心电图机原理.docx

数字化医疗仪器第五章 数字化医学仪器应用实例5.1 传感采集接口的设计5.1.1 数据传感采集接口概述人体的各种物理量（生物电位，心音，体温，血压等）需用传感器将其变成电信号，经由诸如放大，滤波，干扰抑制，多路转换等信号检测及预处理电路，将模拟量的电压或电流送 A/D 转换，变成数字量，供计算机处理。传感器信号检测预处理/D转换并行接口微处理机5.1.2 信号源与数据采集电路间的接口电路前置预处理接口电路应该具有很高的输入阻抗和共模抑制比，其输入级应有必要的保护及隔离措施；为适应不同生理信号幅度和输出的幅度范围，应有足够的增益，电路既要滤除各种干扰，又要频带合适，以便得到信号检出时的最大保真度；信号源与数据采集电路间的接口电路为与数据采集电路适配，输出端输出阻抗要低，幅度的动态范围、模拟信号的极性、状态信号的电平等等都必须符合配接的规定。有的还应有相应的校准电路(如血压定标电路)。下面只就仪器中应用较多的生物电放大器和光电隔离电路做些介绍。信号源与数据采集电路间的接口电路一、心电信号放大器为了给AD转换提供一个低噪声、高灵敏度和幅度足够大的ECG信号电压。完整的心电信号放大器应由输入保护及屏蔽电路、心电信号前置放大器、光电隔离电路、主放大电路、灵敏度调节和50Hz陷波电路、抗干扰滤波电路、外接输出电路以及限幅比较器、闭锁电路、无效信号检测电路等组成。以下重点介绍心电信号前置放大器，如后页图所示。心电信号前置放大器心电图机用于测量体表心电图需要的频响为 0.05 100Hz，因为骨骼肌信号在这范围内也比较大，所以在心电图内产生躯体的伪迹。在诊断场合要求患者在几分钟内不动是办不到的，但对长期受监护的病人则更难办到，病人的肌电干扰就不可避免。在监护时，往往把高频端限制在45 75Hz。在心电图机中采用25Hz或35Hz肌电滤波器。心电信号前置放大器图心电信号前置放大器心电图具有很低的频率成分，诊断用0.05Hz；但对监护仪来说，呼吸，电极偏置电位的变化，环境温度的变化及身体移动都会引起基线漂移，因而监护仪的低端频率为0.1 0.5Hz。心电图机采用0.1Hz去漂移滤波器。心电图机电极和皮肤接触时，有些电极可以产生几百mV的极化电位。前置放大器的放大倍数不宜太大，以避免造成电路饱和，前置放大器的增益一般在100以下。为使心电信号推动记录机构，需要主放大器将心电信号进一步放大。前置放大器和主放大器之间可通过RC耦合，它决定了心电图机的低频响应，低端频响常以RC 乘积（即时间常数来表示），如1.6秒，3.2秒。心电信号前置放大器心电图机电极和皮肤接触时的接触电阻不平衡降低抗干扰能力，故在每根导联线与缓冲放大器之间都接有10k电阻以减少接触电阻不平衡的影响。三运放前置放大器:心电图机常采用三运放组成的仪用放大器，如下页图所示。差分放大电路对经过导联选择电路选择的心电信号进行放大。差分电路的特点是抑制因静电或磁感应而引入的 50Hz交流共模干扰信号，使所需要的心电图信号得到放大，其放大倍数约为20倍。进一步去除50Hz干扰还装有50Hz滤波电路。三运放前置放大器图心电信号前置放大器抗共模干扰电路共模干扰就是同时叠加在两条被测信号线上的外界干扰信号，因屏蔽引线的分布电容不完全相等而引起。抑制共模干扰的措施：（1） 利用双端输入的运放作为前置放大器，抑制共模干扰。（2） 利用隔离放大器，变压器或光电耦合器将信号源和仪器隔离，使两个地之间没有直接的导通回路。（3） 利用浮地输入双层屏蔽放大器。数字化医疗仪器的共模干扰RxExI2I1R2R1ECMRCMEnHR1Z1Z2L数字化医疗仪器数字化医疗仪器eBenRxExIEVi数字化医疗仪器的串模干扰串模干扰它是由外界条件引起的，叠加在被测电压上的干扰信号，并通过测量仪器的输入端，与被测信号一起进入测量仪器而引起的测量误差。串模干扰主要来自于高压输电线所产生的空间电磁场。抑制串模干扰的措施：（1） 采用滤波器双T滤波器，低通滤波器等。（2） 选择器件采用双积分型的 A/D 器件。积分周期要等于工频周期的整数倍。（3） 电磁屏蔽除进行电磁屏蔽外，应选用带有屏蔽层的双绞线或同轴电缆作信号线。三运放电路特点为:1、 高输入阻抗;2、 高共模抑制比CMRR;3、 改变RG 可调节放大倍数。公式计算：设： 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：总差模增益 AV=AV1*AV2= - (1+2R1/RG)R5)/R3 而总共模增益AVM=AVM1*AVM2=1*0=0AAAVi1Vi2R1R2RGR3R4R6R5V0+-三运放电路特点为:高输入阻抗;高共模抑制比CMRR;改变RG 可调节放大倍数。心电信号前置放大器如图9-3所示三运放组成的放大器，是心电图机通常采用的放大器。当R2=R3，R4=R6，R5=R7例：V = 2 R 2 + 1 R 5 A R 1 R 4 2200100 = + = 倍AV 211100 20 调节R144,可减小共模输出信号。二、光电耦合接口电路在病人与仪器设备之间必须有良好的隔离措施，以免病人受到仪器漏电时的强电危害以及使用除颤器时设备受到高电压冲击的损伤。因此，隔离放大器是必不可少的。目前用于这种隔离的器件有许多种，例如光电耦合器、变压器、光敏电阻、磁敏电阻或霍尔效应器件等。下图为接口电路的工作原理光电耦合接口电路由于光电管选用的是配对器件，放大器的性能近于理想，配对电阻近似相等，电路补偿效果可以很好，整个电路线性度容易达到1。而：i2 =V cc 2v0+R 5R 7 + R8若 Vcc1 =Vcc2，调 R5 ，使V cc 1V cc 2=R 2R 5vvR + R电路的增益推导如下：2111RVRviccI+=因光电管完全匹配，故： i1 = i21078R1 = R 7， v 0 =R 1v1+ R8v0R7 + R8Av = v1R1电路中的电容是为了扩大放大器工作的频率范围而设置的。由于电路具有线性和宽带等特点，常串接在生物电放大器的前置输入和主放大器之间，有效地避免了触电危险和设备损伤的可能，抑制了微机系统与生物电放大器之间共地而产生的回流干扰。两组电源也需要隔离。5.2 CF型数字式单道心电图机（ECG-6951D）5.2.1 概述ECG-6951D心电图机是上海光电医用电子仪器有限公司开发的一种带有液晶显示屏幕的热线阵打印和微处理器控制技术的普及型单道自动心电图机。该机小巧轻便，操作简便，记录清晰。ECG-6951D心电图机安全规格符合GB9706.11995标准要求，为1类CF型机器。可作腔内心电图检查，极限漏电流10uA。1ECG-6951D主要特点(1)采用16位微处理器。(2)采用热线阵打印技术，消除了非线性及过冲问题，并可以打印记录心电波形、导联名称、时标、走纸速度、增益、滤波器等数据。(3)具有3.2英寸黄绿模式液晶显示屏，能显示导联的状态、走纸速度、滤波、灵敏度、手动/自动状态，及缺纸及工作异常的显示。在工作状态时能显示心电波形。(4)具有手动/自动记录方式，自动方式下基线位置自动控制、增益自动控制可手动移位控制。ECG-6951D主要特点(5)自动方式下，导联记录时间可设定。(6)步进马达及高效传动系统，可靠性高，起动特性好。(7)有工作异常检测、指示和标记功能，缺纸检测和指示。(8)安全保护功能：输入除颤保护、热线阵打印缺纸保护等。(9)电池充电自动控制。CF型数字式单道心电图机（ECG-6951D）2ECG-6951D主要技术指标(1)ECG输入导联: 标准12导联输入方式: 浮地输入输入回路电流：0.1A 极化电压：300mV 标准灵敏度： 1002mm/reV 共模抑制比：100 dB 频率响应：1150Hz -3dBCF型数字式单道心电图机（ECG-6951D）(2)波形处理交流滤波: 50Hz 肌电滤波: 35-45Hz 时间常数：3.2秒波形状态检测: 电极异常灵敏度选择: 5、10、20mm/mVCF型数字式单道心电图机（ECG-6951D）(3)记录器打印方式: 高分辨率热打印头打印密度: 200dpi (垂直方向) 记录宽度: 48mm 走纸速度: 25，50mm/s 记录纸: 50mm(宽)x 30mm(长)卷纸 (4)液晶显示屏显示区域: 65 x 33mm 分辨率: 128点(列)x 64点(行)CF型数字式单道心电图机（ECG-6951D）(5)示波输出插口灵敏度: 0.5V/mV 输出阻抗: 100(6)外接输入插口灵敏度 : 10mm/0.5V 输入阻抗: 对地100kCF型数字式单道心电图机（ECG-6951D）(7)电源交流电源: 220V/50Hz输入功率: 约35VA直流电源: 机内铅蓄电池, 连续工作时间2小时；充电自动控制(带涓流充电)，有过充电保护节电功能：直流状态下无键操作约5分钟后自动切断电源。3心电图机方框图心电图机主要由前置放大板、主放大板、控制板、电源板四块板以及马达、记录器、热笔等机械装置组成，框图如下图所示。输入（心电信号）前放电源输出（描记心电信号）主放+12 +8 -8控制心电图机原理框图5.2.2 数字式单道心电图机软件原理1、单片机软件特点ECG-6951D的控制核心使用的是16位单片机，单片机设计包 硬件设计和软件设计，结合基于单片机的应用软件，来完成一系列功能。如下页图所示。单片机的软件具有如下特点：(1)与硬件联系紧密，必须要对硬件有一定的了解。(2)有自己特殊的指令和编译连接系统。(3)软件具有个性，不同的芯片软件一般不能通用，必须经过移植。数字式单道心电图机软件原理单片机应用系统图数字式单道心电图机软件原理2、主控CPU特点ECG-6951D控制核心使用的是Intel公司生产的高性能16位单片机80C196MH，其特 适用于各类自动控制系统，一般的信号处理系统及高级智能仪器。因为这些系统通常要求实时处理、实时控制。而Intel16位单片机具有的下述特点可以提高系统的实时性：(1)CPU中的算术逻辑单元不采用常规的累加器结构，改用寄存器寄存器结构，CPU的操作直接面向寄存器，消除了一般CPU结构中存在的累加器瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。数字式单道心电图机工作原理(2)通用寄存器的数量远比一般CPU的寄存器数量多。这样就有可能为各中断服务程序中的局部变量指定专门的寄存器，节省了中断服务过程中保护寄存器现场和恢复寄存器现场所需的软件工作，方便了程序设计。(3)有效率更高、执行速度更快的指令系统。(4)具有外设事务服务器PTS，专门用于处理外设中断事务，和普通中断服务过程相比，PTS服务大大减少了CPU的软件处理。此外，80C196MH还具有丰富的外设。如下图所示：80C196MH外设图数字式单道心电图机工作原理(1) 外设事务服务器PTSPTS是一种微代码硬件中断处理器，可以减少CPU响应中断的处理。靠若干组固定的微代码，PTS可以对一些固定的操作实现高速的中断服务。如：数据传送、启动A/D转换并读取转换结果等。(2) 事件处理器阵列EPA包 若干个捕获/比较模块和若干比较模块，用来实现输入事件和输出事件发生的功能。(3) 灵活的A/D转换器A/D转换器具有转换位数（8位和10位)可选择、采样和转换时间可选择的特点。数字式单道心电图机工作原理(4) 波形发生器可以输出2组互补的3相PWM信号，特 适合用于电机控制系统。(5) 从口（SLAVE PORT）从口为单片机和其他微处理器之间提供一个接口，可以相互通讯。(6) 同步串行口支持若干标准同步串行传输协议。380C196MH的软件设计(1)编程语言80C196MH的软件设计可以采用汇编语言或高级语言，两种语言的特点对比如表9-1所示。汇编语言具有源代码小、效率高等优点，适合于对实时性要求较高的场合，但是由于汇编语言调试比较麻烦，要求编程者对硬件的了解要很清楚。随着高级语言的发展，编译效率的不断提高，加之应用系统的规模和复杂性都在提高。目前，在单片机的软件开发中，高级语言占据重要的地位。表1 汇编语言和高级语言的特点对比语言种类编程效率源代码规模开发调试适用场合汇编语言高较小不直观调试不便适用于对实时性要求较高的系统，但不宜过于复杂的大规模系统高级语言如：C51、C196较高较大直观模块化模块化设计，适用于大系统，复杂化较高（2）设计流程80C196程序开发流程图ASM196文本编辑器编写源程序源代码目标代码连接好的目标代码C196编译器LIB196RL196连接器仿真器仿真调试程序OH196转换为烧录文件烧录芯片(3)80C196MH的软件开发套件1)C196：C语言编译器，将C源程序编译为目标文件。2)RL196：C语言连接器，将目标文件结合库，连接为仿真调试文件。3） LIB196：程序需要的库文件，参与连接。4） OH196：生成烧录文件。以上4项均为DOS环境下应用软件，目前均为WINDOWS环境下应用软件5） 仿真运行、调试：仿真软件Easypack SLD v1.2为集编辑，编译，连接，运行，汇编等功能于一体的Windows应用软件。目前仿真软件大都具有如下功能：源程序编辑，编写C程序或汇编程序在集成环境下启动编译程序，系统自动编译源程序为目标程序，如果程序有错，系统会报错，再修改编译。在集成环境下启动连接程序编译连接成功后，可以进入仿真界面，系统支持运行，断点，追踪等功能。可以实时的对寄存器修改等操作。根据芯片不同，有些仿真软件还可实现在线编程，在线写入，完全模拟了程序真实的运行情况，功能很强大。ECG-6951D主程序软件4ECG-6951D主程序软件根据功能进行资源分析主控CPU要完成的主要功能，通过功能和资源分析，80C196MH在以下几方面均可满足心电图机的功能要求：1)I/O数量；2)A/D指标；3)波形发生器；4)PTS中断；5)同步传输速度；6)异步传输协议；7)运算能力。ECG-6951D主程序软件系统流程图详见“系统流程图”。各重要内容介绍1)采样频率:根据心电图机的频响要求，确定本系统采样频率为1000Hz，即1毫秒采样一点，处理一点，然后打印一点。这样才能不失真的实时的记录一个心电波形。在一毫秒内必须完成的工作如下页图所示：ECG-6951D主程序软件一毫秒内完成工作图系统流程图，如图所示。程序构成分析，如下图所示：程序构成分析头文件定义#include “80C196.h”#include “xxxxx.h”控制变量&函数声明Float xxxIntxxx主函数Main( )initial_set(); 初始化设置while(1)key_scan(key);system_set();system_manager();switch(key)ecg_parameter1_set();ecg_parameter2_set(); 子函数Initial_set();Key_scan(key);System_set();System_manager();Ecg-parameter1_set()Ecg-parameter2_set()中断函数Motor_init();Motor_interrupt();Ad_init();Ad_interrupt();Sci_init();Sci_interrupt();Compare_init();Compare_interrupt();程序构成分析图程序构成分析1)头文件的定义：主要定义一些芯片特殊的寄存器。有 于普通C语言的头文件定义。定义的语法也比较特殊。2)控制变量及函数声明：程序需要的常用变量标志位及函数的说明。特殊之处：可以在定义变量的的同时，分配其地址空间。3)主程序：构建整个系统的架构，各功能模块的初始化及中断程序的参数重装。系统报警程序调用。 4)重要子函数：一般子函数只需在调用前定义好，声明好即可。中断函数则需要特定的语句来定义，同时必须声明好中断函数的中断地址。程序构成分析1毫秒定时函数及其中断函数A/D转换函数及其中断函数同步传输函数及其中断函数数据处理函数马达中断函数异步通讯函数及其中断函数如马达中断函数程序构成分析打印控制本机采用热线阵打印记录方式。在记录波形的同时可以记录文字。波形打印：除基线以外的波形部分，用一点发热方式打印。基线打印：为了模仿热笔记录方式，基线比较粗，故采用同时发热多点的方式来打印。打印过程中必须要注意打印过热，造成热线阵上发热点烧坏，或记录纸烧坏。本公司采用千鸟打法来解决此问题。程序构成分析自动功能的实现自动定标：在记录每一个导联之前，系统自动在波形前加入一个定标。自动增益：自动模式下，当信号过大时，通过软件识 自动改变系统增益，以便记录合适的波形。自动基线：开机时系统通过基线AD通道采集的数据，确定基线的位置，在自动方式下，会自动根据心电图波形的特征，自动将波形摆放在一个合适的位置。程序构成分析数字滤波为了消除干扰及排除50赫兹工频干扰，在数据处理函数中会将AD采集的心电数据进行数字滤波，这也是软件的特长。但是，做大型的数字滤波对CPU的要求较高，尤其是浮点运算，乘加运算速度。为了提高效率最好选用带有硬件乘法器的芯片，同时此部分的编程语言最好用汇编语言，以提高效率。可以用Matlab来仿真调试数字滤波。程序构成分析系统设置本机可以设置自动记录每导联的时间从112秒可选。同时通过软件可以在手动方式下实现基线的移位。在自动方式下实现特定导联的保持记录。总之，在硬件的基础上，通过软件可以实现单片机系统强大的功能，而且升级更改十分灵活。单片机的硬件和软件相互制约，相互促进，都必须有较多的理解。5液晶控制程序(1)芯片介绍主控芯片：飞利浦51系列单片机，OM4368BN，如下图所示：OM4368BN芯片图液晶控制程序特80C51核心处理单元；片内Flash程序存储器；最大频率为33MHz；全静态操作；RAM可外部扩展为64K字节；4个中断优先级；6个中断源；4个8位I/O口；液晶控制程序特全双工增强型UART：帧数据错误检测；自动地址识 ；3个16位定时/计数器T0、T1（标准80C51）和增加的T2（捕获和比较）；电源控制模式：时钟可停止和恢复；空闲模式；掉电模式；双数据指针；可编程时钟输出；异步端口复位；低EMI （禁止ALE）；掉电模式可通过外部中断唤醒。(2) 开发流程：开发过程基本同80C196MH (3) 编程语言：Franklin C51第三版。(4) 软件流程，如图9-15所示：5.3 智能携带式动态心电监护仪(Holter) 动态心电图-DCG。智能动态心电图机(Holter)是采用微型计算机对DCG实时分、判断并有选择记录, 发现重症及时报警的携带式监护记录仪。5.3.1 动态心电监护仪的结构及其功能1. 功能根据心电波的RR间期、QRS波宽、幅度大小等特征量进行实时分析，判断并有选择地存储记录。可以诊断室颤、心动过缓、漏博、停博、早博、RonT等10多种心律失常病症。2. 组成结构 (见下图)5.3.2 智能Holter的算法及其程序设计智能动态心电监护仪系统工作流程见下页框图1.数字滤波在心电信号的拾取，放大及变换过程中，会引起各种干扰。用数字滤波对经过A/D转换后的心电信号进行滤波和平整。抑制50Hz工频干扰采用5点对称数字滤波器，即:Y1(n)=X(n2)+4X(n1)2X(n)+4X(n+1)X(n+2) 其中X、Y分 是心电信号原始采样序列及经过滤波后的信号序列。开始采集心电波形数字滤波QRS波检测R波高度补偿QRS波模板匹配?记录发病时间及类重病?声光报警数据压缩建立新QRS模板YNYN智能动态心电监护仪系统工作流程图滤波器的频率响应H(e j) =cos 2+ cos对于的采样频率，在处滤波器增益为零，如滤波器的幅频特性曲线图(a)所示，但在高频率端信号的特性变差，此需进行平滑滤波。平滑滤波器的方程为1Y(n) = Y1 (n1)+2Y1 (n)+Y1 (n+1)4级联后的滤波器差分方程为Y(n)=X(n3)+2X(n2)+5X(n1)+4X(n)+5X(n+1)+2X(n+2)X(n+3) 级联后的滤波器频率应为H(ej)=cos+2cos2+5cos+2频率特性曲线如下图滤波器的幅频特性曲线 (b)所示，由图可知通频带大约在左右。这会使QRS波的高频成分有所下降。但QRS波的主要频率成分在，大于的高频成分所占的比重不大，已能满足对心律失常识 的要求。0 20 40 60 80 1000 20 40 60 80 100(a)(b)滤波器的幅频特 曲线图2. QRS波检测（1） 技术处理求出绝对微分数据的形式: 1(Xi3 +Xi1 +Xi+1 +Xi+3)(Xi2 +Xi +Xi+2 +Xi+4)Xi =4为了便于设计识 区分点的程序，把上式修改成求绝对微分数据的形式：Xi =(Xi3 +Xi1 +Xi+1 +Xi+3)(Xi2 +Xi +Xi+2 +Xi+4)（2） QRS波检测先求出400个微分数据的最大值。由最大值定出阈值1，应保证能识 每一个 QRS波群超过阈值1的时刻作为R波的代表点，表明已进入QRS波群。然后逆方向（P波方向）求微分值小于某一值（阈值2）的点，将在0.015s（相当于3个采样点）期间内连续小于阈值2的那些点的最后一点作为QRS波的起点。QRS波终点的识 与起点相似。起点与终点的间期定义为 QRS波的宽度。QRS波的处理（3）R波检测在原始心电图中，从识 出的QRS波起点开始，求 200ms内数据为最大值的点作为 R 波顶点，两个相邻 R 波顶点之间的间隔即为 R-R 间隔。3. R 波高度的补偿因为A/D 采样不一定正好采到 R 波的峰值上，故需对 R 波进行高度补偿。设R波上升和下降斜率基本相同，而计算机对R波采样高度为 a 。见下图(1) 采样点正落在R波的峰值上, a-a-1 =a-a+1,则 VR=a.(2) 采样点在R波上升沿, a-a-1 a-a+1，则VR=a+|a+1-a-1|/2(3) 采样点在R波下降沿, a-a-1 a-a+1，则VR=a+|a+1-a-1|/2(4) 采样点在R波下降沿, a-a-1=0,则VR=a+(a-1-a-2)/2(5) 采样点在R波上升沿, a-a+1=0，则VR=a+(a+1-a+2)/2a+1aa-1a-2a-1aa+1a+2a+1a+2a-1a-2aa-1aa+1aa+1a-1a-2a+2R波的高度补偿示意图4. QRS 波模板匹配技术系统软件通过自学习,建立一个正常的QRS 波模板，判断以后的实时心电信号是否与模板匹配(各项特征参数大致相等否)。若匹配就说明此QRS波与模板是同一类波形;否则就怀疑它是异常的QRS波,存入内存作另一类模板。如此反复,建立一个QRS波模板集。5. 心电数据压缩算法目的: 减少数据量,而又不使主要信息失真。转折点算法: 它分析采样点的趋势,在两相邻点中只存储一个, 可以压缩数据一半。基本方法: 以X0作为参考点,在随后的X1和X2两点之中选择一点。见下表:心电数据压缩算法表数学算法:其中，若: (X2 - X1)*(X1 - X0) 0 , 则 X0 = X1 ; 若: (X2 - X1)*(X1 - X0)0 , 则 X0 = X2 。优点: 简便迅速. 缺点: 连用两次后,失真显著。5.4 病房监护技术医疗监护技术最重要的应用是对住院危重病人的监护，简称病房监护。监护的对象多数是危重病人。按监护内容分为：冠心病监护病房（Coronary Care Unit，CCU）、危重病人监护病房（Intensive Care Unit，ICU）、新生儿监护病房、手术监护及其他各种专科监护病房等。5.4.1 生理参数的多路实时监护对危重症患者，通常要连续或间断连续监测下列生理参数：(1)血压：无创间接法测动脉血压(收缩压、舒张压和平均压)或有创直接检测动静脉血压，一般尽可能采用无创监测。(2)心电图和心律：通常用导联对心电图进行连续监测，对冠心病患者，往往还需要同时监测V5导联和导联I的心电图，不仅了解心搏情况，而且可以对心肌缺血、心肌梗塞、各种心律失常(如室颤、房颤、早搏、停博等)作出分析和判断。(3)体温：因体温变化较慢，可采取间断采样测量的方式(05h2h测一次)；观察一昼夜体温变化情况。(4)呼吸：监测呼吸次数、质量，包括呼吸量、呼出二氧化碳 量等，判定是否存在呼吸障碍(如痰阻塞) 及肺气交换功能是否正常。属于因病情而异所增减的监测项目有：(1)血气参数：对伴有呼吸功能衰弱与障碍、肺功能衰竭的患者，监测血气参数，包括动脉血液的pH值、血氧饱和度、二氧化碳饱和度等。(2)脑电图：对于意识不清和脑损伤患者，要监测其脑电图，判定病情变化趋势。通常只需单道或双导(左、右侧)记录。(3)肝功能、肾功能、电解质平衡，包括血糖、尿液分析和血红蛋白测定等。这些参数通常没有连续的监测仪器，采用间断式采样分析，由护士操作，也是针对病情的常规测试项目。生理参数都由电极或专用传感器提取信号，例如：心电信号(ECG)或脑电信号(EEG)由贴片电极提取；与呼吸参数由气体流量计、气样采集与分析变换器提取；体温用热电偶或半导体温度计取得；血压可由微型压力传感器从动、静脉取得(直接测量法)，或者用气囊或袖套通过测振法或柯氏音法取得。各种被测生理参数可分为两大类：一类是电信号，通常直接用电极提取；另一类是非电信号，如血压、呼吸等，需通过不同的传感器取得。凡是需要连续监测的信号都必须转换成电信号，再经过放大和预处理(滤波去噪、平均叠加等)，再变换成数字信号，以便用计算机进行信号处理与分析。见下页图：传感器传感器放大及预处理放大及预处理显示器打印机信号报警微处理器或微计算机存储器模-数变换器多路开关监护仪一般有自检测装置，通过硬件和软件检测系统是否处于正常工作状态、导联电极是否脱落等。当系统不正常时，如电源断电、电极松动或脱落时，即发出报警信号。几乎所有的监护仪都有超限报警装置，即当所监测的参数超出设定的正常范围一定时间后，即发出声、光报警信号。此报警信号应与设备工作不正常的报警信号有所不同。多参数生理信息的采集和监护中需要解决的关键技术主要有：(1)信号的隔离：由于监护仪的主电源都是交流供电的，而测量电极有的直接置入血管内，有的虽置于体表但靠近心脏，交流漏电可能导致病人生命危险，必须有良好的电源和信号隔离。(2)不同信号间的串扰与交叉调制：各路信号间可能会通过公共地线、电源内阻、空间电磁耦合而发生串扰和交叉调制，这就要求各路信号放大器之间有良好的隔离和屏蔽。(3)不同采样率和采样精度间的协调：根据不同生理参数特性调整选择合适的电位动态放大措施及采样频率。如心电和脑电的采样频率可设为:250500Hz。(4)实时自动分析技术：实现对反映病情的各关键生理参数的自动监护，如：分析心率失常严重性、心肌梗塞和心肌缺血程度等。(5)数据的存储与回顾：由于监测是连续进行的，数据量大，可以将监测的数据选择存储，供深入进行医学研究和分析使用。(6)多参数显示技术：设置显示缓冲区动态滚动显示波形并显示各参数。(7)安全性和可靠性: 应保持系统长时间正常监测患者参数及可靠工作。(8)价格和使用费用: 要求监护仪器性价比高。5.4.2 CCU与ICU中的监护技术一、CCU中的监护技术现代CCU监护系统有两大类：一类是分散监护系统，另一类是集中监护系统。前者是对单个病人进行监护，其监护仪独立成机。后者是典型的 CCU 监护系统，可以同时监护多个病人，便于集中管理，仪器使用效率高。目前在医院CCU病房中大多采用集中监护系统。集中监护系统由床边监护仪和中央监护控制台两部分组成。部分集中监护系统中的床边监护仪也可成为独立的监护系统。集中监护系统中的床边监护仪和中央监护控制系统联合使用，由接口电路和数据通信线路连接，床边监护仪的数据可以传送到中央监控台，控制台能控制床边监护仪的工作。当出现某一监护参数超限时，不仅床边监护仪给出报警信号，而且在中央监护控制台也会发出报警，并指示报警的床号和参数。通常，一个中央监护控制台可接412个床边监护仪系统。CCU监护系统的基本结构如下页图所示。中央监护控制台一般可管理 48台床边监护仪，有的可扩展到12台。管理台数越多，对中央控制台的主机运算、数据存取速度要求越高。目前床边监护仪功能越来越强，已成为一种完全可以独立工作的监护系统。与早期的监护仪不同的是，中央控制台可不必对各路信号进行分析，主要起集中监控作用，因而接入床边监护仪的台数可以增加。以下为床边监护仪结构图：中央监控台还可以存储必要的数据和结果，记录24小时内对各床边监护仪信号的监护分析结果，并打印输出。中央监护控制台和各床边监护仪之间采用异步通信方式，传输速率可达100Mbits，实际上是一个小型局域网。二、 ICU中的监护技术ICU(加强监护病房)与CCU监护的相同之处在于，两者都需要监护心电参数，因为循环系统功能正常与否是保证生命安全的基本要素。两者的区 是：CCU不一定需要监护呼吸、体温或者血压，而ICU 对这些参数必须进行监护；ICU的病人往往还需监护脑电及心输出量；重症CCU病人实际上也应视为危重病人，因而也需根据情况增加血压、呼吸等其他参数的监护； ICU的监护系统很难有一种规范的程式，其中有些监护不能用仪器连续监测，需要用人工采样的办法通过间隔式化验分析进行监护，例如：对肾衰患者的尿液进行定时分析，对血液病患者的血样进行化验等。因此，对ICU病人除了同样可以使用床边监护仪外，可能还需要其他监护仪或监护手段。5.4.3 多生理参数监护仪多生理参数监护仪是一种用来对危重病人的众多生理（或生化）进行连续、长时间、自动、实时监测，并经分析处理后实现多类 的自动报警、自动记录的监护装置。一、多参数监护仪中各类生理参数的检测多参数监护仪需监护两类以上的生理和生化参数，常监测的参数有：（1）心电图（ECG ）心脏在搏动之前，心肌首先发生兴奋，产生微弱电流，经人体组织向各部分传导，因身体各部分与心脏间的距离不同，因此在人体体表各部位，表现出不同的电位变化，通过导线送至一种特制的记录装置记录下来，形成动态曲线，就是所谓的心电图（Electrocardiogram，ECG），也称为体表心电图。心电图（ECG）是多参数监护仪最基本的监护内容，心电监护往往采用导联，亦有采用、标准导联或全12导联监护，视需要而定。在阴极射线管CRT屏幕上除给出心电波形外，应同时给出心率HR，并具有心律失常自动分析的功能。以下是心电图导联与电极安放图：心电图导联与电极安放图（2）无创血压心脏收缩时所达到的最高压力称为收缩压，它把血液推进到主动脉，并维持全身循环。心脏扩张时所达到的最低压力称为舒张压，它使血液能回流到右心房。血压波形在一周内的积分除以心周期T称为平均压。图1.5为血压测量袖带的缠绕方法。血压测量袖带的缠绕方法图有多种方法可实现血压的无创测量，在多生理参数监护仪中通常采用柯氏音法和测振法两类。柯氏音法是检测袖带下的柯氏音（脉搏声）来测定血压的，柯氏音无创血压监护系统包括袖带充气系统、袖带、柯氏音传感器、音频放大及自动增益调整电路、A/D转换器、微处理器及显示部分等。测振法是检测气袖内气体的振荡波，振荡波源于血管壁的搏动，测量振荡波的相关点就可测定血压值（PS，PD和PM）。测振法获得脉搏振动波的方法可借助微音器和压力传感器。（3）血氧饱和度血氧饱和度是衡量人体血液携带氧的能力的重要参数。血氧饱和度的测量目前广泛应用透射法（或反射法）双波长（红光R：660nm和红外光IR：920nm）光电检测技术，检测红光和红外光通过动脉血的光吸收引起的交变成分之比IIR/IR和非脉动组织（表皮、肌肉、静脉血等）引起光吸收的稳定分量（直流）值，通过计算可得到血氧饱和度值SPO2。由于光电信号的脉动规律与心脏搏动的规律一致，所以根据检出信号的周期可同时确定脉率，因而亦称该方法为脉搏血氧饱和度测量。下图为血氧饱和度测量时手指安放的方法。氧饱和度测量时手指安放的方法图（4）呼吸波与呼吸率呼吸测量是肺动能检查的重要部分。在监护仪中，通常测量呼吸波并测定呼吸（频）率（次/ 分钟）。呼吸频率的测量可通过热敏电阻（传感器）直接测量呼吸气流的温度变化，经过电桥电路将这一变化变换成电压信号，也可采用阻抗法来测量呼吸频率，因为呼吸运动时，胸壁肌肉交变张驰，胸廓交替变形，肌体组织的电阻抗也随之交替变化。测量呼吸阻抗值的变化可采用电桥法、调制法、恒压源法和恒流源法等多种方式。在监护仪中，呼吸阻抗电极可与心电电极合用，在检测心电信号时可同时检测呼吸阻抗变化和呼吸频率。（5）体温体温是了解生命状态的重要指标。监护仪中，体温的测量常采用负温度系数的热敏电阻作为温度传感器，采用电桥作为检测电路。现在已有集成化测温电路可供选用。高档的监护仪可提供两道以上的测温电路，以测量两个不同部位的温差T=T2T1。体温探头（传感器）可采用体表探头和体腔探头，分 用来监护体表和腔内温度。在一些特殊场合，为了避免交叉传染，亦可以采用红外非接触测温技术。监护仪中，测温精度应在0.1，应有较快的测温响应。（6）心输出量心输出量是指心脏在单位时间内输出的血量（L/min）。它是衡量心功能的重要指标。在监护仪中，心输出量的测量常采用热稀释法，将冷液（生理盐水或葡萄糖液）注入漂浮导管中，当冷液与血流混合后将会发生温度变化，温度变化由导管前端的热敏电阻检出，并通过计算获得心输出量，这种方法可高精度反复测量不同时间的心输出量，其测量间隙最短可达2分钟。二、多生理参数床边监护仪的设计多参数监护仪能自动测量心电、血压、脉搏率、血氧饱和度、呼吸速率、体温、呼吸中的二氧化碳浓度等生理参数，是临床上广泛使用的医疗仪器。除可靠、安全和便携等要求之外，多参数监护仪还应具备波形显示、操作便利等特点，因此设计中普遍采用CRT显示器或液晶显示屏。下图为一模块化多生理参数床边监护仪的组成原理框图。仪器由工控卡、心电、血压、血氧 OEM模块、电源模块及各种探头以及9”绿色CRT显示器（或液晶屏）等组成，该系统的功能模块可以扩充，既可以单独使用，也可通过通信接口与中央监护控制台联机。模块化多生理参数床边监护仪的组成原理框图（一） 主控模块主控模块采用了嵌入式工控卡设计，它具有工控机的主要优点，能经受恶劣环境的考验，而且采用开放式总线结构，体积紧凑，扩展方便。它们采用CMOS器件设计，功耗低，又支持电子盘，在固化BIOS和DOS的支持下，可使用PC机的软件资源，便于编制和实现复杂的算法。再加上使用无源底板、抗干扰的Wathdog电路等，使它们很适用于医疗仪器等嵌入式系统的设计。卡上还有键盘插口和软、硬盘接口，可用在设计阶段调试程序。一个并口可用来驱动记录病案的热敏记录仪或打印机。它具有与PC/AT兼容的总线ISA、PC104接口，能通过无源底板与外设相接，包括与TFT显示器连接，实现生理参数波形和测量结果的大屏幕彩色显示。后页图为3英寸的PCM-3054工控卡外形图。其具体 能如下：CPU处理器：采用嵌入式CPU，386SX-40，16位数据总线、8MHz总线速度。DMA通道：7。中断：15级。内存：4MB在板。I/O:一个硬盘口、一个软驱口、3个RS-232串口、1个RS-232/485串口、1个双向并口、16bit GPIO。电子盘：支持Flash/DiskOnChip。显示：1MB显存，支持最高24bit液晶屏，支持CRT。以太网：NE2000兼容，内建16KRAM缓冲区，10MB传输速率。电源：单5V，960mA。主控模块是现代监护仪的核心部分。它接受来自各功能模块的数据及波形参数，并对数字信号进行分析和存储,控制输出同时协调、检测整机各部分的工作。控制信息输出有显示波形、文字、图形，启动报警和打印记录等。系统开发时，接上硬盘、键盘和显示器等外围设备，就相当于一台PC机。软件开发完成后，将程序写入电子盘，移去硬盘和键盘变自成系统。（二） OEM模块OEM(Original Equipment Manufacturer)模块的结构基本由下列四个部分组成:信号采集部分：通过电极和传感器拾取人体心电、血压、呼吸、血氧饱和度等生理参数信号, 并将这些信号转化为电信号。模拟处理部分：通过模拟电路对采集的信号进行阻抗匹配、过滤、放大等处理。 数字处理部分：由模数转换器、微处理机、存储器等组成。由模数转换器把人体生理参数的模拟信号转化为数字信号，由存储器存储操作程序、设置信息和临时数据(如波形、文字、趋势等)，微处理机（单片机）接收来自工控卡的控制信息、执行程序，对数字信号进行运算、分析和存储。信息输出：以约定的协议通过串口传输给上位机（工控卡）各生理参数的测量结果和波形数据。系统有心电、血压、血氧3个测量模块，需用三个串口与工控卡通讯，而PCM-3054工控卡配有四个串行口，完全能满足监护仪设计的要求。1、 心电模块整个心电模块的原理框图如图9-18所示，主要由前置电路、隔离电路、主放大电路、滤波电路、A/D转换电路和微处理器等组成。其中，滤波电路采用有源滤波，而A/D转换电路则为8位的模数转换器TLCO832CP。其电路详细介绍这里就不再描述。电极高低压保护电路前置放大电路A/D转换电路主放大电路滤波电路微处理器隔离电路心电模块硬件框图 BT007心电模块具有如下功能： 同步七通道心电波，四级程控增益，三级滤波方式(诊断方式，监护方式，手术方式)，起搏脉冲抑制功能，导联脱落报警，心率范围20250BPM，抗除颤及电刀干扰。 阻抗呼吸，四级程控增益，呼吸率范围599BPM。 双体温，测量范围050，显示精度0.1，测量精度：0.2。 TTL或RS-232串行接口电平规范可选。内 两套通讯协议：同步三通道心电协议与同步七通道心电协议，用户可通过跳线选择。BT007心电模块图同步七通道心电软件协议：(建议用RS-232电平规范)数据格式：28800 BAUDRATE, 8 DATA, 1 START, 1 STOP, NO PARITY（无奇偶校验）。(1) COMMAND (MASTER TO MODULE )：工控卡传送到模块，单字节指令（略）。通常用“0” “10”这11条指令即可以。(2) DATA (ECG MODULE TO MASTER ) 心电板发送的数据：以字节数据头加若干字节数据为一组，成组发送。其中数据头为251254，数据字节为0250。模块根据上述协议通过串口与工控卡通讯，并以中断方式接受 80386的控制；除提高了CPU效率外，还能有效避免各模块间传输的数据和命令的丢失，保证心电和脉搏波形的完好性和实时性，并能避免如此复杂的多CPU系统出错，提高可靠性。2、 血压模块图9-20是血压模块硬件框图，通过充气袖套在检测部位以20mmHg的增量逐级施加外力，当外力超过预设值后，开始以45mm