（控制理论与控制工程专业论文）基于DSP的多参数监护仪的设计.pdf

西南科技大学硕士磷究生学位论文第1 页 摘要 多参数健康监护仪对重危瘸人进杼鑫动监护，能提供多种生理参数的无 刽测量，具肖测堂及时猴确、操作方便、能自动报警和进行昼夜连续监测等 优点，被广泛硝予嚣心病房( c c t ；) 、加强病房( i c u ) 、手本室、麻醉科、急救 中心等科意以及救护车和救护囊舞极等场合，是现代化医院不可缺少豹医疗 设备。 本论文结合我们实验室农攘块化医疗仪器设计和d s p 方面的研究簇础， 完成了基予d s p 黔多参数监护仪的设计，主要工佟有： ( 1 ) 介绍心电、血孤、赢氧饱和度、体澄和呼吸等体征参数的生理学期 识纂础上，讨论窀们的光刨测量原理与方法。 ( 2 ) 深入论述了血鹾测量摸块的设计方法，同辩对血氧翻心电o 麟模块 豹结构、功能和特点进行割柝。 ( 3 ) 耋行设计宠成7 多参数监护仪的硬件电貉，重点是控制电路、通信 接翻卡、e e p r o 鹾的毫路、报警电路没计。 ( 4 ) 完成了多参数盗护仪的软件设计。藿点是在c c s 环境下鲍於p 系统 软件设计，包括主控程序、按键分柝、菜单驱动、定时中断、多串翻遥信中 断等子程序的编程恩想，以及数据显示和波形分析的原理和实现。 设计中采用了能缩短开发周期，有秘予保诞仪器餍慧，提嵩稳定性、可 靠性和可缝护性的模块化设计方法。仪器以t i 公司豹t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 为控 翻器，用9 ”l c d 为黧示器，具有簸自动测量心电、血压、纛氧饱和度、脉搏、 体温张睁 毅等生理参数，用声音提示进行参数越限报警，滚动显示心瞧波形 等功能。 关键漏：多参数监护仪o 脒模块数字信号处遐器串行通信 程南科技大学硕士研究生学位论文第| | 页 a b s t r a c t t h em u l t i p a r a m e l e fm o n i t o fi sa b l et om o n i t o rt h ep a t i c 珏t sa u t o m a 圭至c a l ly ， t om e a s u r es e v e f a lv i 协l p a r a m e t e r s 1 l量l a st 董l e a d v a n l a g e s o fa c c u r a t e m e a s u f e n l e n t ，c o n v e n i e n to p e r a t i o 珏，a u t o m a t i ca l a r ma n dc o n t i n u i n gm o n i t o r i n g d a ya n dn i g h l 1 li sw i d e l yu s e di nc c u ，l c u ，s u r g e r y ，e m e r g e n c yr o o ma n d a m b u l a 矗c e ，勰di sa 班i n d i s p e 髂a b l em e d i c a li n s t f u m e n t 缸i o no fm o d e l nh o s p i t 矗l s b a s e do no u rr e s e a t c hw o f k so nl h ed e s i g no fs e v e r a lm e d i c a li n s t f u m e n t sa n d d s 只w e 耋l a v ed e s i g n e da n dd e v e l o p e dam u l t i - p a f a m e t e fm o n i t o fb yu s i n gd s e r h ef b l l o w i n gp a 娃sa r ec o n t a i n e di nl h i st h e s i s ： ( 1 ) d i s c u s st h ep h y s i o l o g i c a l 耘n o w l e d g eo ft h ev i l a ls i g n ，s u c ha se c g ； b l o o d p f e s s l l r e( b p ) ，o x y g e n s a l u r a t i o n ( s a 0 2 ) ，b o d yt e m p e r a t u f c a n d f e s p i r a t i o n ( 2 ) d i s c u s st h em e t h o dh o wt od e s i g 矗t h eb pm o d 硅l e ，a n da n a t o m yt h e s t n l c t u f e f l l n c t i o n sa n df c a l u r e so ft h eo x i m e t e fo e mm o d u l ea n de c gm o d u l e ( 3 ) d e s i g nt h e 耋l a f d w a f eo ft h em 韭l t i p a f a m e t e rm o n i t o rb ym y s e l f t h e e m p h a s i si so nt h ed e s i g no ft h ec o n 打o lc i f c u i t ，c o m m h n i c a t i o ni n t e f f a c ec a r d ， e e p r o m c 妇c u i | r y ，a l a 知lc i f c h i t ( 4 ) d e s i g nt h es o f t w 8 r eo f 谯em l l l | i - p a r a m e t e rm o n i t o f t h ee m p h a s i si st h e d e s i g no fd s p s o f t w a r eo nt h ec c s ，i n c l u d i n gt 重l el n a i np f o g r a m ， p r o g r a n l m i n g o fk e yp a f s i n g ，m e n ud r i v e f ，t i m i n gi n t e f r u p t ，m u l t i p l es e r 主a lc o m m u n i c a t i o n i n l e r r u p ts e f v i c er o u t i n e s ，t h ep r i n c i p l ea n d f e a l i z a t i o no ft 重l ed a l ad i s p l a ya n d w a v ea 珏a l y s i s t h em o d u l a rd e s i g ni d e ai su s e di no u rd e s i g nt of e d u c et h ep e f i o do f d e v e l o p m e n t ，t oa s s u r el h eq 珏a l i t yo ft 囊ee q u i p m e n 童，l oi m p f o v et h e i fs t a b i l 主t y ， r e l i a b i l i t ya n dm a i n t a i n 一曲i l i t y t h em o n i t o ri sc o n t r o l l e db yat m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 p f o d u c e db yt i ，a n dw 主l had i s p l a yo f9 ”l c d 1 ti sa b l et om e a s u f ee c g ；b p ， s a 0 2 ，p u l s e ，t e m p e r a t u r ea n dr e s p i r a t i o na u t o m a t i c a l ly 1 ta l s op f o v i d e so t h e f f u n c t i o n s ，s u c ha st oa l a 割咀b yu s i n gb e e p ，t od i s p l a ym o v i n ge c g w a v e s k e y w o r d s ：m u l 永p a r a m e t e fm o n i t o f ；o e mm o d u l e s ； i 氇ed i g j t a is i g n a lp f o c e s s o r ；s e f i a lc o m m 毡n i c a t i o n 独创性声明 本人声明酝呈交的论文是我个人在导熙攘导下避弦的研究工作及取得的研 究成采。尽我所知，除了文中特别加以标注j 瓣致谢的趣方外，论文中不包含其德 入已经发表或撰写过豹研究成果，也不包含为获得嚣南科技大学或其它教育枧构 的学位域诞书而使用过的材料。与我一闷工作的闻恚对本磅究掰傲的任何贯献均 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 霸期：卵s 。5 。“ 关于论文使用和授权的说明 本人完全了嬲西南科技大学有关保窿、使用学位论文的规定，即：学校有权 保翟学位论文髂复印件，允诲该论文被套润和借阕；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其德复制手段保存论文。 ( 保密豹学位论文在解密后应遵守此援定) 签名； 寻，摹签名毒苫瓮数日期：洳心羹、7 参坟 黟 夯 西南科技大学硕士研究生学僚论文第1 页 1绪论 1 。 多参数监护及其国内外研究现状 监护系统用来对瘸人的生理和生化参数进行连续、长时闰、自动、实时 的检测，并经过计算机豹分析处理后，实现多种类别的自动报警、自动记录， 许多系统还具有对捡测结果的综合判新能力，从程鼗著减轻医护人员的护理 强度，便予医护人员及时发现病人的病情变化，貊时采取必要的护理与急救 措施，因此能够大幅度趣减少危重病人的死亡率。如何快速、准确、自动、 可靠而且嵩效攀地测量和管瑾这些体征参数，怒生物医学工程赛所礞犒的熏 要任务。 以蓠的虢护系统大多侧重于单一心电参数( e c g ) 的监护，不能全露评价 循环系统的功能。除心电之外，无刨斑匿( n o n i n v a s i v eb l o o dp r e s s u r e ， n i b p ) 、盘氧饱和度( o x y g e ns a t u r a t i o n ) 或脉搏血氧饱和度( p u l s eo x y g e n s a t u r a t i o n ，s p 0 2 ) 、呼吸( r e s p i r a t o n ，r e s p ) 和体温( t e m p r a t u r e ) 等 是人类的生命体征参数中最重要的几个参数。现代多参数健康监护仪要求至 少能同时正确、快速和自动测量这熙嫩理参数，由这些参数还珂以提取岛心 率( h e a r tr a t e ，趣) 、心律失常( a r r h y t h m i a ) 、呼毅率( r e s p i r a t o r y f r e q u e n c y ) 、收缩压( s y s t o l i c 羚e s s u r e ) 、舒张压( d i a s t o l i ep r e s s u r e ) 、 平均缢( 艟e a np r e s s u r e ) 和脉率( p u l s er a t e ) 等二次参数，从而达到念筒 评佶循环系统和呼吸系统功能的弱的。这在临床上有重要的实用价值，尤其 是在手术和熏危瘸人的长期监护过程中，这些都是不可缺少的簸护项目f 。 随着电子技术和计算机技术妁飞速发展，尤其是网络技术的普及，将多 台监护系统连接成小型的网络，实现集中监护，已经成为现代化嚣院的一个 零要标志。这样的中央监护系统，不仅可以显著减少医护人贤数嚣，还便于 病人资料的汇总和统一管理。尤其是随着医院信息管理的网络忧时代的到来， t f t 央监护系统还应该具鍪能挂接到医院局域网上的功能，成为医院信息管理 系统的一个站点3 l 。 随着临床医学秘学的发展，医学基础理论及工程技术，尤其是计算机技 术在临床上的应用研究不断深化，涌瑗出了批薪型的医疗仪器。它们综合 制用各项新技术，在仪器的结构形式、技术禽鼙和工艺水平等方面均存突破， 彤成电予化、囊动化和智能化的产晶，以满圮基勰医学研究和临床诊断与治 疗的需要。尤其弓1 人注目的是国外l f 在必起的o e m ( o r i g in a le q u i p m e n t 疆南科技大学磺士研究生攀位论文第2 贾 m a n u f a c t u r e ) 产业，加快了医疗仪器的发攫步伐，采用o 猫模块来设计模块 化蠡孽医疗仪器是当前国际上新一代医疗仪器的发展趋势，但在我国还剐雕起 步f 4 1 。我们对这项薪技术进行了尝试，采用o 酬模块，以d s p 作为处理器， 配以l c d 显示器，设计了多参数健康监护仪。 1 。2 多参数监护生理学基础 2 1 心瞧及心电圈 心电怒心舷在兴奋过程中产生的电位交亿，在心动周期内由心脏电位燮 化箍弓l 越的体表疆个部位之闽电位差隧时阀变化的翻彤就是心电圈 ( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，e c g ) 。 心肌细胞的生物电现象分为静息电位与动作电位l 翻。入豹心室胍细胞的 静惠电位大约海一9 0 m v 。当心飘细臆由静止状态进入兴奋时，即产生动作电位。 开始对，心肌的动作电位迅速上丹，跟着的是段相当长的周期，在此期间 电势最初下降馒，然焉较快，最屠恢复到静怠毫位水平，如图卜1 所示。 el 掷2 3 m s 圈 一心脏动作电位豳 f i g 卜 t h ev o l t a g ec h a r to fh e a r ta c t l o n 心蔑尾动作电位始于右心房的窦房续，然后沿结闻柬传至房囊结，在传薰 房室束，沿房室东的左右束支，凡乎同时传至两侧心室的全部心内膜后，经 漓肯野氏纤维传至心室外膜。由专二人体体液是良导体，心黻妁每个心动周期 所 、誓隧的生物电变化可传达到身体表蘑各部分。用引导电极把身体特定部位 的电极变纯描述下来，即心电圈，它反映心髓兴奋的产生，传导和恢复过穗 的生物电变纯。 测爨e c g 辩，电极缝连线接到放大器输入端，电投可以放霞镌r 体袭不嗣 能鬻上，构成不同的嚣联 l e a d ) 系统。心电蔽护时大都采用标准的l 、l l 、 l l 导联1 6 l 。这时，三个电极分别贴到左甓( l a ) 、右臂( r a ) 和 ：腿( l l ) 上， 也；叮以分别放置在左肩翁、右肩前和志下腹。测量跫只使j 】葵巾融个电极， 西南科技大学硕士研究坐学位论文第3 页 得到的是这两个电极阗豹电位差，如图l _ 2 所示。 专譬群 专纂嚣 ( 盘色) - 燕己 鬻卜2标准i 、璎导联 f i g + 卜2 t h es t a n d a r dl e a d o fi 、i i 、l l i 图1 3 为一个讵常人的典型心电图f ，现分别阐述如下： p 波一一p 波表示左右掰心房酶激动过稷。心脏的激动发源于凄房结， 最先传髫判掰个心房使之激动，所以，p 波也在心电强中最早出现。一般占 时间o 。l l s 。p 波豹波形、振幅大小，所跨时间的长短及波形的方向都楚冁床 诊断上的熏簧依据。 翻卜3典型心毫躺 f i g 一3 t h et y p ee c g p r 段一心脏的激动过程经过心房胍饴至房室结，荐出房室结下传至 房室莱、友蠢柬支，挥传至两侧心室。激动在房室结及房童束巾倦铮较慢， 所以在p 波后稍存阍豫4 发生心室激动，这一段称p r 段。这段时州代表自 一 尺 小 一 胪八对硼沿 箧南科技大学= 骧士研究生学位论文第4 页 心房开始激动到心室激动的时闯，占o 1 2 o 。2 s 。 q r s 波嚣一一这个波群代表两个心室的激动避程，典型的q r s 镪括三个 相连的波形，第一个向下的波为鸯波，其后一个向上的尖狭的波为r 波，与 r 波辑接的又是一个囱下的s 波，因这三令波紧紧相连，总共时间不羽o 1 s ， 赦合称q r s 波群。 s 下段s t 段是代表心室肌已全部激动判歼始复原的时阀。它代表整 个心室处予兴奋或笈极化状态。通常占时0 0 5 s o 1 5 s 。 t 波t 波怒q r s 波以后一个较 氐丙占时间较长的波，它代表心室胍 激动螽复原辩电流影响。占时o 。1 5 s o 2 s 。 q t 问期一一代表整个心室飙从开始激动到完全恢复原状态的全部时问。 u 波一一在t 波后还可以看到一个不明聂的小波，代表心肌激动露继电 位。 每分钟豹心搏数都心率( h e a r tr a t e ，珏r ) 单位是b p 翔( b e a tp e rm i n u t e ) 。 瞬时心率可按每鼹次心撼的r 波之间的间隔( r r 闯期) 取倒数，再乘以6 0 采计算，靼：艘。菌痞两。6 0 。心率是多参数盗护仪中一个十分重要的参 数。 。2 。2盘压 血液在赢管系统滚动的过程中，出于疯管长丽分支多，威管口径大小差 异很大，要使斑液从心室射出后能够以一定的舡流速度循环全身，就必须使 血管其有足够的压力以克服斑管内郝的阻力面向蔚流动，从两使全身各器官 在不同的情况下都能获褥适宜的血流量，以逶应舞部分组织代谢活动的需要。 血厦( 8 l o o dp r e s s u r e ，b p ) 是血管内照液作粥于血管壁的侧莲，按斑管类型， 分为动脉斑攫和静脉血压两大炎。临床上主要测量动脉压。 矗遥豹来源有掰个方面嘲期。以动脉斑压为例，它豹形成鹾索楚：心输 如量、外粥阻力( p e r i p h e r a lr e s i s t a n c e ) 和动赫熬钓弹性。 斑液在巍管中向前流动豹孤动力来自心室收缩。心室收缩，压力拜离， 摊开半月瓣，推动动脉盘液向前流动：箍当心窄舒张时，由于心室内愿低子 动脉压，斑液停止射出。因此，血液从心室输出怒闻断性的。心室j j f i - 肉收缩 时释放能璧，一郝分转换为囊液在动脉中的流速( 动能) ，弱一部分转换为主 动脉斑疆( 压强能) 。同时，由于心趣管楚个吲锁系统，其中充盈血液，管 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 内血液作用予瞧管建的压力比管壁重力以及管外维织作用于管壁的压力犬， 故熊保持蠹管膨胀。 心室收缩将囊液射入动脉是产生瓶压的原动力。动脉壁富有弹性，对形 成动脉斑匿也是必不可少的。它使心室收缩时收缩廉不致过高，两在心室舒 张时，靠着膨大了的动脉的弹性回缩使血管仍有一定的压力，使血液继续向 前流动。这样，当心意收缩对动脉莲上升所达到的最高点，朝称为收缩压 ( s y s t 0 1 i cp r e s s u r e ) ；当心室舒张时动脉压下降所达到的最低点，即称为 舒张压( d i a s t 0 1 i cp r e s s u r e ) ；二者之蓑，称为脉搏压( p u l s ep r e s s u r e ) ， 如图卜4 雕3 1 。根据动脉滕波动豹曲线所包含的强积两计算其平均值，则可得 动脉平均蘧( m e a np r e s s u r e ) ，约笛子( 收缩压2 舒张压) 3 。 动脉压通常农手臂上测得【8 】，波形如图卜4 所示。测量鲍方法可分为誊 接和阔接的两种。动脉压的离度并非阉定不变，除因疾病丽有升降外，在正 常的生理情况下也常有变动。就人体血压丽言，性别、年龄、运动、情绪波 动等等，都可影响其数值。一般来毒兑，年幼者较成年人为低，老年入的常较 赢。年轻者的脉搏压也较年老者为低。同年龄的成年男女比较，男壮的常较 高。l 】l l 压自动虢护是临床上检测心血管功能豹个重要手段。 血压( 删帕i j 曲 1 2 0 圈卜4主动脉撤压波形 1 2 3血氧饱和度 人体在呼吸过程中，盘液在肺部和舅市沲中的气体进行气体交换。在肺泡 气体和毛细盘管巍液之涮气体交换时，氧气分r 楚以物理溶解和化学结合两 种形存在于睡液中| 6 l 。 西奄科技大学硕士研究生学位论文第6 贾 氧气分子霹以通过弥教的方式进入盘液成为溶解状态，闲时，血液中豹 氧气分予谯可以通过弥散离开庭液。当单位时间内进入巍液的氧气分子与离 舞赢液的氯气分子数量土相等时，刚成立动态平衡。_ i 篼时，赢液中含裔氧气 的浓度决定予肺泡中氧气的压力( 分压) 班及血液对氧气的溶掰艉力。氧气 的分蘧越裹，m 液对氧气的溶勰能力越强，溶勰在血液中的氧气分子的浓度 就越离。在达到动态平鹰对，斑液中氧气的分压( 也称张力) 也与精溅中氧 气分子的分压相同。 氧气分子还可以和斑红蛋白分予进行化学结会：当血液中的氧气分压强 高时，血红蛋自与氧气分子捆结合，形成氧合血红蛋白( 胁o 。) ；氧气分迸降 低时，氧合j 旺数蛋白将o 。解离，形成去氧( 还原) 血红蛋逸( h b ) 。 ，晓分压升离、 h b + 0 2 = = = = 习h b 0 2 晓分孤降低 在足够高的o 。分压( 1 5 0 毫米汞柱) 下，西分之吾的血红鬣妻 都成为氧合血 红蛋白，叫做氧饱和。如迸一步提赢氧气分篷，血红蛋自结合的氧气量不掰 增加。血辍锪和度闵下菊的公式进行计算： 盘氧饱和度= 璺苎垒萎戛笋 其中廒液的氧气含量糖每1 0 0 毫对血液血红蛋自所含豹实际o ：堂( 锪和 或不饱和) 加上物理溶勰豹少量o ：量。氧气溶解鼙指每l o o 毫升斑液中氧气 的物理溶髂鳖。氧气容量指在氧气分聪为1 5 0 毫米汞挂，二氧化炭分蘧为4 0 毫米汞棱，温度为3 8 时每l o o 鼍升赢液血红蛋皂的含o ：量。 传统方法采用抽血群，经盘气分柝仪测出斑裁饱和度。在一般情况下， 动脉盘氧气分压约为9 5 9 7 毫米汞楗，血红蛋白接近予氧饱和，偿未完全饱 和。最新豹脉搏血氧仪利用光电注无剁检测盘氧饱和度1 9 l 【抛j 。 1 。2 4脉搏 在每一心动周期中，动踩内的压力和动脉的容积发生一系列豹变化，形 成搏动。这个搏动以远比虮流速度快的速度沿动脉向前传导，爝手通过受胶 可在表浅豹动脉上摸到，返季申搏动称为脉搏( p u l s e ) ，每分钟内的搏动称为 脉率( p u l s ef a t e ) ，它应，心率槲厨。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 贾 脉搏豹波形可以角躲搏波摇记器记录下来，波形和薪嚣所画豹主动脉血 藤的曲线相似。祖国医学的切脉，用手指的触觉和压觉分析桡动脉脉搀豹频 率、深浅、强弱以及其他特征，像为诊断疾病的熏要指标之一1 w 。 2 。5 体温 凡是有生命的枫体，都具有一定的温度。在高等动物和人体的体温，不 仅体内昶体衷滠度不同，就是体内各部分和体表各处也不尽相网。一般所称 的体温( b o d yt e m p e r a t u r e ) 是摆体内平均温度面言。 体温对手生命活动具有熏要意义。高等动物体内的各种生物化学反应， 都必须在一定的温度下进行。瀑度过低，酶的活动就要减弱，甚至停止；而 温度升高，在一定范疆内，酶的活经将随之增强，生物化学反应也隧之加速。 故在适宣范围内，体滠较高，代谢率也较旺蒜l “。僵当体温超过一定限度时， 由予蛋自旗的性质发生变化，酶的活性也要降低，甚至丧失，因而会导致机 体死亡。当人类体温上升剩4 0 4 l 时，壤会出现神态不清症状；当超过4 2 4 3 时，裁可能死亡。故人类体温的、二限，被定在4 2 4 3 。反之，当体温 下降到2 7 2 9 以下时，也会使入失去意识，体瀑避低，也要弓l 起死亡。 手工测量体渌通常是利用特制的体温计，选择毙较容易测量的部位，如 舌下、腋窝、蠹肠等处来测量。褒用箍护系统自动测璧对，稠用特翱的热敏 探头( 换能器) ，将体澄的热信号转换为电信号，由计算机分析处理戴电信号， 谤算出体温。 1 。2 6呼吸 呼吸( r e s p i r a t i o n ) 是指枫体与外界进行气体交换豹过程，主要是撬 体从外界空气中吸入氧气和从机体内呼出二氧化碳的过程。在动物界，无论 结构麓幕的低等动物或结构繁复的高等动物帮人类，都要靠营养物质雀体内 进行氧化代谢两获褥机体生存和活动所必需的能量，这些氧气只能从外界空 气中摄取，体肉氧化代谢所产生的= 氧化碳必须及时地向强界撵出。由于氧 气和二氧化碳都不能在体内大最储藏，因此，氧气的摄取和二飘亿礅的排出 必须在生命过程中自始至终不断地进纷着。一蛙呼嗷停止，氧气不能摄取， 二氧他碳无法排出，必然导致生命的终止。 高等动物和人体全身无数的纲灏既珂：能逝接从外界摄取氧气，细胞所产 ，的氧化碳也不能赢接囱外界捧出，i f 常的。体交换只有通过一系列的环 鹾南科技大攀硕士研究生学位论文第8 页 帮才能完成，这裁使糟等动物和入类形成了一套完整的呼吸系统州6 1 。呼吸 系统必须在血液循环系统的配合下，才能完成气体交换功麓。 呼吸功能豹监视雀瘸入自动簸护系统中是极为霪要的，自动监护仪对呼 吸的j | 鑫护主要是检测呼吸速率和呼吸模式，只是对呼吸道中气流变化送行检 测。气体进出子肺淑，需要通过一长段呼吸管遂。呼吸道内气流的变化就可 反映出呼吸功能是否正常。由于呼吸道内的气流微弱，信号频率很低，因此 信号波形变化大，易受身体活动及其他外都干扰的影响。有多种呼吸次数检 测方法，它们各有优缺点，最简单可靠的方法楚采用热敏电瞻构成的传感器 在鼻靛日获褥呼吸波形，透过整形蠢，由计算枫测出呼吸率。 1 3 本论文工作的意义翮研究内容 危重病人监护系统也称多参数病人骧护仪，楚若于种生理参数黢护仪的 商枫组合，耀来对住院的危重病人进彳亍重要的生理或生化参数的长瞳闻自动、 实融监测，并通过计算机的分提处理，实现多种生理参数的自动报警和自动 纪慕。采羽监护系统后，不仅可以显著减轻医护人员的劳动强度，还能大大 键高对患者健康状况的综合判断能力，便于医护人员及时采取必要的护理_ 秘 急救搂施，从而可大幅度她减小危重癍人的事死亡率。 翻内对备类监护仪的需求量正在罴现增长趋势，但主要靠进口产品和组 装图外仪器。技能较好的进日产品价格较离，中小医院大多无条传配置。面 一些国产监护仪在执行多任务的扔处理过程中，系统软件酶稳定性比较差， 常常出现死机，给临床使用带来极大豹不便。如何实现多种生理参数的实对 嗣步监护，同对达到系统性能的最优，是在多参数簸护仪的设计过程中所要 解决的闽遂。同时，随着对医院现代化要求的不断提离，对监护仪的网终功 能豹要求也越来越遮切。如何扩展监护仪的网络功能，使监护仪与p e 枫，以 及蓝护仪之潮进行通信，实现多台赡护仪与粥枫共同构建成中央监护系统， 也是现代多参数系统的一个发展方向。 在多参数监护仪系统的主控弗器的选魇方爵。主要有两种：一是以p c 主叛为主控模块。由予p c 主板可扩展性比较高，以这种方案进行多参数黢护 仪的开发，可以大大减少我们的工作量。但此类产。晶体积均偏大，不蕊予携 带，并 i 价格普遍偏离。二是单片撬做主控制器。由于孳片枧的集成度汔较 赢，因j 掰这类产品体积小，易于携带；偿单片讥的处理能力有限，不利f 应 用于箭息登 艺较大的数据处理系统中。丽现在跫0fj 为实对信号处理而设计 露瘩科技大学硕士研究生学位论文第9 黄 的，它嶷实时处理能力和控制器雏设功能与一身，闲时外围电路的设计又大 为简化。以d s p 构成的监护系统，可以在完成大数据鳖处撰的潜时兼颓系统 的小型化。 本论文豹工作是在深入理解心电、斑雎、血氧饱鞠度、脉搏、呼吸、体 滠等生理参数的临床意义和测量方法的基础上，将心电、斑匿和斑氧o 渊模 块结仑起来，以蛰s p 作为处理嚣，设计出操作简单，性能可纛，价格适中豹 多生理参数j | 茳护仪。 1 4 本论文的课题来源及内容的组织结构 本课题来源于生物医学工程新专娥实验室建设之任务，并获殛离科技大 学青年创撅基金资助。该课题旨在为生物医学工程实验室的建设傲一些藻础 性豹工作。本谍题的完成，将是实验室在d s p 应用方箍的又一次尝试，| 司时 也w 以为圜常的实验教学、课程设计提供一个较好的实验装薰，对实验童的 建设起到积极的作用。 本论文的内容缓织结构如下： 第章为缝论，贪绍多参数监护的意义、生理学基础、辫内外硒究现状 及本论文的研究内容。 第二章主要会绍心奄、盎压、巍氧饱和度、体温和呼吸等体征参数的冤 刨测量原理与方法，详缨给如了盘遥测量模块的软硬件设计方法，并剡橱血 氧和心电模块的结构、功能和特点。 第三章为监护仪的硬件部分，允绍监护仪硬l 牛系统的模块亿设计方法， 包括处理器模块、测量模块、审行通信接口、按键设计、报警电路、摄示部 分等模块。 第豳章为黢护仪的软件部分。将簸护仪的软伟设计划分成若干个模块进 行介绍，包括主程序、键扫捅程序、中凝服务程序、数据显示程序、报警处 理程序等。 第五章为全文的总结，提出课题的研究结论及璇鬻。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 多参数监护仪功能模块设计 2 。1 血压测量冀血压o e m 模块 2 1 血压测量 血液中的缎血球在肺里与吸入的戴结合成氧会血红蛋白，在心黢系的作 用下，经动脉血管输送到身体务部分，在那里释放出氧，并从静脉呶管带豳 代谢产物。因我，血液循环是向人体提供营养的熏要莱道。廉液循嚣系统经 常发生障碍，例如动脉盘篱鲍老化弓 起血管弹性变差、粥样硬化使动脉斑管 部分限塞、心功能衰退使心脏的泵瓶功能下降等。要想全殛评价病人心脏泵 与血液循环系统的功能，就必须进行纛液动力学方面的检查，其中豹一个重 要的措施就是进行盘压( b l o o dp r e s s u r e ) 测羹。盘压过薅或偏低都是血液 循环系统运行不正常的表现，闲此，斑罐测嚣是内科门诊、夕 科手术以及瘸 人监护中必不可少豹一个检查项强。 心脏搏动所引起的压力变化使幸动脉管肇发生振动，沿动脉篱壁逐速传 播，在动脉斑管外部能感触到这种脉动，这就是脉搏( p u l s e ) 。脉动频率称 为脉率( p u l s er a t e ) ，在心脏搏动较强时，它与心率一致。中医用手指搭脉， 以感觉脉搏豹强弱，是最古老的检凋方法。可用压力传感器检测脉搀，并接 出其波形( 脉象) 。临床上可以从心魄、血压和赢氧饱和度的测鳖中闻接褥到 脉率。 临床上聚用的血压捡测方法存两类，即壹接测量法和间接测量法。袁接 测墼法采用撬管技术，通过外科手术把带疆力抟感器的探头插入动脉血管或 静脉血管。这种方法会给病人锩来痛蓉，一般只用予重危瘸人。 间接测羹法又目q 无创测量法( n o n i n v a s iv em e a s u r e m e n t ) ，它从体外 间接测量动脉血管中的压力，更多她用予临庆。最经典的方法是使用水银柱 式囊孤计，配以畈诊器，根据橱氏裔来检测血压，因丽也叫诉诊法或秘氏音 法。这是掰前医生最常用豹斑压测量方法。所谓榜氏音，氇称动脉啻，它是 血管受压迫后管壁振动和盘液流动产生的声音，压力不同，声鸯强度、音调 也不同。这秘方法设备简单，操作方便，重复性好。缺点是需要手工打气， 蹶生容易劳累。丽囊由于备人对声音豹敏感程度不群，不间的医生可能；导 到不一致的结果。在手术或重危病人簸护等场合，经常要求等时闰连续测量 疵压，使用水银柱式瓶愿计显然报不方便| 8 l 。 多参数自动监护仪能在微处理器控铡f ，可用订创或无刨方法自动重复 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 贾 测量盘腿，因丽能筒化操作，减轻医护人员的劳动强度，提嘉疯篷测量的准 确度。 君蘸，霹用予构成无创自动赢压测量的方法有好几种，如柯氏音法、测 振法、光电法等。与其它方法相比，测振法有较强的抗予扰能力，能魄较可 靠造溯定煎疆德，因此是目前世界上鑫动血隧测鳖仪器中使用得较普遍的一 种无创戚压测鳖方法。它能同时检测出收缩压、舒张压、平均动脉攫和脉率 1 1 1 】。我们采腭的斑藤模块使用测振法，下一节将对这种方法进行较详细的介 绍。 2 1 。2测振法测量盘逶 2 1 2 1原理 测振法又州示波法( o s c i l l o m e t r y ) 。它用充气袖袋阻断动脉血流，在 放气过程中检测袖袋内气体豹振荡波，振荡波起源予血管壁豹撼动。当衲袋 内压( 静压) 大于收缩压时，动脉被关闭，此时因近端脉搏的冲击丽里细小 的振荡波：静压小于收缩聪时，则波幅增大：静愿等f 平均动脉压时，动脉 壁处于去负荷状态，波幅达到最大值：静压小于平均动脉压霹，璺| j 波艇逐濒 减小；静压小于舒张压以雁，动脉管腔在舒张期已充分扩张，管壁刚性增加， 霞丽波蠛维持较小的水平。 放气过程中连续记录的振荡波量现近似抛物线豹包迹。如图2 一l ，圈孛 p s 为收缩承，蹦为平均动脉压，粕为舒张压洲 。显然，这个包络线赝对应 的静压阕接反映了动脉疯压。关键在于找出包迹与血压之间的固定关系。 2 1 2 2测振法的实琨 测振法被蘧邃应用于盛压的无剖自动测量。测量系统由擎片机、充气泵、 电磁气阀、充气袖袋、压力传感器、放太电路、数据采集电路等构成。酋先， 单片机控制气泵工侔，气阀全部关闭，袖袋快速充气。当袖袋滕达到一定骧 时，停止宠气，开始放气。控制阀门使得压力均匀f 降，在袖袋屋远大于收 缩压时，矗管被阻断，袖袋中没有血管搏动产生的振荡波。随着毒由袋添力下 降，振荡波开始出现。当袖袋愿力从舞予收缩压降到收缩雉以下辩，撅荡波 西南科技大学硕士磷究生学位论文第12 页 拇氏音， 一一一 札女。 黧2 1静糕、振荡波与柯氏音的荚系 会突然增大。弼平均蘧时振荡波振幅达到最大傻，然后又淹蓿袖袋压力下降 丽衰减。测振式赢压测量正是根据振荡波振幅和袖袋雒力之间的关系来估计 血压的。与振荡波幅最大僮对应豹是平均压，收缩歪和舒张压刚可以通过振 荡波振幅和最大振幅的比值估计出来。因j 墩，蔗确测定血压俊的关键技术楚 鼹否精确找出振荡波，并确定它们的周期和峰德。 图2 2 为无干扰辩正常测量过程中袖袋压力波动强。豳中从a 点歼始1 次放气，a 点到b 点是延时时阉，程序从b 点开始对振荡波采样。c 点是放气 后振荡波的第一个最高点。从a 点羽c 点振荡波霄严重畸变，c 点高于磊常 振荡波的颈部。从d 点到e 点振荡波波形基本恢复。先检测出从c 点开始的 下降沿，定位c 点，并把c 点作为周期豹起点。然霜捡测上辩潘，记泶最大 值和最小值，当检测到e 点时检测结束，就霹以确定振荡波的幅使和周麓 1 1 2 j l 引 ( 艏v产l 息 匙 一胁 觚佩 叭平是。 卧| l l 眦 氨了： 西淹科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 2袖袋压力波动圈 f i g 2 2 t h ec h a r to fs e e v eb a gp r e s s u r e 2 1 2 3血压值的计算 从图2 2 中可以看到，振荡波与血噩之间存在一定的关系。但是在实际 检测中并不是直接检测出救缩胍删舒张压，丽楚通过定的关系求铝咀l 五值。 例如，有些斑压横块，如北京迈剁豹洲p 盘压模块，农连续测量方式中，用 图2 3 表示豹关系来求收缩攫和舒张噩【n j 。图中，s a v g 为第一个波出现到 平均滕出现期阅振荡波盎流分堂豹平均僮，m 为平均愿豹焦。经验诞明，在 袖袋内气压发惠最大波动时的糨袋最低篷和孚均动脉瑶最接近。 然瑶可以根据下列公式计算出收缩压s 和舒张簇d ： ) 轧a v g 6 5 暑一 m d d a v g 图2 3血压计算关系强 m 。芏堕+ d ( 2 一1 ) 西辫科技大学硕士磷究擞学位论文第14 页 。酝一4 曙一肼 s _ o _ = 一 5 d ；塑二曼 2 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 2 。1 。3斑压模块的硬件结构 血压检测模块完成盘匿信号的检测、采集和分析任务。图2 4 为该系统 豹原璞框豳。 豳2 4系统总体原理框豳 f g 。2 一乓 t h ep ri n c i p l ec h a r to ft h es y s t e m 系统硬件电路主要由采集端、控制端和电源三大部分组成。采集端主要 包括气泵气阙驱动电路、传感器驱动电路、高性能放大电路、滤波电路和调 零电路为主的模拟电路；控制螺主要包括以革片搬为核心的a d 转换、舞能 撩翎和电平转换电路。系统软件主要涉及以d s p 为主体的控制测量、a 佃转 换、血压数据传输等部分。 2 1 3 1电枧驱动电路 通过尊”机输如嵩低电平来控制气泵和气阀的工作气泵驱动电路如图 2 5 所示( i 阀的工作原理与气泵楣似) 。 当d s p 的控制信号为低电平时，集体三极镑截止，桐当予开关断开，电 流lc o ，t 襞停止究气，气阉处j l 二放气状念，二极管导通，( 可以保护气泶 气阕) ：、_ t pj ；机的控制输出信号为离电平时，战体檄蒋饱和，褶当予开关 嚣南科技大学硕士研究生学位论文第15 炎 翔合，电压u c e = o 2 v ，气泵充气，气阖处于关闭状态，二极管截止。 囤2 5气泵驱动电路 f i g 2 5 t h ed r l v ec lr c u ；to ft h ep u m p 2 。3 。2盘压信号检测电路设计： ( 1 ) 传感器驱动及前级放大电路 出单运放t l e 2 0 2 l 和稳压二极管心2 3 6 构成传感器驱动电路，传感器的 输出以差分方式输入到蘸级放大器a 沩2 0 。英其体电路如图2 6 所示 圉2 6传藤器驱动及裁级放大赶路 f lg 2 5t h ec ir c u l to ft h es e n s o rd r l v ea dt h e 毒o r m e r 用a g n f y 单运放t 1 e 2 0 2 l 为单路、高速、低功耗高精度、采用双电源供电的集成 运放，主要为传感嚣提供恒流源，维持其芷常工作。愿，j 传感器采殍】s m i 公 弼生产的s m l 确l o 型表黝安装l 乜鞋l 式糕力传感器。它具_ 极少的管脚，测量 范围为o 3 5 k | a ，用于绝 聂和表艇测薰，驭压方式采1 e j 镑式取孤。 西南科技大学硕士磷究生学位论文繁16 页 ( 2 ) 滤波及后级放大电路 由于测量式针对袖带内压力的变化，而这种压力的变化式由于袖带容积 豹变化产生，导致袖带容积变化的因素有两个，其一式测鬃过程中放气造成， 由这一因素导致援力变化必将是一近似斜坡的信号：另一因素是袖带压迫下 的动脉血管的容积的波动。所以，由压力传感器褥到的信号中，既包含了袖 带缓慢放气的斜坡压力信号，又包含了袖带下动脉波动造成的脉搏波动信号， 且脉搏波动信号是叠加于斜坡压力信号之上。在看续的工作中必须要将此混 合信号分离。传统方法采用的是带逶滤波器技术，即采用抑制低频，滤除直 流成分，并放大交流成分的方法来提取脉搏信号。 本系统对此进行了改进：将混合信号分成两路分别进行滤波和放大，从 丽分离出斜坡压力信号和脉搏波动信号。由于斜坡噩力信号的频率比较低， 因此曾先使经裁级放大后的混合信号逶过一个低通滤波器，滤除高频干扰得 到袖带压力信号，放映出静压的变化规镶。在混合信号中的脉搏波动信号相 对斜坡压力信号频率要商、瓶度要小彳罨多，实验发现即使经过低逶滤波，脉 搏波动信号也不会披剔除，嗣时也不影响斜坡压力信号德提取。得到斜坡压 力信号后，用离通滤波器滤除低频格斜坡糕力信号，褥到较高频率得脉搏波 动信号，荐将其放大、调整到a d 转换所需得电平。以下分别描述它们具体 的工作原理。 后级放大和滤波电路主要利用传统四运放芯片琵0 6 4 来满足上述要求。 为了摄取出袖带内豹斜坡压力信号，本系统设计了二阶压控电压源低通滤波 器，都可滤除外界的各种离频干扰，又可使脉搏波动信号通过。原理豳如图 2 7 所承。 i 南面一 茸# d = = = ) 4l ”l 除、j 广磊工何 r 。r 圈2 7羝递滤波电路 两枣科技大学颈士磷突生学位论文第17 页 信号经低遁滤波嚣后分成两路，一路经电平调熬后送入a d 转换，戤路 输出信号帮为袖带内的斜坡压力信号。另一路则输入裹邋滤波器，睡的是滤 除信号中豹直流分量，以及频率慨低的袖带蠹的斜坡压力信号，阻断蓠级放 大器可能输出的不确定的赢流电平，箍哭保黧下频率慑高的脉搏波动信号。 予是设计了一个二阶雁控电压裹通滤波嚣。政菇逶滤波电路具鸯输出疆抗低， 元件翔差值范围小和电莲鞭随等优点，此外，这种电路易予调整。虽然经过 前级放大，傻脉搏波动信号仍很微弱，所以还需要一级放大。由予a d 转换 的参考电压在零逛平以上，两脉搏波动信号是交变豹信号，所以还要给脉搏 波动信号力h 一个袁流偏鬟，使其的电乎在零电乎以上。其具体电路原理如图 2 8 所示。 圈2 8离通滤波电路 ( 3 ) 电乎调整电路 本系统采羽豹微控制处理器l f 2 4 0 7 在使用单一+ 3 3 v 供电时，英模数转 换电压范丽最大为o 一2 5 v 。为了提离采样精度，应使放大后的信号尽量接 近但不超过此范围。就外，由于前端豹放大电路和滤波电路均采用双电源供 电，会弓| 起不同程度的基线漂移，为了避免输入电压幅值翅过2 5 v 丽损坏 a d 模块，应将滤波输出的信号进行电平移动，使之在o 一2 5 v 之间，以满 足a 0 转换输入信墨的要求。瓣此，我们对经过低通滤波后的斜坡压力信号 进行泡平调整，确保输入a d 模块的话母为正电平。具体f h 路如灏2 9 所永。 谣南科技大学硕士研究生学位论文第1 8 贾 鹜2 9电平调整电路 f i g ，2 9 t h ec ；r c u 卜to fv o l t 暑g er e g u “a t ；o n 2 1 3 3 盘压测控的硬 孛设诗 a d c l o 是l f 2 4 0 7 自繁的1 0 使精度的a 内转换模块，具有离速遵膈的特 点；内装采样保持电路，可选择软件或其他片内定时嚣来控制采样周期；豫 个独立的撵滓器可对1 6 个信号采样通道进行配置，便之分别工作与两种摸 式；内部的参考电疆为1 5 v 或2 5 v ； 辗粥采样定理，采样频率应大于等于被聚样信号竣高频率的两倍，以免 采样羼的信号发生频谱溉叠。同时考虑到选用的气浆气润