只存儲一個, 這樣就可以壓縮數(shù)據(jù)一半?；痉椒? X0作為參考點(diǎn),在隨后的X1和X2兩點(diǎn)之中選擇一 點(diǎn)。見下表:心電數(shù)據(jù)壓

11、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)，簡稱病房監(jiān)護(hù)。這類監(jiān)護(hù)的對象都是危重病人，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?？票O(jiān)護(hù)病房。 5.3

12、.1 生理參數(shù)的多路實(shí)時監(jiān)護(hù) 對住院危重癥患者，通常需要對下列重要生理參數(shù)進(jìn)行連續(xù)或間斷連續(xù)監(jiān)測： (1)血壓 無創(chuàng)間接法測動脈血壓(收縮壓、舒張壓和平均壓)或有創(chuàng)直接檢測動靜脈血壓，一般情況下應(yīng)盡可能采用無創(chuàng)監(jiān)測。(2)心電圖和心律 通常用導(dǎo)聯(lián)對心電圖進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，對冠心病患者，往往還需要同時監(jiān)測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 由于體溫變化相對較慢，也可采取間斷采樣測量的方式(05h、1h或2h測一次)；觀察一晝夜體溫變化情況，對掌握病情變化是十分重要的。(4)呼吸

13、監(jiān)測呼吸次數(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)測項目通常有： (1)血?dú)鈪?shù) 對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)測血?dú)鈪?shù)，包括動脈血液的pH值、血氧飽和度、二氧化碳飽和度等。 (2)腦電圖 對于意識不清、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)測其腦電圖，以便觀察大腦的生理活動能力，判定病情變化趨勢。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定等。這些參數(shù)通常沒有連續(xù)的監(jiān)測儀器，因而采用間斷

14、式采樣分析，由護(hù)士操作，也可以說是針對病情的常規(guī)測試項目 。每一個生理參數(shù)都由其專用傳感器將信號提取出來，例如，心電信號(ECG)或腦電信號(EEG)由貼片電極提??；與呼吸有關(guān)的參數(shù)由氣體流量計、氣樣采集與分析變換器提?。惑w溫用熱電偶或半導(dǎo)體溫度計取得；血壓可由微型壓力傳感器從動、靜脈取得(直接測量法)，或者用氣囊式或袖套式通過測振法或柯氏音法取得。 各種被測生理參數(shù)就其參數(shù)性質(zhì)而言，可分為兩大類。一類是電信號，通常直接用電極提?。涣硪活愂欠请娦盘?，如血壓、呼吸等，需通過不同的變換器(傳感器)取得。凡是需要連續(xù)監(jiān)測的信號都必須轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過放大和預(yù)處理(濾波去噪、平均疊加等)，然后再變換

15、成數(shù)字信號，以便能用計算機(jī)進(jìn)行信號處理與分析。 多路生理信號采集監(jiān)護(hù)系統(tǒng)原理框圖監(jiān)護(hù)儀一般都有自檢測裝置，通過硬件和軟件檢測系統(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，如電源斷電、電極松動或脫落時，即發(fā)出報警信號。幾乎所有的監(jiān)護(hù)儀都有超限報警裝置，即當(dāng)所監(jiān)測的參數(shù)超出設(shè)定的正常范圍一定時間后，即發(fā)出聲、光報警信號。此報警信號應(yīng)與設(shè)備工作不正常的報警信號有所不同。 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)信號的隔離 由于監(jiān)護(hù)儀的主電源都是交流供電的，而測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，必須有良好的電源和信號

16、隔離。 (2)不同信號間的串?dāng)_與交叉調(diào)制 各路信號間可能會通過公共地線、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:250500Hz。(4)實(shí)時自動分析技術(shù) 實(shí)現(xiàn)對反映病情的各關(guān)鍵生理參數(shù)的自動監(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)的存儲與回顧 由于監(jiān)測是連續(xù)進(jìn)行的，數(shù)據(jù)量大，因而可以將監(jiān)測的數(shù)據(jù)選擇存儲，供會診或進(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)動態(tài)滾動顯示波形

17、并顯示各參數(shù)。(7)安全性和可靠性 應(yīng)保持系統(tǒng)長時間正常監(jiān)測患者參數(shù)及可靠工作。 (8)價格和使用費(fèi)用 要求監(jiān)護(hù)儀器性價比高。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)。前者是對單個病人進(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)，可以同時監(jiān)護(hù)多個病人，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)

18、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，控制臺的控制信號能直接控制床邊監(jiān)護(hù)儀的工作。 當(dāng)出現(xiàn)某一監(jiān)護(hù)參數(shù)超限時，不僅床邊監(jiān)護(hù)儀給出報警信號，而且在中央監(jiān)護(hù)控制臺也會發(fā)出報警，并指示報警的床號和參數(shù)。通常，一個中央監(jiān)護(hù)控制臺可接412個床邊監(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)控制臺一般可以管理48臺床邊監(jiān)護(hù)儀，有的可擴(kuò)展到12臺。管理臺數(shù)越多，反應(yīng)越慢，對中央控制臺的主機(jī)運(yùn)算、數(shù)據(jù)存取速度要求越高。目前發(fā)展趨勢是：床邊監(jiān)護(hù)儀功能越來越強(qiáng)，系統(tǒng)日益完善，已成為一種完全可

19、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，中央控制臺可不必對各路信號進(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)控臺還可以存儲必要的數(shù)據(jù)和結(jié)果，記錄24h內(nèi)對各床邊監(jiān)護(hù)儀信號的監(jiān)護(hù)分析結(jié)果，并打印輸出。中央監(jiān)護(hù)控制臺各床邊監(jiān)護(hù)儀之間采用異步通信方式，傳輸速率可達(dá)100Mbits，實(shí)際上是一個小型局域網(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)檠h(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對這些參數(shù)必須進(jìn)行監(jiān)護(hù)；IC

20、U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，需要用人工采樣的辦法通過間隔式化驗(yàn)分析進(jìn)行監(jiān)護(hù)，例如對腎衰患者的尿液進(jìn)行定時分析，對血液病患者的血樣進(jìn)行化驗(yàn)等。因此，對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)儀是一種用來對危重病人的眾多生理（或生化）進(jìn)行連續(xù)、長時間、自動、實(shí)時監(jiān)測，并經(jīng)分析處理后實(shí)現(xiàn)多類別的自動報警、自動記錄的監(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)

21、的檢測 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)測的生理參數(shù)有： （1）ECG心臟在搏動之前，心肌首先發(fā)生興奮，在興奮過程中產(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導(dǎo)線送至一種特制的記錄裝置記錄下來，形成動態(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)同時給出心率H

22、R，并具有心律失常自動分析的功能。 （2）無創(chuàng)血壓心臟收縮時所達(dá)到的最高壓力稱為收縮壓，它把血液推進(jìn)到主動脈，并維持全身循環(huán)。 心臟擴(kuò)張時所達(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為血壓測量袖帶的纏繞方法。血壓測量袖帶的纏繞 方法圖有多種方法可實(shí)現(xiàn)血壓的無創(chuàng)測量，在多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀中通常采用柯氏音法和測振法兩類。柯氏音法是檢測袖帶下的柯氏音（脈搏聲）來測定血壓的，柯氏音無創(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、音頻放大及自動增益調(diào)整電路、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器及顯示部分等。 測振法是檢測氣袖內(nèi)氣體的振蕩波，振蕩波源于

23、血管壁的搏動，測量振蕩波的相關(guān)點(diǎn)就可測定血壓值（PS，PD和PM）。測振法獲得脈搏振動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)。血氧飽和度的測量目前廣泛應(yīng)用透射法（或反射法）雙波長（紅光R：660nm和紅外光IR：920nm）光電檢測技術(shù)，檢測紅光和紅外光通過動脈血的光吸收引起的交變成分之比IIR/IR和非脈動組織（表皮、肌肉、靜脈血等）引起光吸收的穩(wěn)定分量（直流）值，通過計算可得到血氧飽和度值SPO2。由于光電信號的脈動規(guī)律與心臟搏動的規(guī)律一致，所以根據(jù)檢出信號的周期可同時確定脈率，因而亦稱該方法為脈搏血氧飽和度測量。下圖為血氧飽和度測

24、量時手指安放的方法。氧飽和度測量時手指安放的方法圖（4）呼吸波與呼吸率呼吸測量是肺動能檢查的重要部分。在監(jiān)護(hù)儀中，通常測量呼吸波并測定呼吸（頻）率（次/分鐘）。呼吸頻率的測量可通過熱敏電阻（傳感器）直接測量呼吸氣流的溫度變化，經(jīng)過電橋電路將這一變化變換成電壓信號，也可采用阻抗法來測量呼吸頻率，因?yàn)楹粑\(yùn)動時，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，在檢測心電信號時可同時檢測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，體溫的測量

25、常采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻作為溫度傳感器，采用電橋作為檢測電路。現(xiàn)在已有集成化測溫電路可供選用。高檔的監(jiān)護(hù)儀可提供兩道以上的測溫電路，以測量兩個不同部位的溫差T=T2T1。體溫探頭（傳感器）可采用體表探頭和體腔探頭，分別用來監(jiān)護(hù)體表和腔內(nèi)溫度。在一些特殊場合，為了避免交叉?zhèn)魅?，亦可以采用紅外非接觸測溫技術(shù)。監(jiān)護(hù)儀中，測溫精度應(yīng)在0.1，應(yīng)有較快的測溫響應(yīng)。（6）心輸出量心輸出量是指心臟在單位時間內(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發(fā)生溫度變化，溫度變化由導(dǎo)管前端的熱敏電

26、阻檢出，并通過計算獲得心輸出量，這種方法可高精度反復(fù)測量不同時間的心輸出量，其測量間隙最短可達(dá)2分鐘。二、 多生理參數(shù)床邊監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計 多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀能自動測量心電、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，也可通過通信接

27、口與中央監(jiān)護(hù)控制臺聯(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，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，功耗低，又支持電子盤，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。 卡上還有鍵盤插口和軟、硬盤接口，可用在設(shè)計階段調(diào)試程序。一個并口可用來驅(qū)動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，能通過無源底板

28、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。內(nèi)存：4MB在板。I/O:一個硬盤口、一個軟驅(qū)口、3個RS-232串口、1個RS-232/485串口、1個雙向并口、16bit GPIO。電子盤：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

29、模塊是現(xiàn)代監(jiān)護(hù)儀的核心部分。它接受來自各功能模塊的數(shù)據(jù)及波形參數(shù)，并對數(shù)字信號進(jìn)行分析和存儲,控制輸出同時協(xié)調(diào)、檢測整機(jī)各部分的工作?？刂菩畔⑤敵鲇酗@示波形、文字、圖形，啟動報警和打印記錄等。系統(tǒng)開發(fā)時，接上硬盤、鍵盤和顯示器等外圍設(shè)備，就相當(dāng)于一臺PC機(jī)。軟件開發(fā)完成后，將程序?qū)懭腚娮颖P，移去硬盤和鍵盤變自成系統(tǒng)。（二） OEM模塊 OEM(Original Equipment Manufacturer)模塊的結(jié)構(gòu)基本由下列四個部分組成。1.信號采集部分：通過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, 并將這些信號轉(zhuǎn)化為電信號。2.模擬處理部分：通過模擬電路對采集的信號

30、進(jìn)行阻抗匹配、過濾、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)的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號, 由存儲器存儲操作程序、設(shè)置信息和臨時數(shù)據(jù)(如波形、文字、趨勢等) ,微處理機(jī)（單片機(jī)）接收來自工控卡的控制信息、執(zhí)行程序, 對數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算、分析和存儲。4.信息輸出：以約定的協(xié)議通過串口傳輸給上位機(jī)（工控卡）各生理參數(shù)的測量結(jié)果和波形數(shù)據(jù)。系統(tǒng)有心電、血壓、血氧3個測量模塊，需用三個串口與工控卡通訊，而PCM-3054工控卡配有四個串行口，完全能滿足監(jiān)護(hù)儀設(shè)計的要求。一、心電模塊 整個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

31、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，四級程控增益，三級濾波方式(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)脫落報警，心率范圍20250BPM，抗除顫及電刀干擾。2. 阻抗呼吸，四級程控增益，呼吸率范圍599BPM。3. 雙體溫，測量范圍050，顯示精度0.1，測量精度：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)

32、議，用戶可通過跳線選擇。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（無奇偶校驗(yàn)）。 1COMMAND (MASTER TO MODULE )：單字節(jié)指令。2DATA (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251254，數(shù)據(jù)字節(jié)為0250。 模塊據(jù)上述協(xié)議通過串口與工控卡通訊，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

33、丟失，保證心電和脈搏波形的完好性和實(shí)時性，并能避免如此復(fù)雜的多CPU系統(tǒng)出錯，提高可靠性。 二、 血壓模塊圖5-20是血壓模塊硬件框圖，通過充氣袖套在檢測部位以20mmHg的增量逐級施加外力，當(dāng)外力超過預(yù)設(shè)值后，開始以45mmHg的減量逐級減壓。在減壓過程中檢測袖套靜壓和氣袖內(nèi)氣體的振蕩波，而振蕩波起源于血管壁的搏動。 血壓模塊框圖三、血氧模塊通常，血氧值通過一個手指探頭來進(jìn)行檢測，如圖9-21所示。探頭的光電檢測器是一個光電管，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，用一個定時電路來控制兩個LED的發(fā)光次序。光電流信號被轉(zhuǎn)換成電壓信號，并經(jīng)放大、濾波、信

34、號基線電平變換和去直流分量等信號處理過程后，加到一個具有自動增益調(diào)整功能的電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，然后由積分電路對信號電流積分，其輸出經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。微處理器會進(jìn)行一系列較為復(fù)雜的處理，如數(shù)字濾波，計算光電信號幅度和血氧飽和度等等。 血氧模塊框圖三、 其他設(shè)計選用一片輸入接口芯片，與面板操作鍵、單鍵飛梭開關(guān)相聯(lián)，在程序中通過定時查詢、按鍵去抖，獲取按鍵和單鍵飛梭的信息。儀器面板上安排6個按鍵，其中3個屏幕菜單操作鍵，用來完成儀器各種參數(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；一個為消聲鍵，任何時刻按此鍵即實(shí)現(xiàn)報警器的消聲/不消聲功能切換；一個打印鍵，可以完成波形、趨勢圖、血壓數(shù)

35、據(jù)表格的打??；一個為血壓測量啟動鍵，任何時刻按此鍵即實(shí)現(xiàn)血壓測量啟動/血壓測量停止功能。 圖5-22是儀器操作界面示意圖，所有測量參數(shù)均可設(shè)定上、下報警限，任一參數(shù)越限時即能發(fā)出聲、光報警。需要時能用消聲鍵停止報警聲，消聲時間可調(diào)。能顯示7個參數(shù)的15分鐘到16小時趨勢圖，并能按時間順序回憶測量結(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)的測量時間與結(jié)果。為適應(yīng)我國國情，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量模塊以擴(kuò)展其功能，同時還可利用計算機(jī)的計算和處理能力，獲得二次間接測量的生理和生化指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、多功能、自動化等任務(wù)。監(jiān)護(hù)儀還可通過網(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)計主控程序用BC3l編寫，部分子程序用8086匯編寫成