（检测技术与自动化装置专业论文）多通道医学生理信号无线遥测监护仪设计及应用.pdf

摘要 多通道医学生理信号无线遥测监护仪设计及应用 专业：检测技术与自动化装置 硕士生：曾昭栋 指导老师：杨智教授 摘要 医疗监护仪已经成为医护人员诊断、治疗和抢救病人不可或缺的的重要设备。 但传统床边有线监护仪在实际使用中存在着体积大、使用不便的局限性，已经越 来越不能适应当今多元化、无线化、个性化的医疗监护需求。本文针对传统监护 仪的不足以及呼吸疾病的无线遥测监护需求，设计了一种低成本的基于无线数据 传输技术的多通道医学生理信号无线遥测监护仪。该遥测监护仪的用户端可由呼 吸疾病病患随身佩带，并同时采集病患身上生理信号传感器输出的5 路膈肌肌电 信号( e m g d i ) 和2 路呼吸压力信号，远端( 1 0 0 米范围内) 中心监护室的医护人 员能够在不接触病人的情况下，实现对活动状态下病人多路医学生理参数的实时 遥测监护。该无线遥测监护仪分为数据采集发送端( 用户端) 、数据接收端和p c 主机三部分。数据采集发送端( 用户端) 实现对多路医学生理信号进行高精度数 据采集并实时无失真把生理信号通过无线数据传输方式传送到远端监护室；监护 室内的数据接收端接收到无线数据后通过高速的u s b 接口把数据传送到p c 主机； p c 主机用虚拟仪器开发平台l a b v i e w 编写了监护软件，可实现生理数据的实时 显示与存储，离线的波形回放、分析与处理。该无线遥测监护仪已经在广州呼吸 疾病研究所得到了临床测试与应用，得到了医生和用户的肯定，使呼吸疾病的无 线遥测监护成为了可能。 关键词：监护仪，无线遥测，医学生理信号，无线数据传输技术，l a b v i e w ，u s b a b s t r a c t d e s i g na n da p p l i c a t i o no f am u l t i - c h a n n e lp h y s i o l o g i c a l s i g n a l sw i r e l e s st e l e m e t r ym o n i t o r m a j o r ：t e s tt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o ne q u i p m e n t n a m e ：z e n gz h a o d o n g s u p e r v i s o r ：p r o f y a n gz h i a b s t r a c t m e d i c a lm o n i t o r sb e c o m et h ev i t a le q u i p m e n t sf o rm e d i ct od i a g n o s e ，t r e a ta n d s a v ep a t i e n t s b u tt r a d i t i o n a lw i r e db e d s i d em o n i t o r sh a v es o m el i m i t a t i o n sl i k eb i g v o l u m e ，h a r dt ou s ea n ds oo n s ot h e ya r el e s sa n dl e s ss u i t a b l ef o rc u r r e n tm e d i c a l m o n i t o r i n gr e q u i r e m e n t so fd i v e r s i t y , w i r e l e s sa n di n d i v i d u a l i t y a i m sa td r a w b a c k so f t r a d i t i o n a lm o n i t o r sa n dw i r e l e s st e l e m e t r ym o n i t o r i n g r e q u i r e m e n t so nr e s p i r a t i o n d i s e a s e ，al o w c o s tm u l t i - c h a n n e lp h y s i o l o g i c a ls i g n a l sw i r e l e s st e l e m e t r ym o n i t o r b a s e do nw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ni sd e s i g n e d t h eu s e ru n i to ft m st e l e m e t r ym o n i t o r c a nb ew o r nb y r e s p i r a t i o nd i s e a s ep a t i e n t sa n da c q u i r eb o d ys e n s o r s o u t p u t p h y s i o l o g i c a ls i g n a l s ：5 - c h a n n e le l e c t r o m y o g r a p h y ( e m g d i ) a n dt w or e s p i r a t o r y p r e s s u r es i g n a l s t h em e d i c a lp e r s o n n e li nc e n t r a lm o n i t o r i n gs t a t i o n10 0m e t e r sa w a y c a nr e a l - t i m em o n i t o rm u l t i - - c h a n n e lp h y s i o l o g i c a ls i g n a l so fp a t i e n t sa ta c t i v es t a g e w i t h o u tc o n t a c t i n gw i t ht h e mi ns h o r tr a n g e t h ew i r e l e s st e l e m e t r ym o n i t o ri s c o m p o s e do ft h r e ep a r t s ，i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i t i o nt e r m i n a l ( u s e ru n i t ) ， d a t ar e c e i v e ra n dp ch o s t t h eu s e ru n i tc a na c q u i r em u l t i - c h a n n e lh i g h - r e s o l u t i o n p h y s i o l o g i c a ls i g n a l sa n dt r a n s m i tt h e s es i g n a l st o r e m o t em o n i t o r i n gs t m i o nu s i n g r e a l t i m ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y d a t ar e c e i v e ri nt h em o n i t o r i n gs t a t i o n r e c e i v e st h ew i r e l e s sd a t aa n ds e n d st op ch o s tu s i n gh i g hs p e e du s bi n t e r f a c e p ch o s t m o n i t o r i n gs o f t w a r ei sp r o g r a m m e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o p m e n tp l a t f o r m l a b v i e w i ti m p l e m e n t sp h y s i o l o g i c a ld a t ar e a l - t i m ed i s p l a y i n ga n ds t o r i n g ，o f f - l i n e w a v e f o r mp a l y b a c k ，a n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n g t h em o n i t o rh a sb e e nc l i n i c a l l yt e s t e d a n da p p l i e da tg u a n g z h o ui n s t i t u t eo fr e s p i r a t o r yd i s e a s ea n dg o tg o o de v a l u a t i o n i t m a k e sp o s s i b l et or e a l i z et h ew i r e l e s st e l e m e t r ym o n i t o r i n go fr e s p i r a t o r yd i s e a s e k e yw o r d s ：m o n i t o r , w i r e l e s st e l e m e t r y , p h y s i o l o g i c a ls i g n a l s ，w i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , l a b v i e w ：u s b i l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：曾昭栎 日期：2 0 q 8 年歹月8 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：曾嵋栋 日期：沙0 3 年歹月8 日 导师签名：抑钨 日期：五力g 年r 月翟日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景与研究意义 监护仪是医院不可缺少的重要设备，它实时、连续、长时间地监测病人的重 要医学生理参数，并将获得的数据传送给医护人员，以供医护人员进行分析，使 得医护人员能够对病人当前的状态做出正确判断，从而对病人做出正确地处理。 医疗监护仪的出现，不仅减轻了医护人员的劳动量，提高了护理工作的效率，更 重要的是使医生能够随时了解病情，当出现危机情况时可及时进行处理，提高护 理质量，从而大大降低病人的死亡率，基于这些突出作用，医疗监护仪已经成为 医护人员诊断、治疗和抢救病人的重要设备1 。由于医疗技术的需要以及工程技术 实现的可能性，特别是传感技术、检测技术、信号处理技术、通信技术、遥测技 术及计算机技术的高速发展，用于病人监护的医学监护仪设备水平在飞速发展， 从而推动了医疗水平的不断进步。 现今监护仪主要分为床边监护仪、便携式监护仪以及遥测监护仪：床边监护 仪在医院最为普遍，它放置在病床边与病人连接起来对病人的多种生理参数或某 些状态( 如心电、呼吸、脉率、体温和血压等) 进行连续的监视。床边监护仪的 特点是信息量大，可同时监测多种生命特征参数，然而它体积庞大，功耗也较大， 一般只能用在监护病房内，不仅要求医护人员到监护病房内对病患进行接触式监 护，也限制了一般病人的正常活动。便携式监护仪结构简单，小型方便，可由交 流电或电池供电，一般用于非监护室及外出抢救病人的监护，但要求医护人员离 线读取分析有关测量数据或需在病患旁边对其进行监护，一般也不能由病患随身 佩带。无线遥测监护仪适合能走动的病人随身佩带，医护人员在距离病患几十米 到几百米远的监护室即可监测病人的生命体征参数。这种监护方式不仅方便了病 患和医护人员的使用，更能减少传染疾病发生的危险。从以上分析来看，上述床 边监护仪、便携式监护仪在实际应用中都有各自的局限性，尤其表现在在病患和 医护人员的使用便利性方面。传统的医疗监护仪已经越来越不能适应当今多元化、 无线化、个性化的医疗监护需求，因而面向各种不同需求的无线遥测监护仪的研 制、开发和应用已经开始成为监护仪的发展趋势。 广州呼吸疾病研究所正在进行呼吸肌电用于诊断呼吸疾病方面的研究，研究 认为呼吸肌电的监护及分析是诊断慢性阻塞性肺疾病及阻塞性睡眠呼吸暂停低通 气综合症等肺功能疾病的有效方式之一m 1 。而膈肌在呼吸过程中所起的作用约占呼 中山大学硕士学位论文 吸肌的6 0 8 0 ，是最主要的呼吸肌，膈肌疲劳或功能不全是造成和促使呼吸衰 竭的一个重要因素，了解膈肌功能对于那些累及呼吸系统的神经肌肉疾病的诊断、 重症监护室( i c u ) 患者的管理有重要的意义。膈肌肌电图( e l e c t r o m y o g r a p h yo f d i a p h r a g m ，e m g d i ) 反映了膈肌电生理活动和功能状态的主要指标，通过对e m g d i 信号的监视、处理与分析研究来监测人的呼吸活动，在理论及实际上都是最可靠 和准确的。 该研究所目前对呼吸疾病病患的膈肌肌电信号监护与分析主要是采用床边监 护的方式，即通过设置在床边的生理数据采集器采集病患身上的膈肌肌电信号并 通过线缆传输到p c 机上进行显示与分析。这种监护方式在实际操作上存在着不少 的弊端，主要有以下几点： ( 1 ) 要求医护人员必须与病患近距离接触，医护人员容易受到呼吸疾病患者的 传染。 ( 2 ) 由于监护仪体积大，并与病患通过有线连接，因而限制了普通病患的自由 活动，也无法实现对处于走动或运动状态下病患膈肌肌电信号变化的监护。 ( 3 ) 不能实现对睡眠呼吸疾病的实时监护。如果医护人员在病患身旁监护，会 一定程度上干扰到病患的睡眠，从而影响生理信号采集数据的准确性。 针对已有呼吸疾病有线监护的不足，该研究所要求设计出一种无线遥测监护 仪，该监护仪能被呼吸疾病病患随身佩带，并同时采集病患身上的多路膈肌肌电 信号、呼吸压力信号等医学生理信号，通过无线遥测的方式，远端( 1 0 0 米范围内) 中心监护室的医护人员能够在不接触病人的情况下，实现对病人多路医学生理参 数的实时监视以及离线的波形回放与分析处理。 研究多通道医学生理信号无线遥测监护仪的意义也是显而易见：首先，它使 得医护人员只需要在远端( 1 0 0 米范围内) 即可对病患进行实时监护，从而避免了 由于近距离监护传染疾病患者而被传染的可能。其次，对于能自由走动的病患， 可以随身佩带该监护仪，从而给病患的正常生活带来了便利。还有，它可实现对 处于运动状态下病患医学生理信号的遥测监护。此外，它还可用于睡眠呼吸疾病 的实时监护，且不影响病患的正常睡眠。最后，它能同时监测病患的多路膈肌肌 电信号，医护人员能选择较为满意的某路信号进行回放与分析处理，从而提高诊 断准确性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 监护仪的发展状况 自2 0 世纪7 0 年代开发和生产出单一功能的监护设备以来，监护系统得到了 2 第1 章绪论 临床广泛的应用。在欧美和日本等国家，由于研制和生产监护仪的时间较长，其 开发的各类监护仪水平较高，先进的监护产品主要来自美国的惠普公司和太空实 验室、日本的光电和福田以及德国的西门子公司等，这些产品具有技术先进、测 量准确、功能强大、抗干扰能力强、性能稳定和外形设计合理等优点。在国内， 医疗监护仪的生产厂家已有7 0 多个，不同类型、不同规格和型号的产品己达数百 种。与国际一流技术水平相比，我国医疗监护仪在特殊品种和在准确性、稳定性 及抗干扰性方面仍同国外的产品有较大差距，但在外壳设计和工艺、主要硬件结 构和功能指标方面，已经达到或接近国外先进产品水平。 随着科学技术的迅猛发展，特别是电子技术、通信技术与计算机技术的不断 进步，监护仪已由过去特殊病房监护发展到普通病房监护，从有线床边监护发展 到无线遥测监护。 1 2 2 生物医学遥测技术的发展与现状 所谓生物医学遥测，是指在一定距离内( 几十到几百米) ，通过有线或者无线 的方法对生物医学生理参数如心电信号、脑电信号、肌电信号、血压和温度等进 行数据采集和监护。生物医学遥测技术很好地适应了生物医学测量的特殊性，是 生物信号测量的理想方法之一。生物医学遥测技术主要可用于以下几个方面p 1 ： ( 1 ) 监视飞行员和宇航员的生理情况 ( 2 ) 监视可自由活动的病人的生理参数 ( 3 ) 运动负荷下，某些疾病的诱发症状的监视 ( 4 ) 研究运动员在运动过程中生理参数的变化 ( 5 ) 工作状态下或运动中人体生理监测和研究 ( 6 ) 动物自然习性的研究 生物医学遥测技术自出现以来就得到了广泛的应用。早在1 9 2 1 年，美国海军 就使用无线电通信来传送海上水手的心音信号。1 9 4 8 年f u l l e r 和g o r d o n 研制了一 个从运动的动物身上测量脉搏波和呼吸率的系统，测量距离达到了1 0 0 英尺。1 9 4 7 年到1 9 5 3 年，h o l t e r 和p a r k e r 等首次实现了人体的心电图和脑电图的无线电传输。 1 9 5 2 年，科学家们首次从飞行的火箭上传输了生理参数，传输的信号有血压、心 率和静脉压等。1 9 5 7 年，g o l e d 和p e r k i n s 报告了大脑电位的遥测记录。同年，苏 联科学家从人造地球卫星上向地球传输了小狗的生理参数。1 9 7 5 年，美国宇航局 采用c m o s 集成电路设计出七路p c m 生理遥测系统，进行宇宙飞行员的生理状 态的监测和记录p 1 。2 0 0 1 年，美国c l e v e m e d 公司推出无线传输实时监视脑电图仪 b i o r a d i oe e g ，该脑电图仪可采集人体e e g ( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ) 、e c g ( e l e c t r o c a r d i o g r a m ) 、e m g ( e l e c t r o m y o g r a m ) 、p s g ( p o l y s o m n o g r a p h y ) 等生理 中山大学硕士学位论文 信号，并利用无线通信传送给p c 主机进行实时显示和数据记录p 1 。目前，国外有 不少研究机构开发和研制各种各样的生理信号遥测监护仪，如jb e c k e r 利用蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 传输技术，在p d a ( p e r s o n a l - d i g i t a la s s i s t a n t ) 上实现了血氧饱和度、 e c g 等重要生理参数的超短距离( 1 0 米内) 无线监护p 1 。c h u ny il e e 和ct o u m a z o u 利用u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 无线技术在人体生理参数传感采集器与信号记录仪 之间建立了无线链路1 。hz h a o 等人在无线传感网络t m o t es k y 的平台下，研制出 了多监测对象多生理参数无线监护系统p 1 。y u a n h s i a n gl i n 等人开发了一种基于无 线局域网( w l a n ) 和p d a 的用于病人运输连续监护的无线监护系纠w 。上述无 线遥测监护系统采用了不同的无线遥测技术，适合于各自的医学无线遥测需求和 使用场合。 在我国，生物医学遥测技术应用的历史较短，直至7 0 年代中各大专院校和科 研机构才开始了各式各样的遥测研究。例如航天部7 0 4 所研制的遥测心率监护仪， 重庆大学无线电系心电遥测组研制的心电遥测仪和心电遥测磁记录仪，国家体委 科研所研制的心电信号遥测装置，空军第四研究所研制的遥测装置等。国内生物 医学遥测仪器的共同特点是研究心电参数比较多，由分立元件和线性电路组成比 较多，单通道比较多。八十年代以后，随着需求的增多，又相继研制了多通道、 多参数、植入式遥测医疗设备等，但并没有形成完整的系列，还不能满足生物医 学等各方面的需要。 生物医学遥测技术按信息的载体不同，可分为有线遥测、存储遥测和无线遥 测三大类。 1 ) 有线遥测 有线遥测是通过导线( 电话线、电缆、光导纤维等) ，将受测者的生理信号自 测量端远距离传送至医院或分析中心进行显示、记录、分析和处理，这种遥测方 式的优点是设备简单、使用方便、无电磁辐射，适合距离比较远的数据传送。目 前利用电话传送心电信号、血压、体温等生理信息己被广泛应用。 2 1 存储遥测 存储遥测一般工作在非实时状态。最典型的存储遥测监护仪是h o l t e r 心电仪， 也称动态心电仪，它是一种磁带记录式心电监测系统，通过大容量的存储器可长 时间连续记录病人走动、生活或工作条件下的动态心电信号，记录信号最后由用 户带到医院通过专门的设备进行回放、显示和分析。h o l t e r 型监护设备具有使用灵 活、动态连续记录、记录时间长的优点。但h o l t e r 是非实时的监护，医生只能离 线观察和分析记录下的心电波形，且只能对单一生理信号进行记录与监测u 。 3 、) 无线遥测 无线遥测包括使用电磁波、光波和声波作为传输载体的遥测方式，其特点是 4 第1 章绪论 可对行动中或在特殊环境下的病人进行生理信号的研究，安全可靠，具有良好的 安全性和活动性，是目前生物医学遥测领域最为流行的遥测方式。随着数字通信 技术与无线通信技术的迅猛发展，无线遥测由原来模拟式无线遥测发展到数字式 无线遥测，大大提高了无线遥测的可靠性、安全性和抗干扰能力。近年来，短距 离无线通信技术的应用越来越广泛，并应用到了生物医学信号的遥测领域，使生 物医学遥测发展到了新的阶段。短距离无线通信通常指的是1 0 0 m 以内的通过无 线电波传输信息的通信，目前主要实现技术有i r d a 、蓝牙技术、w i f i 技术、低 功耗短距离无线数传技术和u w b 技术五种。 ( 1 ) i r d a 技术 i r d a ( i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) 技术是一种比较成熟的短距离无线传输技术， 它采用人眼看不到的红外光传输信息，通常有效传输半径为2 米，发射角一般不 超过2 0 度，通信速率高达1 6 m b i t s 。红外技术采用点到点的连接方式，具有方向 性，抗电磁干扰，速度快，保密性强，价格便宜等特点。但红外技术只是一种视 距传输技术，传输数据时两个设备之间不能有阻挡物，有效距离小，且无法用于 移动使用的设备“。 ( 2 ) 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术 蓝牙技术是一种通用的低成本短距离数据、语音无线通信协议。它能够在1 0 米的半径范围内实现单点对多点的无线传输，传输速度达1 m b p s 。b l u e t o o t h 工作 在全球开放的2 4 g h zi s m 频段，使用跳频频谱扩展技术“。b l u e t o o t h 还具有功 耗低、数据传输安全可靠、抗干扰能力强的优点。然而蓝牙技术还存在一些不足 之处，如成本过高、有效距离短，这些不足也制约了该技术的应用范围。 ( 3 ) w i f i 技术 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) ，即无线高保真技术，与蓝牙一样，w i f i 同属于短 距离无线通信技术。它的工作频率是2 4 g h z ，速率最高可达l1 m b b p s ，与无绳电 话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段。虽然在数据安全 性要比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达1 0 0 m 左右 【1 4 1 。但w i f i 也存在技术复杂，成本较高等缺点【1 5 】。 ( 4 ) 低功耗短距离无线数传技术 该无线技术一般使用数字单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件 构成专用或通用无线数据传输模块。射频收发芯片采用数字调制方式，工作于i s m 频段，一般包含简单透明的数据传输协议，用户不用对无线通信原理和工作机制 有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能，因 其功率小，成本低，开发简单快速而应用广泛。 5 中山大学硕士学位论文 ( 5 ) u w b 技术 u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 即超带宽技术。u w b 是无载波的基带通信，可提供 高速率的无线通信，保密性很强，发射功率谱密度极低。低成本、低功耗、高速 率、简单有效是u w b 的优点。然而u w b 技术占用的带宽过大，会干扰其他无线 通信系统，存在频率许可的问题，目前只能用于极短距离的无线通信中。 生物医学遥测技术虽然发展比较早，但由于新技术的出现给它注入了新鲜血 液，因此它的发展还是很有潜力的。它未来的发展主要有以下几个方向： ( 1 ) 利用先进传感器技术与无线通信技术，使医学无线遥测应用更广泛。 ( 2 ) 医疗仪器的二次开发，使旧仪器可直接利用无线通信技术进行生物医学遥 测。 ( 3 ) 利用先进检测技术与通信技术，提高生物医学遥测数据的准确性。 ( 4 ) 开发多通道多参数生物医学遥测监护仪。 生物医学遥测是未来医疗事业发展的关键技术，随着遥测技术的发展和普及， 生物医学遥测技术必将进入前所未有的发展时期。 1 2 3 医学生理信号检测研究现状 监护仪主要用作采集和监视人体的各种生理参数，如心电、呼吸、脑电、无 创血压、血氧饱和度、体温、脉搏、有创血压、心输出量、麻醉气体氧气等。作 为表征人体生命指标最为常用的监护参数，国内外对上述这些生理参数的研究比 较深入，也开发出了针对不同参数的监护采集模块，相应的产品也十分丰富。这 些参数模块无论是在信号检测还是在信号放大、处理等方面都比较成熟。然而对 于本文所要研究的生理参数膈肌肌电、食道压力、胃内压，国内外虽然有不 少文献指出了这类生理信号的特征及在医学上的应用，但却鲜有对上述生理信号 的检测、信号放大和信号处理等方面的研究，也几乎找不到相应的参数监护模块 产品。 1 3 研究内容 本课题来源于广州呼吸疾病研究所的国家自然科学基金项目“多通道医 学生理信号检测无线传输系统”。本文主要是针对呼吸疾病的无线遥测监护需求， 设计并研制出一种低成本的多通道医学生理信号无线遥测监护仪，该监护仪能被 呼吸疾病病患随身佩带，并同时采集病患身上的多路膈肌肌电信号和呼吸压力信 号等生理信号，通过无线遥测的方式，远端( 1 0 0 米范围内) 监护室的医护人员能 够在不接触病人的情况下，实现对病人多路医学生理参数的实时监视以及离线的 6 第1 章绪论 波形回放与分析处理。 本文研究的主要内容是： ( 1 ) 根据医学仪器的工作方式、技术特性要求及特殊性，研究了生物医学仪器 的设计原则，并在对系统需求做了充分分析的基础上，对多路医学生理信号无线 遥测监护仪进行了总体设计。 ( 2 ) 对用于呼吸疾病诊断的人体膈肌肌电信号( e m g d i ) 做了一定的研究，研 究了该生物电信号的主要特性，信号的获取方式及信号的主要干扰。在此基础上， 针对膈肌肌电信号的特点，研制了适合该信号的预处理模块，包括信号的预放大， 滤波等电路的设计。 ( 3 ) 研究了食道压力和胃内压信号的特性，并研制了相应的预处理模块。 ( 4 ) 探讨了a d 转换芯片的选型并设计了a d 转换模块。 ( 5 ) 研究了短距离无线通信技术，选择了适用于呼吸疾病无线遥测监护需求的 无线通信技术，并研制出无线数据传输模块。 ( 6 ) 从模拟数字混合信号的电路设计与电磁兼容性设计的角度，探讨了增强电 路系统的抗干扰能力和低噪声电子设计的方法。 ( 7 ) 根据数据采集、无线数据传输、u s b 传输的特点与要求，确定单片机程序 结构，并采用模块化的方法，编写了数据采集发送端与数据接收端的单片机程序。 ( 8 ) 对虚拟仪器技术及其开发平台l a b v i e w 进行了概述；利用l a b v i e w 7 1 设计并编写了监护端p c 机监护软件，实现高速的u s b 数据传输控制、多路医学 生理实时显示、存储，波形回放，离线分析与处理等监护任务。 1 4 本论文的结构安排 本文针对传统监护仪的不足以及呼吸疾病的无线遥测监护需求，设计了一种 新型低成本的多路医学生理信号无线遥测监护仪。论文一共分为七章。 第一章介绍了传统监护仪的分类与不足，引出了多路医学生理信号无线遥测 监护仪的课题背景及研究意义，叙述了国内外监护仪及生物医学遥测技术的发展 和研究现状，最后介绍了本课题的主要研究内容。 第二章对系统进行了需求分析，介绍了系统的总体设计，对系统各部分做了 简要说明，并探讨了本课题的关键技术与难点。 第三章介绍了数据采集发送端的硬件和软件的设计。硬件设计主要论述了生 理信号预处理模块、多路信号选通放大模块、a d 转换模块、m c u 控制器模块、 无线数据传输模块和电源模块的硬件电路设计原则、设计方案、设计方法和设计 过程，对关键电路做了一些理论分析，验证了电路的正确性。软件设计主要说明 了设计思想，并介绍了主程序、中断程序和各程序模块的设计。 7 中山大学硕士学位论文 第四章介绍了数据接收端的硬件和软件设计。重点介绍了u s b 传输模块的硬 件设计和单片机程序设计。 第五章介绍了p c 主机端的监护软件设计。对虚拟仪器以及开发平台l a b v i e w 做了概述并给出了应用程序的工作界面。重点介绍了系统初始化、数据读取、处 理与显示和数据文件存储的程序设计。 第六章介绍了多路医学生理信号无线遥测监护仪的测试条件与环境，根据不 同的测试内容给出了测试的结果，并对测试结果做了简要的分析。 第七章对本文的工作进行了总结，并对未来的工作进行了展望。 8 第2 章系统总体设计 2 1 系统需求分析 第2 章系统总体设计 医学生理信号无线遥测监护仪是在已有线呼吸疾病监护仪已经不能满足目前 无线化、个性化的监护要求背景下提出来的，它既属于医学仪器的范畴，又属于 无线遥测仪器的范畴。根据本课题所研究监护仪的实现功能及应用范围，并结合 医学仪器和无线遥测仪器的特性与特殊性，对医学生理信号无线遥测监护仪提出 以下要求。 ( 1 ) 采集人体5 路膈肌肌电信号、2 路呼吸压力信号。膈肌肌电信号是人体生 物电的微弱信号，振幅一般为0 0 2 3 m v ，主要能量的频率较高( 2 0 2 5 0 h z ) ，并 混杂着各种频率范围的噪声与干扰。为了对信号进行各种处理、记录与显示，要 求把信号放大5 0 0 倍，并滤除特定频率范围的噪声与干扰。呼吸压力信号包括食 道压力和胃内压信号，这类信号为变化极为缓慢的信号，可视为直流信号，因此 要求监护仪具有直流放大器对其进行放大。要实现无失真恢复肌电信号，要求a d 转换以高采样率( 1 0 0 0 h z ) 和高精度( 1 6 位) 对该信号进行采样，因此对于8 通 道输入的遥测监护仪而言，系统的接e l 速率不能低于1 2 8 k b p s 。 ( 2 ) 无线遥测实时监护功能。中心监护室的医护人员可实时遥测1 0 0 米内( 室 内) 处于自由活动状态下病患的8 路生理信号。因此要求无线频段无需申请许可， 并可用于医疗遥测应用；无线传输速率大于1 2 8 k b p s ，以保证8 路信号的实时监测； 无线传输误码率 1 1 0 d b 的情况下，c m r r s 对c m r r 的影响可以忽略。c m r r f 的值则可以由式( 3 - 9 ) 得到： ! 上一上+ ! 一! ( 3 9 ) 一十 j - y ， c m r r fa a la a 2c m r r l c m r r 2 、。 2 0 第3 章数据采集发送端的软硬件设计 其中：c m r r i = 以。4 。，c m r r 2 = 4 ：4 2 ，4 1 、4 。和坞：、4 ：是分别是运 放a 1 、a 2 的开环差模增益和共模增益。由式( 3 9 ) 可知，为了得到较高的共模抑 制比，缓冲级的两个运放无论是开环差模增益还是共模抑制比都应该尽可能地匹 配。因此，这里选取集成4 个运放的t l 0 8 4 作为缓冲级的放大器。 3 1 2 低通滤波器 膈肌肌电信号是人体生物电的微弱信号，振幅一般为0 0 2 3 m v ，主要能量的 频率范围为2 0 2 5 0 h z ，信号通常被淹没在广谱噪声和各种高频干扰信号之中，为 了获得信噪比较高的膈肌肌电信号，应采用低通滤波电路来滤掉噪声与高频干扰。 低通滤波器要求其通频带尽可能平坦，滚降速率是越快越好。