单片机多生理参数监护仪的设计（终稿).doc

毕业设计说明书题 目： 学 院： 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 目 录中文摘要1abstract2第一章 绪论11.1 各生信号的意义11.1.1 心电图11.1.2 血压21.1.3 脉率31.1.4 脉搏血氧饱和度41.2 生理参数监护技术的发展51.2.1 心电监护仪器的发展51.2.2 无创血压测量技术的发展51.2.3 脉搏血氧饱和度测量技术的发展71.2.4 多生理信号监护仪的发展81.3 本课题的设计内容及意义9第二章 生理参数检测电路102.1 心电信号检测102.2 血压信号检测122.3 脉搏血氧信号检测152.3.1 脉搏so2测量的基本原理152.3.2 脉搏血氧信号检测电路192.4 基于adc84的高分辨率检测电路242.4.1 过采样技术提高系统信噪比252.4.2 量化噪声成形技术提高系统信噪比252.4.3 数字抽取滤波26第三章 四生理参数的处理283.1 平滑滤波在心电模块中的应用283.2 数学形态滤波在血压模块中的应用283.2.1 数学形态滤波的原理、定义及作用293.2.2 数学形态滤波算法的应用303.3 血压模块中的测定算法303.3.1 平均压的确定算法303.3.2 收缩压和舒张压的确定算法323.3.3 脉率的计算34第四章 系统硬件设计354.1 系统总体设计354.2 系统硬件设计364.2.1 核心微处理器adc84364.2.2 液晶lcd模块374.2.3 按键404.2.4 单片机接口41第五章 系统软件设计425.1 系统软件整体结构425.2 硬件程序驱动程序435.2.1 液晶lcd驱动程序435.2.2 按键驱动程序445.3 主控模块及功能模块445.3.1 主控程序445.3.2 脉搏血氧模块程序设计445.3.3 心电采集模块465.3.4 主控模块与血压测量模块的i2c通讯46第六章 课题总结与展望50致谢51参考文献52英文技术资料及中文翻译532摘 要心电、血压、脉搏和血氧等生理参数是人体最重要、最基本的生命指征。对这些参数的监测有助于医务工作者在野外、家庭急救及监护中对有生命危险的伤病员进行及时有效的救治，因此在临床中具有广泛的需求。现有的监测仪器多数体积较大，智能化程度不高，难以应用在野外及家庭等急救场合。本文应用最新的电子技术特别是最新的单片机技术的，设计出一种智能化、便携式、低功耗的四生理参数监护仪。该监护仪可以在临时急救场合实时、连续、长时间地监测病人心电、血压、脉搏、血氧等生理参数。为了准确检测出生理信号，本文结合以往生理信号采集电路的经验，针对心电、血压、脉搏血氧信号各自的特点，分别设计了生理信号检测模块：在心电模块中采用了具有共模驱动的新型前置放大电路；在血压模块中采用了测振法；在血氧模块中采用了光电容积脉搏波描记法(ppg)。所有的监测模块都是基于adc84系列单片机的24位a/dc，保证了采样的精度和可靠性。在临时急救场合，外部环境和噪声以及伤病员的无意识活动对信号值的计算非常不利。因此，在血压模块中，本文首次采用数学形态滤波的方法去除信号中的袖带压力和高频干扰；在脉搏血氧模块中，首次采用基于“动态光谱”的算法，消除个体差异和测量条件对检测光谱的影响；在心电模块中，采用了平滑滤波去除工频干扰。实验结果验证了以上信号处理方法的有效性。另外，针对血压模块中平均压、收缩压和舒张压的计算，本文采用了抛物线测定法和归一化比例判据。并采用累加平均法计算脉率，结果准确、有效，降低了随机情况带来的误差。本系统整体采用模块化的设计方式，分工明确，结构清晰，易于日后的修改、优化和维护。本文采用adc84系列单片机作为信号采集模块和主控模块的核心微处理器，其片内集成有高精度的-型a/dc和强大的模拟部分，并具有先进的片内数字外设，使得整个系统功能强大、结构简单、功耗低、抗干扰能力强。关键词：-型a/dc 测振法 光电容积脉搏波描记法 数学形态滤波 模块化abstract the electrocardiogram(ecg)、blood pressure(bp)、sphygmus and blood oxygen saturation(s02)are the most fundamental bioindicators of human beingsits helpful for doctors to measure these biology signals in the firstaid outside the hospitalhowever,most of the existing monitor systems are inconvenient to be carried and controlledtherefore，an intelligentized，portable，low dissipation multiparameters monitor system is presented in this paperbased on the experience of biology signal acquisition circuit，this system is designed according to the respective characteristics of ecg、bp and s02 signalsthe system has three modules：pre-amplifier based on common mode driving technique is applied in ecg module；the oscillometric method is used in bp module；photo plethysmo graphy(ppg) is applied in s02 moduleall the modules are based on adc84which has 24-bits -a/dcsince the signal detected are vulnerable to the environment noise and patients movement，several signal processing methods are employed this paper：morphology operators is used for the first time to remove the power line interference and baseline excursion in bp module；the dynamic spectroscopy is applied firstly to remove the influence of individual discrepancy and measuring condition in the s02 module；the smoothness method is used to remove power line interference in ecg acquisitionthe results ofexperiments verify the validity of these methodsmoreover，we applied two new methods in bp module：parabola mensuration and unitary proportion criterionand accumulative average method is used to calculate the pulsation，to reduce the stochastic errordesigned on modularization technique,the system is divided into several modules with specific function and clear frame，facilitating its modification，optimization and maintenance in the futureadc84 as the core mcu of the system，its strong analog and digital function make the monitor simple but powerful，and reliablekey words:-a/dc，oscillometric method，photo plethysmo graphy,mathematical morphology,modularize第一章 绪 论1.1 各生理信号的意义心电、血压、脉率、血氧等是人体的基本生命指征，通过连续或间断地监测患者这些生理参数，医护人员能够及时、准确地判定患者的病症变化，以便及时采取有效的治疗方案和救治措施。这对于保证急症患者、重症患者、危重病人、手术患者的生命安全具有十分重要的作用，这类患者的重要生理参数的短时间不良变化都可能危及患者生命，一旦这些重要生理参数发生不良变化，往往表明患者己进入十分危急状态，需要紧急救助。为了及时发现问题，就需要对这类患者的这些参数进行监测。1.1.1 心电图心脏是人体的重要器官，是血液循环的动力装置，每时每刻按着一定的速率和节律跳动，它的状况好坏直接关系着人们的身体健康。心脏每次跳动之前，首先产生电激动，电激动始于窦房结，并沿心脏的特殊传导系统下传，先后兴奋心房和心室，使心脏收缩执行泵血功能。这种先后有序的电兴奋的传播，可经人体组织传到体表，产生一系列的电位改变，并被记录下来用于反应心脏活动，这就是心电图。图1-1 典型的心电图各波、段及间期的名称随着心脏的搏动，心电图上出现一组特征性的波形(p，qrs，t及u)，这些波形对应着心脏的基本电活动。图1-1所示是一个正常状况下的典型的完整心电波形。心电图的各个波、段和间期都有其特殊的生理意义，可作为临床分析心脏疾病的重要参考资料：1、p波，最早出现，幅度最小，是代表心房肌除极过程的电位变化。其起点表示窦房结的激动已到达心房，使心房开始除极；其重点表示两心房全部除极完毕。因窦房结的激动先传导到右心房，后传导到左心房，故p波的前半部代表右心房的激动，后半郝代表左心房的激动。2、p-r间期，是从p波起点到qrs波群起点的时间间隔，反映心房除极开始到心室除极开始的间隔时间，正常为o.12o.20秒，若p-r间期延长，则表示房室传导受阻。3、qrs综合波，是心电图中幅度最大的波群，反映心室除极的全过程，qrs综合波鲋形状以及激动在心室内传播的途径与束支的分布有关。由于心塞各部的肌肉厚度不一，故qrs综合波反映的是几个除极过程所产生的电位变化的综合情况，因此称为qrs综合波。其持续时间的正常值约为o.06o.16秒。4、s-t段指qrs综合波终点到t波起点的一段，表示心室除极结束至复极开始的一段时间。正常人s-t段光滑，凹面向上，在心率缓慢时，s-t段呈水平直线，但大多数情况s-t段与t波相连不易分开。5、t波，qrs综合波后向上或向下的一个圆钝波，代表心室肌复极时的电位变化。复极的电位一般比除极电位低，因此复极过程慢，所占时间也比较长。6、q-t间期，qrs综合波起点到t波终点，是心室开始除极到复极全部完成所需的时间，正常值为o.320.44秒。7、u波，在t波之后约o.020.04s出现，一般较宽而低。危、急重病人ecg监测，是对心脏节律监测最有效的手段。通过监测，可发现心脏节律异常，各种心律紊乱，如房性、室性旱搏，心肌供血情况、电解质紊乱等。1.1.2 血压血压是反映人体循环系统机能的重要生理参数脚，心脏的泵血功能、心律、周围血管的阻力和大动脉的弹性、全身的血容量及血液的物理状态等因素都反映在血压的指标中。血压是指血液在血管内流动时，对血管壁产生的单位面积侧压。由于血管分动脉、毛细血管和静脉，所以，也就有动脉血压、毛细血管压和静脉压。通常说的血压是指动脉血压，一般指主动脉压，通常测上臂的肱动脉压以代表主动脉压。在心脏的每一次收缩与舒张过程中，血流对血管壁的压力电随之变化，分别以收缩压和舒张压表示。当心室收缩向动脉泵血时，血压升高，其最高值为收缩压。心室舒张时，血压降低，其最低值为舒张压。正常人在运动和情绪激动时血压会有一定限度的升高。一般来讲收缩压高低主要与心输出量多少有关，运动时心输出量增加，收缩压升高。舒张压则主要与血流阻力，特别与小动脉口径有关。如果小动脉收缩，口径缩小，血流阻力就加大，则舒张压升高。正常情况下成人的收缩压为90130mmhg，舒张压为6090mmhg，脉压差为3040mmhg，平均压为舒张压+1/3(收缩压一舒张压)：血压过低或过高都是疾病的征象。循环系统内足够的血液充盈和心脏射血是形成动脉血压的基本因素。动脉系统的外周阻力，也是形成动脉血压的基本因素。左心室每次收缩所射出的血液，由于有外周阻力和大动脉管壁较大的可扩张性在心缩期内大约只有l/3流至动脉系统以后的部分，其余约2/3被暂时贮存在主动脉和大动脉内，使主动脉和大动脉进一步扩张。这样，心室收缩时释放的能量有一部分以势弹性势能形式贮存在主动脉管壁中。心室舒张时，被扩张的弹性贮器血管管壁发生弹性回缩，推动血液继续向前推进，同时也使主动脉压在心舒期仍能维持较高的水平，可见，由于血管的弹性贮器作用，使左心室的间断射血变为动脉内的连续血流，而且还使每个心动周期中动脉血压的变动幅度远小于左心室内压的变动幅度。影响动脉血压的因素：(1)心脏每搏输出量：每搏输出量增大、收缩期动脉血压越高。在一般情况下，收缩压的高低主要反映心脏每搏输出量的多少。(2)心率：如果心率加快，每搏输出量和外周阻力都不变，脉压减小。相反，心率减慢时，脉压增大。(3)外周阻力：在一般情况下，舒张压的高低主要反映外周阻力的大小。如果心输出量不变而外周阻力变大，舒张压开高。反之，舒张压降低。(4)主动脉和大动脉的弹性贮器作用：大动脉的弹性贮器作用减弱，脉压增大。(5)循环血量和血管系统容量的比例：循环血量和血管系统容量相适应，才能使血管系统足够地充盈，产生一定的体循环平均充盈压。动脉血压是估计心血管功能的最常用方法，与心排除量和外周血管阻力有直接关系，及时和准确的监测动脉血压，对于了解病情、指导心血管疾病的治疗和保障危重病人的安全具有重要的意义。1.1.3 脉率脉率为每分钟心脏有效搏动产生脉搏的次数。正常情况下，由于心脏的跳动使全身各处动脉管壁产生有节律的博动，这种搏动被称为脉搏。正常脉搏次数与心跳次数相一致，而且节律均匀、间隔相等。脉搏的次数了般随年龄的增长而减慢，婴儿每分钟可达130150次，儿童为110120次，成人为60100次，老年入可慢至5575次。正常人在运动后、饭后、饮酒后、精神紧张及兴奋时均可使脉搏呈一时性增快，但很快可恢复正常水后、饮酒后、精神紧张及兴奋时均可使脉搏呈一时性增快。但很快可恢复正常水平。长期进行体育锻炼的人或运动员的脉搏教一般人要慢。此外，白天人们进行各种活动，使血液循环加快，故脉搏快些；夜间睡眠时，血液循环减慢，故脉搏慢些。脉搏异常有以下几种表现：（1）脉率增快：成人脉率在100次/分钟以上。常见于发热、贫血、冠心病、甲状腺功能亢进症等。（2）脉率减慢：成人脉搏在60次/分钟以下。常见于房室传导阻滞、颅内压增高等。（3）脉率不整：即脉搏快慢不一。多见于心脏疾病（如心房纤颤等）。（4）脉微欲绝：即脉搏十分微弱。见大出血、病情危重时。（5）交替脉：为一种节律正常而交替出现的一强一弱的脉搏，这是心脏的收缩按一强一弱交替出现的结果。它的出现常表示有心肌损害，可见于高血压性心脏病和冠状动脉硬化性心脏病。此外，高热患者体温每升高1，脉搏可增加10次左右。如体温很高，脉搏却不快或增快很少，当注意检查是否患了伤寒病。一般情况下，脉率与心率一致，但在前期收缩、心房纤维颤动时。有时由于心搏排出量过少，使周围血管不能出现脉搏，则脉率少于心率，称为脉搏短绌（绌脉）。因此，对有心律失常的病人在检查脉搏时，应同时计数一分钟心率以作对照。1.1.4 脉搏血氧饱和度脉搏血氧饱和度是评估人体氧气供给状况的重要指标。氧是人体进行新陈代谢的关键物质，是正常生命活动中不可或缺的重要物质。因此氧气的供给缺乏是对人体的一种劣性刺激，直接影响到正常的新陈代谢，最终会导致机体的心、脑等主要器官氧气供能不足而死亡。缺氧是许多疾病所共有的一个基本病理过程，例如休克、呼吸功能不全、心功能不全、贫血等，都可以引起缺氧。轻度的缺氧会产生头疼头晕、心悸心慌等心脑疲劳不适，如果缺氧症状不能及时消除，将会引起器官功能退化，使健康受到威胁。缺氧对机体损害的严重性，不完全决定于缺氧程度，更主要的是决定于缺氧的速度和持续时间。另外，组织供氧程度，决定于血液中的氧含量和供给组织的血流量。设计证明，脉搏血氧饱和度(oxyhemoglobin saturation by pulse oximetry，sp02)直接反映血液中血氧浓度，可用于监控人体氧供应状态。血液中的氧是通过与还原血红蛋白(hb)结合后形成氧合血红蛋白(hbo2)而被输送到全身组织中。血氧饱和度表示血液中氧合血红蛋白的比例，即hb02/(hb02+hb)，监测血氧饱和度，为早期发现病人有无低氧血症提供了有价值的信息。一般认为sp02值正常应不低于94，在94以下为供氧不足，有学者将sp0290定为低氧血症的标准。sp02是呼吸循环的重要生理参数。许多呼吸系统的疾病会引起人体血液中血氧浓度的减少，严重的会威胁人的生命，因此在临床救护中，对危重病人的血氧浓度监测是不可缺少的。1.2 生理参数监护技术的发展1.2.1 心电监护仪器的发展在18世纪，人们己经认识到人体由于肌肉收缩会产生电现象，而最早能够记录下心电信号的是在19世纪。1887年，waller用lippman所制作的毛细管静电计记录到了体表心电图。而在1903年，einthoven开创了心电信号记录的新纪元。他将弦线电流计用于心电的采集，得到了灵敏度高、有足够高的频晌，真实的心电波形，获得了很好的效果。他的方法沿用至今。到现在心电监测仪器已经过了一百多年的发展历程，其技术逐渐地趋于完善。二十世纪30年代，弦线式心电图仪才逐渐被电子管和晶体管放大式心电图机所代替，但后者均比较笨重，故障率高，很快被淘汰。自从二十世纪六十年代初期以来，已经进行了靠计算机来完成心电图波形的测量以及随后的分析处理的设计。80年代初美国marquette公司首先推出数字化心电图仪，从此心电图进入了数字化、自动化、网络化管理的新时代。心电监护是指对被监护者进行持续或间断的心电监测，及时了解病人的心脏状况，以便在发生严重的心脏异常情况时，及时采取有效的治疗或急救措施，它是心脏监护的重点，已广泛应用到临床。心电监护仪器主要用于测量心电数据，显示及记录并对超出设定范围的参数提出警示。目前现有的心电监护系统有的不是实时监护，有可能造成治疗的延误；有的虽然是实时但体积较大，不易操作，只能采用市电供电，且病人不能移动，因此，仅适用于医院内，不适用于野外、家庭等急救场合。1.2.2 无创血压测量技术的发展血压的检测分为无创血压检测和有创血压检测。有创法测量值准确，并能跟踪动脉血压的瞬时变化，但测量时必须经皮将导管放入血管内，一般限于危重病人或开腔手术病人。无创法与有创法相比测量精度较低，但简便无创，是临床上普遍采用的血压测量方法。自1862年生理学家w.harrey创立了循环理论之后的几百年来，人们一直在寻找一种既方便可行又准确可靠的血压测量方法，但迄今为止，各种方法各有缺陷，均不尽人意。1773年英国牧师s.hales就在马身上测到了血压，而人体动脉血压的直接测量是从1856年才被临床接受。人体血压的无创测量始于1875年，到1896年riva-rocci发明了气袖式血压计和1905年korotkof证明了柯氏音，奠定了柯氏音听诊测量方法之后，无创血压测量才在临床上得到了广泛的接受和应用。在柯氏音法的应用历史过程中，人们很早就发现血压测量时气袖中的压力除随放气而下降外还存在一个震荡，我们现在称其为脉搏波，这个震荡的幅度有一定的规律性。1890年roy并adami提出这个震荡开始时对应的气袖压力是收缩压，当震荡达到最大时对应的气袖压力是舒张压。1897年hill和bamard提出当震荡幅度达到最大时，对应的气袖压力是平均压。1903年erlanger为气袖放气过程中震荡振幅突然增加时的气袖压力对应的是收缩压，而振幅最大后的最低点则对应了舒张压。1969年posey和1977年geddes通过测振法和直接法的对照，证实当脉搏波振幅达到最大时，气袖压力与动脉平均压密切相关，这一结论通过动物实验得出，认为最大振动波所对应的动脉外最小阻断压力可反映动脉平均压。这一结论己从对测量物理过程的分析及与有创方法的对比试验中都得到了证实。目前，人体血压的无创测量方法常用的有：人工柯氏音法、电子柯氏音法和测振法。人工柯氏音法通过袖带加压和听脉搏音来测量血压，优点是测量简单，缺点是不同的人可能测出不同的结果，有时差别较大，误差主要由不同医生的听力、分辨力、反应时间不同，放气速度不同造成的，而且外界的其他声音振动也会造成医生判断失误，当病人动脉血流声音频率低于人听阈时，无法测量。电子柯氏音是在7080年代发展起来的一种电予测量血压的方法，基本原理是把柯氏音法用电子技术完成：也就是袖带加气、放气由气泵完成，听脉搏音用电子拾音器完成，判断方法与人工几乎相同。其优点是一致性比较好，不存在不同医生间的差异。缺点仍然是易受外界声音的干扰，而且不同人脉搏的强弱也造成测量结果的误差。电子测振法是90年代发展起来的比较先进的血压测量方法。其基本原理是测量放气过程中的脉搏波动，经过计算机对波幅进行分析，计算出平均压、收缩压、舒张压和脉率等参数。其主要优点是：1.测振法是无创血压测量中唯一能测量动脉平均压的方法；2.测振法不受外界噪音的影响，可以在较嘈杂的环境中使用；3.儿童和严重低血压患者，动脉血流声音低，也可由测振法测量。其缺点是人振动袖带和气管时及人运动时，会影响测量值：低压测量受放气速度的影响。由于测振法不依赖于柯氏音，抗干扰能力相对较强，脉搏波频率较低，适于计算机处理，能较可靠的测出血压，而且集成微处理器和集成压力传感器技术发展越来越快，因此目前被广泛应用。1.2.3 脉搏血氧饱和度测量技术的发展氧饱和度的钡4量通常分为血气分析法和光电测量法两类。血气分析法，就是采得人体动脉血样，利用血气分析仪测定。血气分析仪测量精度相当高，但价格通常十分昂贵，分析所用时间比较长，而且血样获得需要动脉穿刺或插管，给患者带来痛苦，不宜用于临床使用。光电测量法，就是利用动脉氧饱和度不同透光性的差异来测量动脉氧含量，从而实现对氧饱和度的无创、连续、动态监测，其成本相对要的低得多。光电测量法测量，在病人处于危险状态时，其优势更明显。脉搏血氧测量仪是一种不需要穿透血管的情况下，连续测量人体内动脉血氧饱和度的光电测量仪器。脉搏血氧饱和度测量仪的发展己有很长的历史。基于lambertbeer定律的血氧饱和度测量的研制可以追溯到十九世纪。lambert-beer定律描述了光的传播与光密度的关系。bunsen和kirchhoff于1860年改进分光光度计和随后不久stokes和hoppe.seyler对血色素的氧气运输功能的阐述，为血氧饱和度测量的发展铺平了道路。1932年，nicolai和kramer这两位科学家研制接近于现今使用的脉搏血氧饱和度测量仪。1935年，matthes研制了第一个双波长的耳部血氧测量探头。这种设备可以实现脉搏血氧饱和度的测量。但这种设备测量缓慢，需要频繁地校准，需要大量的辅助设备，并且不能有效的区分动脉和静脉血流。这种早期设备采用红光和绿光作为光源，改进后改用红光和红外光，提高了该设备的测量精确度。采用红光和红外光作为光源是我们现在实现脉搏血氧饱和度测量的基础。1942年，millikan使用一个加温的耳部探头的脉搏血氧饱和度测量仪对飞行员在大的重力条件下发生短时丧失知觉的现象进行设计。millikan将脉搏血氧饱和度测量仪装备在飞机上。1949年，wood重新设计了脉搏血氧仪，给它加了一个气囊，气囊的作用是将耳部的血液挤走以获得绝对零点来改进血氧饱和度测量的准确性。当气囊放气时，血液重新灌注到测量点，这样可以得到一个零点和一个峰值，进而计算出血氧饱和度的值。这种设备由于光源稳定要求较高，没有应用于临床实践中。wood采用的这种无损伤检测血氧饱和度的方法在50年代成为一种最佳的方法，如water01100a型血氧计，血氧饱和度测量范围60-100时，精度超过土2.98。这种方法采用两种波长，对红外光和红光的吸收进行测量,要求满足两个条件：“无血条件”，即施加约200mmhg的压力把血从耳垂部挤走；正常的血流，即用透照光使耳垂动脉化。然而elam和coworker在经过对受压耳朵的透射光设计后指出，即使加上200mmhg的压力，在耳轮里仍然保留着一些血。另外，色素的消光系数在整体血里随着血细胞数目而变化；在血细胞数目较低的情况下，消光系数和浓度之间的关系曲线变得非线性，以致使用此方法产生的无血组织的光吸收与实际充血组织的光吸收量是不一样的。也就是说，此法不能取消组织本身(如肌肉、骨骼、皮肤等)的影响。再者，由于每个人的组织成分不同，因此每次测量都需繁琐地调整。1964年，shaw设计了一种八波长的自身调整的耳部血氧计。如hp47201a型耳部血氧计。它的优点是避免了上述繁琐的调整技术，从650nm到1050nm的八个光波，提供了一些有关耳朵组织内大量吸收物质的一些数据。在60以上的血氧饱和度范围内与动脉血样测量的血氧饱和度进行比较后，相关甚好。尽管该仪器实用、准确且宜于调整，但是设备由于价格昂贵和体积较大，且其耳夹结构复杂，长期戴着不舒适，而且易损坏，只在从事心肺功能设计的实验室里得到了应用。1972年，日本人aoyagi对传统的脉搏血氧饱和度测量仪进行了重大的改进，他采用红光和红外光穿过测量部位中脉动的动脉血管，通过这种方式可直接计算出脉搏血氧饱和度值而不需要繁琐地校准。1981年，这种技术投入到商业应用中，同时采用发光二极管使血氧探头体积减小，脉搏血氧饱和度测量仪从此得到了广泛的应用。我国从九十年代初期引进该仪器，现已广泛应用于临床。1.2.4 多生理信号监护仪的发展自从20世纪60年代生理监护系统作为一种重要医用电子仪器河世后，就以其在手术监护和危重病人监护方面所起到的独特角色受到普遍重视。世界各太医疗仪器的生产厂家竟相投入大量的人力、物力进行监护系统的开发、生产和销售，促进了监护系统的发展和普及。随着生物医学测量与传感技术、通信技术和计算机技术的超高速发展，监护系统的整体性能得到了很大提高，功能日益完善，操作愈加方便。从个体到群众，从床边监护到集中监护，从卧床病人的监护到可行走病人的监护，从病人监护到正常人的保健，从单生理参数监护到多生命指征(包括生理和生化等指标)的监护，从特殊病房过渡到普通病房的监护，从医院内监护到医院外(包括面向社区、家庭和个人)的监护等，监护方式在逐年演进中。随着电子技术的发展，监护仪器逐步向多参数、智能化、微型化、便携式方向发展，单片机以其体积小、功能强、功耗低的特点在便携式仪器中应用广泛。1983年美国csi监护仪公司(criticare systems，inc)发明了世界第一台便携式电池型血氧监护仪，其后监护领域产生了多种产品，如生命体征监护仪、麻醉气体监护仪、血压血氧监护、多参数监护仪等。目前，在监护仪的研制生产中占主要地位的是以美国、德国为主的发达国家，相对而言国内的监护系统的科研、生产与国际先进水平相比还存在一定的差距，产品还不能满足日益增长的市场需要。目前国内生产的监护设备大部分是床旁监护仪，体积大，操作复杂，只能在医院内床旁监护，不能移动：有些新产品虽然体积较小，可便携使用，但需市电供电，不能在野外等环境中使用。专门应用于野外等急救场所的多参数便携式监护仪器在国内还没有生产，此项空缺有待填补。1.3 本课题的设计内容及意义本课题针对以上需求，旨在设计并设计出一种功能强大、价格低廉的应用于担架的便携式多生理参数监护仪，是具有很现实的意义的。作为完整的监护仪，本课题要实现的功能主要有：模块化设计实时监测和显示心电信号无创测量平均压、收缩压、舒张压、脉率实时显示脉搏波，计算血氧饱和度本课题要设计的内容主要围绕要实现的各种功能，以设计出一台完整的四生理参数监护仪。对于一台监护仪，首先要设计的就是信号采集电路，本文在第二章中分别介绍了对心电、血压、脉搏血氧信号进行检测的方法；由于采集进来的信号通常伴随有很强的工频干扰、基线漂移等，需要经过处理和计算才能得出最终结果，第三章中介绍了设计中应用到的几种数字信号处理方法：平滑滤波、数学形态滤波、抛物线测定法等；第四章和第五章分别为该多参数生理监护仪的硬件设计和软件设计。心电、血压、脉率、血氧饱和度等是人体最重要、最基本的生命指征。在野外、家庭急救及监护中对伤病人进行生命指征的监测是帮助医务工作者及时了解病人情况的重要手段，因此便携式多参数监护仪具有很重要的临床使用参考价值，并可便携移动、车载使用，大大提高了使用率，为监护病人和抢救病人提供了第一手临床信息资料和多样的生命特征参数。同时进行血压、心电、spo2监测的意义在于：正常心电图提示患者心肌电生理状态正常，只要没有严重的心律失常，就不会因心肌电生理紊乱而影响心排血量。动脉压过高多因外周小动脉异常收缩，使血流进入微循环的量减少：而动脉压过低多因有效循环量不足或心排血量下降引起，因灌注压下降，血流进入微循环的量也会减少。微循环量下降直接影响o2和co2以及营养物质和代谢产物的交换，严重时可造成组织缺氧和组织酸中毒。动脉压正常至少可以提示外周组织有足够的灌注压。spo2测定值正常说明动脉血中的血红蛋白己获得良好的氧合，脉搏容积波形正常提示测定部位组织中的小动脉张力正常。当前现有监护仪器主要广泛的应用于各级医院，国内还没有生产专门用于野外条件伤病员抢救中的监护仪器。四生理参数监护仪正是面向军队和紧急救助而设计的。体积较小，携带方便，测量快速，便于在紧急情况下抢救伤病员。而且成本较低，性能价格比较高。因而根据紧急使用的需要，多生理参数监护仪不论在功能和价格等方面都将使用户满意，得到推广应用。第2章 生理参数检测电路生理信号的特点是信号微弱、随机性强、频率低、噪声和干扰背景强、动态变化和个体差异大，因此若要把掺杂在噪声背景中的有用信号检测出来，则对生理信号的检测电路提出了特殊的要求。本课题中信号采集分为三个模块，并且都应用了adi公司的超高精度数据采集处理系统，下面将分别进行介绍。2.1 心电信号检测心电信号是一种十分微弱的体表电信号，幅值约为o.5mv4mv，频率在0.05hz250hz的范围内，源阻抗为几十k至几百k。在心电信号检测中存在的噪声主要是：极化电压、50hz工频和肌电干扰等，因此心电监测的前置放大器应该满足高增益、高输入阻抗(2以上)、高共模抑制比(60db以上)、低噪声(10vpp以下)、低漂移、合适的通频带宽度和动态范围等一系列基本要求。极化电压是由于测量电极与人体皮肤表面接触形成的半电池而产生的直流电压，其幅值约为几毫伏至几百毫伏不等，国家标准中规定极化电压最大为300mv，远远大于心电信号。在测量过程中，这个电压也是缓慢变化的，表现为很低频的噪声信号。因此在通常情况下前级增益不能过大以免饱和，或者需要采用超低频的交流放大器。然而，绝大多数的集成化仪器放大器，它们的共模抑制比与增益相关：增益越高，共模抑制比越大。由于极化电压的存在，前置放大器的增益只能在几十倍以内，这就使得集成化仪器放大器作为前置放大器时的共模抑制比不可能很高。另外，对于多级放大器，设各级噪声系数为nf1、nf2、nf3，额定功率增益为k1、k2、k3，依弗里斯公式，则总噪声系数为：（2-1）因此低噪设计的关键在第一级放大，而实现这一目标的唯一办法是在最大限度降低第一级放大固有噪声的同时提高第一级放大的增益。换而言之，第一级放大的固有噪声决定了整机的有用增益。由此也可看出，提高前置放大器的增益更能进一步降低系统噪声。因此就要设计出一种前置放大电路来解决增益和极化电压之间的矛盾。消除极化电压最常用的方法就是使用隔直电容(高通滤波器，行业内称为时间常数电路)，国家标准要求时间常数不小于3.2s。这时当放大器的输入端受到瞬闻大脉冲的干扰或导联切换时，放大器很容易会出现堵塞现象，这使得放大器需要很长时间才能使基线恢复到正常位置。实际上，这种现象也会发生在刚开始测量时，放大器的基线需要很长时间才能回到基线位置。目前很多学者设计出了能消除极化电压的放大器，本课题使用的电路由下面具有共模驱动的新型心电放大器改进而来。李刚教授经过多年的研究，设计出了一种新型的高性能生物电前置放大器。该电路采用ti公司的低价仪表放大器和运算放大器构成，电路结构简单，成本低廉，不需调试，性