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。 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數(shù)倍。 （ 3）電磁屏蔽 除進行電磁屏蔽外，應(yīng)選用帶有屏蔽層的雙絞線或同軸電纜作信號線。 3.三運放輸入電路 公式計算： 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 三運放電路特點為 : 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.中間級放大電路 運放 A5 提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=1/2RC 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 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，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)護儀 (Holter) 智能 Holter機是一種采用微型計算機對 DCG進行實時分析 ,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行實時分析，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)換后的心電信號進行濾波和平整。 抑制 50Hz工頻干擾采用 5點對稱數(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。 )2()1(4)(2)1(4)2(41)(1 nXnXnXnXnXnY智能動態(tài)心電監(jiān)護儀系統(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。 )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 （ 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)分點的程序，把上式修改成求絕對微分?jǐn)?shù)據(jù)的形式： )()(414223113 iiiiiiiii XXXXXXXXX)()( 4223113 iiiiiiiii XXXXXXXXX（ 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，表明已進入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，將在 0.015s（相當(dāng)于 3個采樣點）期間內(nèi)連續(xù)小于閾值 2的那些點的最后一點作為 QRS波的起點。 QRS波終點的識別與起點相似。起點與終點的間期定義為 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波起點開始，求200ms內(nèi)數(shù)據(jù)為最大值的點作為 R 波頂點，兩個相鄰 R 波頂點之間的間隔即為 R-R 間隔。 3. R 波高度的補償 因為 A/D 采樣不一定正好采到 R 波的峰值上，故需對 R 波進行高度補償。設(shè) R波上升和下降斜率基本相同，而計算機對 R波采樣高度為 a 。見下圖 (1) 采樣點正落在 R波的峰值上 , a-a-1 =a-a+1,則 VR=a. (2) 采樣點在 R波上升沿 , a-a-1 a-a+1，則 VR=a+|a+1-a-1|/2 (3) 采樣點在 R波下降沿 , a-a-1 a-a+1，則 VR=a+|a+1-a-1|/2 (4) 采樣點在 R波下降沿 , a-a-1=0,則 VR=a+(a-1-a-2)/2 (5) 采樣點在 R波上升沿 , a-a+1=0，則 VR=a+(a+1-a+2)/2 R波的高度補償示意圖 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)折點算法 : 它分析采樣點的趨勢 ,并在兩想鄰的點中只存儲一個 , 這樣就可以壓縮數(shù)據(jù)一半。 基本方法 : X0作為參考點 ,在隨后的 X1和 X2兩點之中選擇一 點。見下表 : 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 : 簡便迅速 . 缺點 : 連用兩次后 ,失真顯著。 5.3 病房監(jiān)護技術(shù) 醫(yī)療監(jiān)護技術(shù)最重要的應(yīng)用是在醫(yī)院對住院危重病人的監(jiān)護。這類監(jiān)護是在醫(yī)院病房進行的，所以稱為住院患者的監(jiān)護， 簡稱病房監(jiān)護 。這類監(jiān)護的對象都是危重病人，又稱為危重癥患者監(jiān)護。 冠心病監(jiān)護病房 （ Coronary Care Unit， CCU）、 加強監(jiān)護病房 （ Intensive Care Unit，ICU）、 新生兒監(jiān)護病房 、 手術(shù)監(jiān)護 及其他各種?？票O(jiān)護病房。 5.3.1 生理參數(shù)的多路實時監(jiān)護 對住院危重癥患者，通常需要對下列重要生理參數(shù)進行連續(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(0 5h、 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 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)血氣參數(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)測血氣參數(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 ， 因而采用間斷式采樣分析 ， 由護士操作 ， 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??； 體溫 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 提取；另一類是 非電信號 ，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 再變換成數(shù)字信號 ，以便能用 計算機 進行信號處理與分析。 多路生理信號采集監(jiān)護系統(tǒng)原理框圖 監(jiān)護儀一般都有 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 :250 500Hz。 (4)實時自動分析技術(shù) 實現(xiàn)對反映病情的各關(guān)鍵生理參數(shù)的自動監(jiān)護，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 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)價格和使用費用 要求監(jiān)護儀器 性價比高 。 5.3.2 CCU與 ICU中的監(jiān)護技術(shù) 一、 CCU中的監(jiān)護技術(shù) 現(xiàn)代 CCU監(jiān)護系統(tǒng)有兩大類：一類是 分散監(jiān)護系統(tǒng) ， 另一類是 集中監(jiān)護系統(tǒng) 。 前者 是對 單個病人進行監(jiān)護 ， 其監(jiān)護儀獨立成機 (系統(tǒng) )， 使用靈活方便 。 后者 是較為典型的 CCU監(jiān)護系統(tǒng) ， 可以 同時監(jiān)護多個病人 ， 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)護系統(tǒng) 。 集中監(jiān)護系統(tǒng)由 床邊監(jiān)護儀 和 中央監(jiān)護控制臺 兩部分組成。部分集中監(jiān)護系統(tǒng)中的床邊監(jiān)護儀也可單獨使用，成為獨立的監(jiān)護系統(tǒng)。 大部分集中監(jiān)護系統(tǒng)中的床邊監(jiān)護儀需要和中央監(jiān)護控制系統(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)護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以傳送到中央監(jiān)護控制臺，控制臺的控制信號能直接控制床邊監(jiān)護儀的工作。 當(dāng)出現(xiàn) 某一監(jiān)護參數(shù)超限時 ， 不僅床邊監(jiān)護儀給出報警信號 ， 而且在中央監(jiān)護控制臺也會發(fā)出 報警 ， 并指示報警的床號和參數(shù) 。 通常 ， 一個中央監(jiān)護控制臺可接 4 12個床邊監(jiān)護儀系統(tǒng) 。 CCU監(jiān)護系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖 1.2所示 。 CCU監(jiān)護系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖 中央監(jiān)護控制臺一般可以管理 4 8臺床邊監(jiān)護儀，有的可擴展到 12臺。管理臺數(shù)越多，反應(yīng)越慢，對中央控制臺的 主機運算、數(shù)據(jù)存取速度要求 越高。目前發(fā)展趨勢是： 床邊監(jiān)護儀 功能越來越強，系統(tǒng)日益完善，已成為一種完全 可以獨立工作的監(jiān)護系統(tǒng) 。與早期的監(jiān)護儀不同的是， 中央控制臺 可不必對各路信號進行分析，主要起 集中監(jiān)控作用 ，因而接入床邊監(jiān)護儀的臺數(shù)可以增加 。 床邊監(jiān)護儀的結(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)護儀信號的 監(jiān)護分析結(jié)果 ， 并打印輸出 。 中央監(jiān)護控制臺各床邊監(jiān)護儀之間采用 異步通信方式 ，傳輸速率可達 100Mbit s，實際上是一個 小型局域網(wǎng) 。 二、 ICU中的監(jiān)護技術(shù) ICU(加強監(jiān)護病房 )與 CCU監(jiān)護的相同之處在于， 兩者都需要監(jiān)護心電參數(shù) ，因為 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 呼吸、體溫或者血壓 ，而 ICU對這些參數(shù)必須進行監(jiān)護； ICU的病人往往 還需監(jiān)護腦電及心輸出量 ； 重癥 CCU病人實際上也應(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； ICU的監(jiān)護系統(tǒng)很難有一種規(guī)范的程式 ， 其中有些監(jiān)護不能用儀器連續(xù)監(jiān)測 ， 需要用 人工采樣 的辦法通過間隔式化驗分析 進行 監(jiān)護 ， 例如對腎衰患者的尿液進行定時分析 ， 對血液病患者的血樣進行化驗等 。 因此 ，對 ICU病人除了同樣可以使用床邊監(jiān)護儀外 ， 可能 還需要其他 監(jiān)護儀或 監(jiān)護手段 。 5.3.3 多生理參數(shù)監(jiān)護儀 多生理參數(shù)監(jiān)護儀是一種用來對危重病人的眾多生理（或生化）進行 連續(xù)、長時間、自動、實時監(jiān)測，并經(jīng)分析處理后實現(xiàn)多類別的自動報警、自動記錄 的監(jiān)護裝置。 一、 多生理參數(shù)監(jiān)護儀中各類生理參數(shù)的檢測 多生理參數(shù)監(jiān)護儀往往需監(jiān)護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)護儀最基本的監(jiān)護內(nèi)容，心電監(jiān)護往往采用 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 ，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HR，并具有 心律失常自動分析 的功能。 （ 2） 無創(chuàng)血壓 心臟收縮時所達到的最高壓力稱為 收縮壓 ，它把血液推進到主動脈，并維持全身循環(huán)。 心臟擴張時所達到的最低壓力稱為 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 有多種方法可實現(xiàn)血壓的無創(chuàng)測量，在多生理參數(shù)監(jiān)護儀中通常采用 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 ， 振蕩波源于血管壁的搏動 ， 測量振蕩波的相關(guān)點 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 ，因為呼吸運動時，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)護儀中 ， 體溫的測量 常采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻 作為 溫度傳感器 ，采用電橋作為檢測電路 。 現(xiàn)在已有集成化測溫電路可供選用 。 高檔 的監(jiān)護儀可提供 兩道 以上的 測溫電路 ， 以測量兩個不同部位的 溫差 T=T2 T1。 體溫探頭 （ 傳感器 ）可采用體表探頭和體腔探頭 ， 分別用來監(jiān)護體表和腔內(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 2分鐘 。 二、 多生理參數(shù)床邊監(jiān)護儀的設(shè)計 多參數(shù)監(jiān)護儀能自動測量心電、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)護儀還應(yīng)具備波形顯示、操作便利等特點，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)的功能模塊可以擴充，既可以單獨使用，也可通過通信接口與中央監(jiān)護控制臺聯(lián)機。 模塊化多生理參數(shù)床邊監(jiān)護儀的組成原理框圖 （一） 主控模塊 主控模塊采用了 嵌入式工控卡設(shè)計 ，它具有工控機的主要優(yōu)點，能經(jīng)受惡劣環(huán)境的考驗，而且采用開放式總線結(jié)構(gòu)，體積緊湊，擴展方便。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機的軟件資源 ，便于編制和實現(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。它具有與 PC/AT兼容的總線 ISA、PC104接口，能通過無源底板與外設(shè)相接，包括與TFT顯示器連接，實現(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。 主控模塊 是現(xiàn)代監(jiān)護儀的核心部分。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)字信號進行分析和存儲 ,控制輸出同時協(xié)調(diào)、檢測整機各部分的工作?？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。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進行阻抗匹配、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、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（單片機）接收來自工控卡的控制信息、執(zhí)行程序 , 對數(shù)字信號進行運算、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（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)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 ） 。 1 COMMAND (MASTER TO MODULE )：單字節(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 4 5mmHg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)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)護儀還可按需要加接不同的測量模塊以擴展其功能，同時還可利用計算機的計算和處理能力，獲得二次間接測量的生理和生化指標(biāo)，實現(xiàn)多參數(shù)、多功能、自動化等任務(wù)。 監(jiān)護儀還可通過網(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 BC3 l編寫 ， 部分子程序用 8086匯編寫成 ，共包含十多個子模塊 ， 程序經(jīng)編譯和三個中英文字符庫連接后 ， 能