《医学仪器及系统》课程设计报告【监护仪功能和界面设计】.doc

1 重庆大学 医学仪器及系统医学仪器及系统 课程设计报告课程设计报告 学院 生物工程学院 年级 专业 2005 级生物医学工程 第 八 组 学生姓名 学号 指导老师 课程设计内容 模块化监护仪系统的基础设计和实验 上课地点 生物工程学院 201 室 设计时间 2008 年 12 月 15 日至 2008 年 12 月 31 日 2 重庆大学本科学生课程设计指导教师评定成绩表 学 院生物工程学院专 业生物医学工程 第 八 组 指导教师 课程设计 题目 模块化监护仪系统的基础设计和实验 指 导 教 师 评 语 课程设计 成绩 姓名学号成绩姓名学号成绩 指导教师签名 年 月 日 3 重庆大学本科学生课程设计任务书 课程设计题目模块化监护仪系统的基础设计和实验 学院生物工程学院专业生物医学工程年级2005 级 设计要求 设计并实验符合要求的监护仪基本系统 1 基本要求 1 深化并拓展医仪等课程相关知识点 收集整理资料并撰写监护仪系统综述 2 了解并掌握监护仪相关模块硬件设计思路及工作原理 3 熟悉并编写相关接口通讯程序及简单应用程序 实现通讯及简单数据显示 2 提高要求 1 调试相关监护仪基本系统并设计实验验证系统 2 通过检查系统联调 实验设计与实验报告总体考察团队协作能力 3 通讯及简单数据显示外其他协议功能实现 学生应完成的工作 在 3 周之内设计并进行符合要求的 模块化监护仪系统 的基本实验 并撰写设计 报告 其中课程安排时间未两周 进行设计实验 第三周内撰写报告 参考资料 1 医疗仪器 教材 2 现代医疗仪器原理及应用 教材 3 VB 相关编程指南 学生自选 课程设计工作计划 第 1 周 周一 发布任务 课题分组 组内讨论相关分工 查阅资料 周二 周四 相关分工任务分别进行 周五 中期检查 进展汇报 第 2 周 周一 周二 系统联调 综合实验准备 周三 周五 综合实验及系统调试 第 3 周 撰写设计报告 提交 注 未排进正式课程安排 任务下达日期 2008 年 12 月 15 日 完成日期 2008 年 12 月 31 日 指导教师 签名 学生 签名 小组成员 4 课程设计任务分配表课程设计任务分配表 姓名学号任 务 20056736 担任组长 负责安排与协调小组成员的工作任务与 进度 系统功能与界面规划 系统调试与综合实验 实验报告整理与综合 20056749 系统功能与界面规划 系统调试与综合实验 病人 信息登记模块的界面设计与功能实现 编程 20056743 负责心电模块的界面设计与功能实现 编程 并撰 写心电模块的实验报告 20056783 负责心电模块的界面设计与功能实现 编程 并撰 写心电模块的实验报告 20056771 负责血氧模块的界面设计与功能实现 编程 并撰 写血氧模块的实验报告 20056754 负责血氧模块的界面设计与功能实现 编程 并撰 写血氧模块的实验报告 20056729 负责血压模块的界面设计与功能实现 编程 并撰 写血压模块的实验报告 20056761 负责血压模块的界面设计与功能实现 编程 并撰 写血压模块的实验报告 20056742 负责撰写实验报告中的 监护仪的简介 部分 并 根据小组成员的讨论与体会 整理实验总结与体会 5 课程设计进度安排 第 1 周 周一至周二 接受任务 各小组成员查阅资料 了解仪器原理 把握设 计任务的要求 周三 组织成员进行讨论 根据讨论结果进行系统规划 并明确组内相 关分工 周四至周五 完成系统界面设计 同时组织负责相应模块功能实现的 编程 的小组成员学习 Visual Basic 第 2 周 周一 周二 各个模块的功能实现 编程 周三 系统联调 系统调试 周四 综合实验及检查验收 第 3 周 周一至周二 实验数据整理 撰写设计报告 周三 提交实验数据与实验报告 6 第一章 监护仪的简介 7 1 1 监护仪的基本概念及其意义 7 1 2 基本原理 7 1 3 监护仪的分类 8 1 4 监护仪的主要功能 9 1 5 多参数监护仪的监护参数 11 1 5 1 心电参数 11 1 5 2 体温和呼吸常数 12 1 5 3 血压参数 13 1 5 4 脉搏和血氧饱和度参数 13 1 6 我国医用监护仪的发展状况及发展方向 14 第二章 PM 9000 多参数监护仪的硬件模块简介 20 2 1 简介 20 2 2 主要功能模块介绍 22 2 2 1 通讯模块 22 2 2 2 心电 呼吸 体温心电模块 24 2 2 3 血氧模块 26 2 2 4 血压模块 27 第三章 系统分析与实现 30 3 1 开发工具的选择 30 3 2 系统分析 30 3 3 扩展功能的设计 33 第四章 系统调试与验证 34 4 1 系统总界面 34 4 2 病人信息登记模块 34 4 3 心电模块 36 4 4 血氧模块 41 4 5 血压模块 42 第五章 实践总结与体会 45 附录 46 参考文献 46 心电检测记录 47 血氧检测记录 48 源代码 48 总系统 XTJieMian 代码 48 病人信息登记模块 BRXinXi 代码 49 心电监护模块 ECG 代码 50 血压测量模块 NippDemo 代码 65 血压测量参数设定 SetState 72 血氧监护模块 BloodOXMain 代码 74 7 第一章第一章 监护仪的简介监护仪的简介 1 1 监护仪的基本概念及其意义监护仪的基本概念及其意义 监护仪是能够对人体重要的生理 生化指标有选择地进行经常性或连续性 的监测 并具有存储 显示 分析和控制功能 对超出设定范围的参数提示警 示的医学装置或系统 监护仪是医院不可缺少的重要设备 它是通过 24h 对各种生理参数的不间 断监测及分析 在病人的生理机能参数超出某一数值时发出警报 提醒医护人 员或病人家属进行抢救的一种监护系统 监护仪所提供的数据是医护人员诊断 治疗及抢救的重要参考指标 其在一些术中或术后的监测 可以帮助医生对手 术的影响及药物的治疗效果进行评价 并对护理及治疗提供帮助 监护仪具有实时性 长时间性 可干预性 自动性等特点 在临床上具有 重要意义 1 减轻医务人员的劳动强度 提高护理质量 2 为医生实施诊断 治疗和抢救提供了重要参考指标 3 减少并发症 大大降低危重病人的死亡率 4 可帮助医生对手术的影响及药物的治疗效果进行评价 5 可为医生提供病人疾病发展或愈合过程中有价值的附加信息 1 2 基本原理基本原理 监护仪功能各异 其基本工作原理也不相同 但一般都是通过传感器感应 病人的各种生理变化 然后通过放大器将信息强化 再由数据分析软件对数据 进行计算 分析和编辑 最后将结果在显示屏上显示出来 或根据需要记录 打印下来 当监测的数据超出设定的指标时 就会激发警报系统 发出信号引 起医护人员的注意 随着传感技术和电子技术的发展 病人监护技术也得到了飞速发展 监护 参数不断增多 由过去的单参数逐步发展为多参数 包括心电 呼吸 血压 体温 血氧饱和度 有创血压 呼出二氧化碳 心输出量 PH 值等多种生理参 数 仪器功能不断加强 由过去的简单监护 发展到了对异常波形的自动记录 8 与分析 由单一的床旁监护 发展到了由几台 甚至几十台监护仪的网络监护 信息输出的内容也从单一的波形显示转变为波形数据 图形 字符相结合 即 可实时 连续监测 又能冻结 记忆 回放 既可显示单次测量的数据和波形 又能进行特定时间段的趋势统计 监护仪的体积和重量不断减小 外观设计也 越来越精巧 更加方便了临床转运和移动场合的应用 应用范围逐步扩大 由 过去的主要应用于手术过程及 ICU 病房中扩大致所有临床科室的应用 尤其是 随着计算机应用水平的提高 软 硬件的配合使用 多参数监护仪对疾病的自 动分析和诊断功能也在大大的增强 在许多发达国家的医院里 病人监护仪已 经是一种很成熟很常规的医疗设备医用多参数监护仪主要由四个部分组成 信 号采集 模拟处理 数字处理和信息输出 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 通过 模拟电路时采集的信号进行阻抗匹配 过滤 放大等处理 由模拟转换器把人 体生理参数的模拟信号转化为数字信号 送入数字处理部分 它由模拟数转换 器 微处理机 存储器等组成 是多参数监护仪的核心部分 微处理机接收来 自控制面板的控制信息 执行程序 对数字信号进行运算 分析和存储 存储 控制输出同时协调 检测整机各部分的工作 显示波形 文字 图形 启动报 警和打印记录 1 3 监护仪的分类监护仪的分类 1 3 11 3 1 按物理结构分按物理结构分 1 单参数监护仪 如单血压 单血氧饱和度 单心电监护仪等 2 多功能多参数综合监护仪 如可同时监护心电 呼吸 体温 血压和血氧等 参数 这类监护仪一般是为满足普通临床科室的监护需要而设计的 3 插件式组合监护仪 这类监护仪属于高档监护仪 它是由各个分立的叮拆卸 的物理模块和一台监护仪主机组成 1 3 21 3 2 按专用功能分按专用功能分 监护仪按专用功能分 通用多参数监护仪 特殊多参数监护仪 如 麻醉 监护 呼吸监护 血气监护 脑电监护 睡眠监护 胎儿监护等 9 1 4 监护仪的主要功能监护仪的主要功能 1 心电检测 ECG HR 主要监测内容是心电图 有单道 三道 五道 七道 十二道不同的监测方式可以选择 监护仪的心电检测主要以心率检测为 主 另外兼顾 ST 段分析 心律失常事件回顾分析等宏观分析检测 由于实际 目标的不同 现阶段一般的监护仪不能代替心电图机和动态心电检测系统 2 无创血压检测 NIBP 监护使用最多的是自动无创血压计 能自动定 时测量血压 它分为脉波法 振荡法 相位差法等 在实际使用中使用最多的 是振荡测量法 20 世纪 90 年代发展起来的一种比较先进的电子测量方法 它的原理是利用袖带充气到一定压力 一般为 180 230mmHg 时完全阻断动脉 血流 随着袖带压力的减小 动脉血管将呈现由完全阻闭 逐渐开放 完全开放 的过程 动脉血管壁的搏动将在袖带内的气体中产生气体震荡波 气体震荡波信 号最强处就是被测部位动脉的平均动脉压 由平均动脉压计算出动脉的收缩压 和舒张压 具体到实际测量过程有在加压的过程中的测量方法 由欧姆龙公司 持有专利 有在卸压过程中测量的方法 该方法无专利保护 是监护仪使用的 主要测量方法 第 3 种方法是加压和卸压均进行压力测量 3 有创血压检测 IBP 有创血压监测是危重病人的血液动力学监测的主 要手段 有创血压由于传感器直接与血液连接 通过流体压力传递作用 从而 获得血管内实时压力波形 计算出收缩压 舒张压和平均压 因此可以准确测 量血压 其用于心脏和其他重大手术时监测动脉血压 ABP 中心静脉压 CVP 肺动脉压 PAP 主动脉压 AOP 桡动脉压 RAP 股动脉压 FAP 左房压 LAP 临床上的低血压 休克病人等最好使用有创法进行测量 有创 血压测量的准确度主要由传感器的线性分辨率 校准系统的精度决定 4 血氧饱和度 SpO2 根据血红蛋白和氧和血红蛋白对光的吸收特性的 不同 采用双波段 660 940 组合光 通过测量透过光量实现血氧饱和度的测量 氧合血红蛋白所占血红蛋白的比例 5 脉率 Pulse 脉率的测量一般由血氧饱和度传感器取得 即通过测量 由于血管过血量改变引起的透光量的变化频率获得 血氧饱和度波形的变化即 为透光量的变化 脉率与心率具有绝对相关性 对于颤抖的病人和 ECG 信号特 别弱的病人 ECG 信号可能难以提取出来 更难以进行心率计数时 对于异常 10 QRS 综合波同样参与心率的计算从而产生心率计算错误时 因此应优先以反映 心脏搏动状态的脉搏容积波显示心脏的有效收缩频率即脉率 6 呼吸 Resp 频率 呼吸频率参数来自于心电测量系统 通过电极测量 胸腔容积变化引起的阻抗值的变化频率获得 由于此参数受外界因素影响较大 此参数的参考率较低 7 体温 Temp 由温度敏感电阻实现温度的实时测量 在麻醉状态人体的 温度会随环境温度变化 所以大型手术的体温检测比较重要 8 心输出量 CO 分为有创和无创心脏输出量 有创测量心输出量目前 临床常使用温度稀释法 通过特制的漂浮导管注入冷液体作为指示剂 冷液体 进入右心房后随血液流动被稀释 温度逐渐上升 在肺动脉内用热敏电阻测量 血液变化过程 得到温度 时间曲线 经过计算机计算 可得到心输出量 无 创心输出量测量的可信度较有创测量低 9 呼吸末二氧化碳 ETCO2 呼吸末 CO2 分压或浓度是重要的生命指标 之一 麻醉患者和有呼吸功能障碍患者呼吸功能的重要监测指标 不仅可监测 通气 而且可以反映循环和肺血流的情况 根据测定原理可以分为 红外线测 量 质谱法 散射分析 声光分光 化学 CO2 指示剂法 使用比较多的是红外 线测量法 它的测量原理是采用红外吸收法 即不同浓度的二氧化碳对特定红 外光的吸收程度不同进行测量的 是麻醉气体监护的特例 10 麻醉气体 通过气体传感器直接检测气体浓度 为临床提供具体的参 考 包括 CO2 O2 N2O 以及自动识别氟烷 恩氟烷 异氟烷 七氟烷 地氟 烷 11 麻醉深度 麻醉深度监护的理论基础尚在探讨之中 麻醉深度仅仅作 为临床的一个参考 使用的方法各个厂家不同 但是有一点是相同的 就是基 于原始脑电图信息分析 通过对脑电信息结合其它信息进行综合分析处理 使 用简单直观显示方式 将数值直接对应于病人麻醉状态 统计 适于临床应 用 脑电地形图 或称脑电分布图 及双谱分析 总的称为定量脑电图 qEEG 由于 qEEG 系利用计算机进行频域或时域信号分析 故有更高的敏感性 特 别是谱边界频率 SEF 和双频谱分析指数 BIS 认为与麻醉深度有相应关系 但至今只能作为参考 另外 听觉诱发电位和躯体诱发电位同样与麻醉状态具 11 有相关性 同样作为麻醉深度的综合考察指标 不同的厂家综合的信息不同确 立了不同的方法 12 无创血气 TcpO2 TcpCO2 角质层中所含的脂肪成分在皮肤温度升 高时融化 结果使气体弥散增加 高达 1 000 倍 PtcCO2 和 PtcO2 电极因此 而设计 置于达 44 45 热的皮肤 电极温度增加表皮血流和 动脉化的毛细 血管内的血液 O2 和 CO2 从血管中弥散出来透过皮肤通过电极转化为电信 号 通过皮肤外液体电极直接测量血液中的氧分压和二氧化碳分压 实时提供 氧分压和二氧化碳分压参数和趋势 13 呼吸参数 通过与呼吸机的连接 通过传感器获取呼吸动力学相关参 数 通过对呼吸系统动力学参数的分析和处理 如流速和体积 监测病人的 呼吸顺应性情况 病人呼吸功能的恢复情况 为呼吸功能恢复和呼吸机参数的 调整提供支持 14 脑电图 与心电监测一样 其基本原理很简单 因其本身都产生生物 电信号 只要加以拾取 放大及显示等处理即可 正常人两侧对称点上引导出 脑电波的频率 振幅 波形和同步性基本上是对称的 如存在明显不同 则为 病理状态 脑电活动与脑血流 脑代谢之间关系密切 可以作为神经外科的脑 损伤病人的监护设备 适用于颅内肿瘤占位性病变 急性脑神经感染 癫痫 脑血管病变 脑损伤等病人的监护 1 5 多参数监护仪的监护参数多参数监护仪的监护参数 多参数监护仪器的主要参数有 心电参数 体温和呼吸参数 血压参数 脉搏和血氧饱和度参数等 1 5 1 心电参数心电参数 心电参数是心电监护仪最基本的监测参数之一 也是评价一台监护仪器性能 和特征的最重要的指标 心电监测特性将取决于硬件电路的设计 同时取决于系 统软件的信号分析算法 关键特性主要体现在抗工频干扰 基线漂移 心电波 形的失真 心电参数的计算和分析 心电测量功能块的设计 测试 验证过程 必须按照国标的规定才能更好的满足临床的要求 心电测量的原理和方法 心 12 电监护是主要依据心脏的生物电的电活动的综合矢量在体表各方面上的投影 形成了 3 个肢体导联 3 个肢体加压导联和 6 个胸导联心电信号分量的常规 12 导联心电信号监测和分析 体表心电的投影分量大小一般只有几百微伏到几 个毫伏的信号强度 需要具有高输入阻抗的信号放大 为了消除工频干扰和其 他高频噪声源 在心电信号放大电路中应该充分考虑共模噪声的抑制 充分考 虑通频带的设置 在心电特征识别的方法上将主要考虑心电 QRS 波的监测和异 常波的剔除 正确计算心率 同时还需要考虑心律失常的特性识别 ST 段的测量 和整体心电波形的形态学 为实时的心电监护提供及时有用的诊断信息 确保患 者的安全和治疗效果 下面简单提一下心电耗材 心电耗材包括心电电极 心 电电缆 心电耗材的品质优劣直接影响获取心电信号的质量 1 5 2 体温和呼吸常数体温和呼吸常数 热敏电阻原理的体温监护是监护仪上的必备监护参数之一 特别是在体温 的长时间 趋势性监测方面具有重要的临床意义 但是在实时体温的测量方面 由于热敏电阻的热平衡响应时间慢 从而导致测量体温时响应时间过长 因此限 制这种测量方法在体温测量中的应用范围 例如门诊患者的体温快速检查 住 院病人的常规体温测量等 但是这种方法有测量范围宽和测量精度高的特点 广 泛地应用于手术过程中 同时适用于高 低温治疗中的长时间趋势性的温度监 测 体温的测量原理和方法 对于热敏电阻的体温测量原理是针对热敏传感器 与人体接触后的热平衡对热敏传感器阻值的影响程度来获得体温信息的 由体 温电路的驱动部分向热敏传感器施加的特定恒定电流 I 将热敏传感器 R 的阻 值改变转换成电压 V 改变 再通过放大 滤波以及基于软件的信号变换来进一 步得到温度值 不同温度传感器将会产生不同的信号变换形式 最常用的是美 国 YSI 体温探头 YSI 兼容探头 国内还有其他品牌的体温探头 呼吸参数 阻抗法的呼吸信号的监测是监护仪的必备参数之一 由于这个方法的使用不需 要特殊的传感器和特别的方法 利用心电电缆 电极以及相关的呼吸信号监测 电路和波形识别 计算方法就能完成呼吸的监测 为危重病人和新生儿的呼吸 状态监测 窒息信息报警提供重要的参考和明晰的提示 为监测病人的安全提 供有效保证 为临床诊断提供科学依据 呼吸信号测量的原理和方法 对于阻 13 抗法的呼吸信号的测量 是针对人体呼吸引起的胸部起伏所产生的阻抗变化来 得到呼吸信号的 这个阻抗变化通常只有几欧到零点几欧 所产生呼吸电信号 的幅度只有 V 级 因此需要数万倍的信号放大 由于是阻抗变化 首先由呼 吸电路发出的几十 kHz 的高频载波信号 以恒流源的形式通过与人体连接的心 电电极 心电电缆等加载到人体的胸部 因人体呼吸所引起的胸部阻抗变化来 调制这个高频载波信号 并再次通过上述的心电电极 心电电缆传送给呼吸信 号处理 即通过高频信号放大 呼吸信号检波 滤波 呼吸信号放大等处理电 路来进一步从这个高频载波信号恢复得到呼吸信号 这是一种直接的信号测量 方法 测量的准确与否和监测特性将完全取决于上述电路的设计和基于软件的 呼吸波形特征识别算法 如增益 带宽设置 高频载波信号输入 输出的耦合 形式等 1 5 3 血压参数血压参数 无创血压测量功能是监护仪最基本的监测参数之一 也是反映监护仪性能 特征的关键参数 目前大多数监护仪上所采用的无创血压方法都是基于振荡法 无创血压测量的基本原理 无创血压测量方法一般是采用振荡法 即利用捆绑 在手臂上袖带 并通过充气泵向袖带充气以阻断血管中脉动的传播 再以线性 3 5mmHg s 或阶梯放气 6 15 mmHg 阶梯 形式逐步对袖带放气 并借助 于连通于气路的桥路压力传感器和相应的放大 滤波电路 数模转换电路 中 央处理器来控制 将通过袖带传递到气路中的脉动信号和压力信号转换成数字 信号 进一步对这个脉搏波 袖带压进行适当的数据处理 得到包含脉搏波变 换趋势的系列脉搏波和对应的袖带压力 利用最大脉搏处的袖带压将对应于受试 者的平均压和一些经验的比例系数算法就可以计算出所需要的收缩压 舒张压 平均压以及脉率等结果 上述检测准确性将取决于压力传感器 检测电路的线性 程度 脉搏波识别方法 对于脉搏波的振荡趋势恢复方法和经验的比例系数算 法 无创电子血压测量设备的专用标准上要求需要通过临床评估方法来确认测量 的准确性和使用范围 14 1 5 4 脉搏和血氧饱和度参数脉搏和血氧饱和度参数 无创脉搏波的氧饱和度测量是基于脉动血对脉冲式 660 940 nm 红外 红 光谱的吸收 光电感应传感器接收到红光 红外光透过手指后光信号传递给光 电流信号放大器 并经后续电压放大 滤波等处理 再在 CPU 控制下经过增益 直流偏置 驱动等的自适应反馈调节控制的信号放大电路与光源驱动电路以及 滤波 AD 等处理后得到红外和红光的交 直流数字信号 并通过特定的软件算 法恢复上述的红光 红外光的脉搏波 包含脉动分量和直流分量 再通过相应 的一些变换和查表等就可以得到相应的血氧饱和度值 而脉率值是通过上述脉 搏波形的波峰间距和算术平均得到的 1 6 我国医用监护仪的发展状况及发展方向我国医用监护仪的发展状况及发展方向 我国医疗监护仪的使用 起始于对心血管疾病的监护 目前已经广泛地用 于心脑血管 呼吸 妇产 新生儿 麻醉手术及睡眠等监护 由单一学科发展 到多病种 多科室 多学科应用 同时也由大医院拓宽到中小医院 已经或正 在由特殊使用变成为常规手段 并正以很快的速度扩展其使用范围 我国于20世纪80年代后期才开始少量引进和研制监护仪 监护仪技术起步 比较晚 近10到15年间 受益于改革开放政策 国民经济巨大发展和人民生活 迅速提高 我国医疗监护仪器经历了引进 仿造 外观革新 性能改进 全面提高 创新等重要阶段 目前正处于巨大发展的新时期 与国际一 流技术水平相比 我国医疗监护仪在特殊品种和某些性能指标上尚存在差距 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 可以满足一般临床需要 部分产品和指标甚至达到国际领先 国内监护仪的主要技术特点 国内床旁多参数监护产品的技术特点有 1 大部分监护产品采用单任务的 DOS 操作平台 只有少数有相应技术能力的 厂家采用了具有国际领先 高可靠性的嵌人式的实时操作系统 354 2 大部分的监护厂家采用 PC104 工控板来作为主控 CPU 平台 只有极少数监 护厂家采用的是具有自主知识产权的主控 CPU 板 这是对客户保证长期维修承诺 15 的硬件基础 3 绝大部分厂家是通过 OEM 参数模块的方式进行组装 个别的监护仪厂家具 有参数的自主知识产权 4 国产监护产品一般具有的监护参数有 ECG NIBP SP02 TEMP RESP IBP C02 仅 一些知名国产监护仪厂家能提供心输出量 麻醉气体等比较 高级 的参数 较少 提供 Sv02 连续无创 CO 麻醉深度等参数的监护 5 少数监护产品采用先进的 TCP IP 协议的联网方案 一般只采用 RS485 等 串行通信的方式来实现联网 另外 在网络功能上 缺少强大的功能支持 6 少数监护产品能够进行在线升级 一般是打开机器才可进行软件升级 7 目前国内监护产品的造型水平普遍提高 在造型设计上基本达到或接近国 际先进水平 工艺实现 硬件结构和系统功能方面 也基本满足一般临床需要 8 监护产品的形式越来越丰富 在构成形式上有内置 插件 台式 立式 壁挂式之分 在连接形式上有有线系统 无线系统 在功能上有监护功能 分析处 理和管理软件等 基本适应医院各种情况的需要 国产监护仪存在的主要问题 1 非功能需求较为薄弱 产品需求从大的方面讲分为两大类 功能需求和非功 能斋求 功能需求是指能够满足用户常规使用的需求 如监护参数的种类 波形 参数的显示模式 报警提示 病人信息回顾 记录输出等 而非功能需求是指为了 保证产品能在规定的条件下达到预期使用目的所做的用户并不能直接使用或直观 感受到的功能 如系统上电自检 报警设备的检测 工作电压的实时监测 通信 端口的实时监测 重要数据的实时监测等 报警是任何一款监护仪都必须具有的 重要功能 为了使报警功能在临床中发挥预期的作用 首先必须保证报警设备是 完好的 是能够正常工作的 国内的许多监护产品仅具有支持使用的功能需求 而不具有保证使用的非功能需求 2 报警功能不完善 报警功能是监护产品的一个重要功能 很多种类的国产 监护仪虽然具有此功能 但有很多不足之处 标准 E N 475 中对医疗设备的报警 功能作了详细的描述 总结标准及临床情况 我们认为完整的报警功能起码应该 具有以下几个特点 a 从声光两个方面来表现报警功能 声一般采用喇叭 光一般采用 LED 和显 16 示屏 b 报警一般分成为 3 个级别 不同级别要求发出提示声的方式不同 LED 的 闪烁频率及颜色也不同 c 报警音量要符合标准要求 不能过大或过小 更不能被随意或无意关闭 当一定要关闭时 也要给操作者一个显著的警示提示 d 报警灯在监护仪上的定位应有明确标准要求 必须在规定的视角和范围内 能够清晰地看到 3 参数性能不理想 监护产品的核心竞争力就在监护的参数 而参数的前沿 技术基本掌握在国际上几个品牌公司手中 国内拥有参数自主知识产权的公司为 数很少 另外 不少厂家的参数板卡 在性能上也有一些明显的不足 具体反映 在以下几个方面 a ECG 参数 有些国产监护仪为片面追求波形光滑 使得心电的频带过窄 完 全达不到标准规定的要求 这就会损失 R 波中高频分量 使波形发生严重变形 在心律失常分析方面也存在不足 另外还在起搏脉冲的抑制和检测方面存在不足 b RESP 参数 大部分国产监护仪 在呼吸波形的分析上基本不抗干扰 时常 出现数值不稳定和一些假报警状况 呼吸电路也不能适应抗除颤电缆 另外 许 多监护产品也不具有窒息分析功能和 CVA 分析功能 c NBIP 参数 许多国产监护仪 没有抗运动功能 没有双重过压保护措施 也很难保证在高低端压力的情况下进行准确的测量 d SP02 国产血氧模块在抗运动 弱灌注方面比国际著名品牌的血氧性能逊 色很多 e CO 只有极少数公司的监护仪才拥有 CO 的测量功能 但是这个测量是非连 续的 目前很多国际大公司都在应用连续 CO 测量技术 f C02 国产监护仪上所用的 C02 模块基本上都是用国外模块 技术水平差别 也很大 4 标准法规贯彻不足 国产监护产品在标准和法规的贯彻上 存在许多问题 如 一些厂家的说明书非常简单 严重缺少安全相关的警示信息和操作指导 国内 一些厂家的监护产品在波形显示高度上也不符合国家的标准要求 记录输出是监护 17 产品重要功能 记录输出要满足一定的频率相应 同时对波形走速和波形高度也 有严格的规定 但只有少数产品按照标准要求来做 单从表面的观察上还有如下 一些问题 a 机器外表的丝印名称和标识符号各式各样 没有严格按照标准的要求去做 b 从基本层面看 许多厂家的监护产品在部件及板卡布局上不规范 机器内 部的电缆连线也很混乱 很难满足 EMC 理论中的规范要求 c 一些监护产品厂家采用显示效果很差的显示屏 视角对比度等都很难达到 标准的要求 如果要使国产监护产品上一个档次 尽快缩小和国际品牌机器的差距 那 么就必须脚踏实地地做好每一步工作 首先应该严格按照标准的要求去做 尽 快提高产品的质量和安全性能 同时要加强在核心技术领域的研究工作 更多 地产生我国自己的独立知识产权 只有这样才能使我国的监护产品积累更多的 知识 提高监护产品的整体水平 医用监护仪的发展方向 1 监护仪网络化 随着网络技术的快速发展 目前国内市场上的新型监护仪已经普遍具有网 络功能 监护仪的网络化极大地方便了医院对患者信息的管理 例如 现代监 护仪中常见的中央主机带床边监护仪的方式使病人的监护信息通过方便快捷的 网络功能传到中央主机进行分析存储 另外 中央监护系统可以通过与医院网 络系统联网 将医院其他科室病人的相关资料进行汇总存储 使得病人在医院 的所有检查 病情等资料都能存储到中央信息系统 便于更好地对病人进行诊 断和治疗 监护仪的网络化还降低了医护人员的工作强度 特别是在夜间工作 人员较少的情况下 也能同时监测多个病人 通过智能分析报警 使每个病人 都能得到及时的监护和治疗 监护仪的网络功能也推动了远程医疗的发展 允 许临床医生远程访问网络上的信息 使医学专家可以在异地快速简便地诊断病 情 2 监护仪模块化 从内部硬件组成上来讲 监护仪可以按功能模块来划分 这一般是硬件电 18 路设计的 I 个基本原则 这样做除了便于监护仪的设计和维修 又有利于监护 仪科研的专业化 现在国内市场上有很多厂商出售监护仪的 KLM 模块 监护仪 厂商不一定每 I 个模块都自主设计 完全可以采用其他厂商很成熟的模块产品 与自己的模块产品相结合来加强产品的竞争力 降低行业的门槛 例如 I 个 监护仪厂商的多参数神经监护仪产品中可能包括自主研发的脑电监护模块 外 购的六参数监护模块和颅内压监护模块 模块式监护仪的优点是 可根据不同 病情的病人 选择相应的功能模块 对病人进行有选择的参数监测 有些科室 所监护病人的病情复杂 病种多 对监测参数的需求也不同 模块化设计的插 件式监护仪 可以灵活方便地组合监测参数 对于常用的监测功能模块 可以 每台仪器配备 对于特殊的功能模块 可以根据使用情况有选择的配备 这种 设计方式 既可满足临床监测各种特殊病例的需求 又能为医院减少不必要的 资金投入 使各种功能模块均能得到充分 合理地使用 3 监护仪多功能化 现代医学讲求以人为本 医疗监护仪的发展也本着这一原则 体现在监护 仪的监护功能越来越全面 操作越来越人性化 目前 市场上的监护仪以多参 数监护仪居多 这其中既有中央监护仪 床边监护仪也有便携式监护仪 多参 数监护仪能同时监测多项体征参数 更能满足普通临床科室的需要 因此 较 单参数监护仪更有竞争力 同时监护仪的软件功能越来越强大 能够进行大量 复杂数据的处理与显示 开放式的体系结构 使监护仪可以将其它与之有协议 的临床设备直接连接到监护仪上显示 比如 呼吸机 气体分析仪 麻醉机 输液泵等多种设备 并支持这些来自外部设备的数据及报警 4 便携式监护仪 目前 所谓的便携式监护仪大体分为2类 一类是将传统监护仪采用嵌入式 系统设计和便携式结构设计 使监护仪在病房或科室之间可以被更为方便地移 动 一类便携式多参数监护仪具有灵巧的外形 紧凑的结构 多种外挂方式 配以完善的监护功能 保证了院前急救 急症病房 院中转运 科室急救等各 种情况临床使用 内置电池保证了监护仪在移动情况下的不间断的监测 掉电 存储功能使监护仪在失去电源的情况下仍可保存病人监测的数据 两通道热敏 记录仪可随时记录病人信息 另一类便携式监护仪采用随身式设计 使病人能 19 在一定范围内随意移动而监护不会被中断 大多采用无线通信的方式与床边监 护仪或中央主机进行通讯 充分地体现了监护仪的人性化设计 5 无线通信新技术在监护仪中的应用 无线通信新技术的应用是监护仪发展的新趋势 随着各种无线通信技术的发 展 已有多种无线通信技术被应用在监护仪尤其是便携式监护仪中 典型的如 蓝牙 Bluetooth 及无线局域网 Wi Fi 等 1 蓝牙技术在监护仪上的应用 蓝牙技术作为 1 种非常有用的低成本短距离的数据 语音无线通信协议 在越来越多的领域里发挥着越来越大的作用 其通讯有效距离在 10m 以上 传 输速度达 723 2kbit s 使用蓝牙技术的设备 可以迅速灵活地组成小型计算 机局域网络而无须连接任何电缆 在医疗卫生装备系统中广泛使用蓝牙技术 将会大大简化外设间的连接 更好地实现数据 语音等资源的共享 提高医疗 装备的整体性能 在监护仪领域 蓝牙技术越来越多地被应用 国内外监护仪 厂商都纷纷把这一技术应用在自己的产品中 例如 上海诺诚电气有限公司在 全球首先将蓝牙技术应用于临床脑电设备和神经监护系统领域中并率先在国内 注册专利 通过近 年的临床应用证明无线蓝牙遥测脑电设备和神经监护系统具 有体积小 功耗低 抗干扰能力强 数据传输安全可靠等优点 领导着脑电设 备和神经监护系统的最新发展趋势 2 无线局域网 Wi Fi 技术在监护仪上的应用 Wi Fi Wireless Fidelity 无线高保真 也是 1 种无线通信协议 IEEE802 11b 与蓝牙一样同属于短距离无线通信技术 Wi Fi 速率最高可达 11Mb s 虽然在数据安全性方面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 100m 左右 无线局域网 Wi Fi 方式由于技术门槛和成本 较高 以前只能在进口监护仪中看到 随着投资费用的降低和国内厂商实力的 增强 国内也出现了这类监护产品 6 监护产品专科化 医院中使用监护产品的科室越来越多 而不同科室的使用 又有不同的侧 重点 因此 仅仅使用一种特性的监护产品 远不能满足临床的使用要求 所 以发展专科监护产品 不论对更好的支持不同科室的使用目的 还是对提高监 20 护质量和提供有价值的共享信息 都是势在必行的事了 7 远程医疗方式 远程医疗主要可以使跨地区的医学资源进行充分利用与共 享 它能使医生直接对异地病人资料进行采集 查阅和编辑 并实施在线的 实 时的对异地病人的会诊和指导治疗 同时也可以与多位同行对同一病人资料进行 研究 作出判断 提出指导性的医疗建议 8 监护产品家庭化 随着人民生活水平的提高 普通百姓家对监护产品的需要 盆也会越来越大 为扩大监护产品的使用范围 满足低端市场和家庭的使用要求 监护产品必须具有小型化 智能化 低成本 低使用费用的发展趋势 9 产品维护远程化 软件升级及故障诊断通过远程方式来实现 这样可以 最大限度地利用现有的网络技术 提高产品的维护质量 降低维护费用 缩短 维护时间 第二章第二章 PM 9000 多参数监护仪的硬件模块简介多参数监护仪的硬件模块简介 2 1 简介简介 由于我们的课程设计采用的是 PM 9000 多参数监护仪的通讯模块 心电模 块 血氧模块和血压模块 因而我们有必要对 PM 9000 多参数监护仪的基本情 况及其硬件结构有一个大致的了解 PM 9000 多参数监护仪由深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司生产 具有 以下功能 1 标准监护功能标准监护功能 心电 ECG 呼吸频率监护 RESP 血氧监护 SpO2 和无创血压监 护 NIBP 2 选配监护功能选配监护功能 温度监护 T1 T2 有创血压监护 IBP1 IBP2 心输出量测量 CO 呼吸末二氧化碳测量 CO2 PM 9000 多参数监护仪的的电路原理框图如图 2 1 21 图 2 1 记录仪模块的电路原理框图 主要模块的基本功能如下 主要模块的基本功能如下 1 电源板电源板 开关机 控制输出 过压保护 过流保护及短路保护功能 2 主控板主控板 包括 CPU 存储器 显示电路 网络电路和 I O 接口 3 按键板按键板 具有按键输入 旋钮输出 声音输出 报警灯输出以及电源控制与请求等 功能 4 记录仪模块记录仪模块 包括热敏头 电路板两部分 实现热敏头的控制状态查询以及主 CPU 的数 据通讯 5 心电心电 呼吸呼吸 体温模块体温模块 1 电路组成 电路组成 心电放大电路 呼吸电路 体温电路 控制与数据采集电路和隔离耦合电 路 22 2 心电监测 心电监测 3 5 12 导联可选 3 呼吸测量 呼吸测量 采用阻抗法 通过测量胸腔容积变化引起的两个电极间的阻抗变化获得呼 吸波信号 4 体温测量 体温测量 采用热敏电阻法 提供双导体温 6 无创血压模块无创血压模块 1 采用脉搏振荡法测量收缩压 舒张压和平均压 2 由电路板 一个充气马达和两个放气阀组成 7 血氧饱和度模块血氧饱和度模块 1 根据血红蛋白和氧合血红蛋白对光的吸收特性的不同采 用 660nm 红 光和 940nm 红外光通过测量透过光量计算出血样饱和度 2 测量传感器内置两个发光二极管和一个光电池元件 3 脉率测量 Pulse 通过测量流过血管的血量改变引起的透光量的变化频率获得 监护仪的基本原理 监护仪的基本原理 主要由 4 个部分组成 信号参数 模拟处理 数字处理 信息输出 通过 电极和传感器拾取人体心电 血压 呼吸 氧饱和度等生理参数信号 并将这 些信号转化为电信号 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 由模拟转换器把人体生理参数的模拟信号转化为数字信号 送入数字 处理部分 它由模 数转换器 微处理机 存储器等组成 是多参数监护仪的核 心部分 微处理机接收来自控制面板的控制信息 通过执行程序 对数字信号 进行运算 分析和存储 在输出结果的同时协调 检测整机各部分的工作 如 显示波形 文字 图形 分析报告 启动各类报警和打印纪录 23 2 2 主要功能模块介绍主要功能模块介绍 2 2 1 通讯模块通讯模块 通讯模块主要功能是完成各个子模块与主机之间的信息传输 它依靠串口 通信 RS 232 串口通信 来实现 串口是计算机的一种标准接口 其特点在于它的数据和控制信息是一位接 一位串行地传送下去 因而速度会慢一些 但传送距离较长 适合长距离的通 信 目前 PC 机一般有两个串口 COM1 和 COM2 大多数情况下两者使用的都 是 9 针 D 形连接器 串行通信接口标准经过使用和发展 目前已经有几种 但都是在 RS 232 标 准的基础上经过改进而形成的 RS 232C 标准是美国 EIA 电子工业联合会 与 BELL 等公司一起开发的通信协议 它适合于数据传输速率在 0 20000b s 范围 内的通信 这个标准对串行通信接口的有关问题 如信号线功能 电器特性都 作了明确规定 由于通行设备厂商都生产与 RS 232C 制式兼容的通信设备 因 此 它作为一种标准 目前已在微机通信接口中广泛采用 RS 232C 标准接口有 25 条线 4 条数据线 11 条控制线 3 条定时线 7 条备用和未定义线 常用的只有 9 根 它们是 针号功能说明缩写 1数据载波检测DCD 2接收数据RXD 3发送数据TXD 4数据终端准备好DTR 5信号地GND 6数据设备准备好DSR 7请求发送RTS 8清除发送CTS 9振铃指示RI 图 2 2 9 针 D 形串口引脚定义 24 通信使用 3 根线完成 1 地线 GND 2 发送 TXD 3 接收 RXD 其他线用于握手 但不是必须的 串口通信是异步的 端口能够在一根线上发 送数据的同时在另一根线上接收数据 串口通信最重要的参数是波特率 数据 位 停止位和奇偶校验 对于两个进行通行的端口 这些参数必须匹配 1 波特率 这是一个衡量通信速度的参数 它表示每秒钟传送的 bit 的个 数 波特率和距离成反比 高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信 典 型的例子就是 GPIB 设备的通信 2 数据位 这是衡量通信中实际数据位的参数 计算机每次发送一个信息 包 它包括开始 停止位 数据位和奇偶校验位 因而实际的数据不一定是 8 位 可能是 5 7 或 8 位 如何设置取决于你想传送的信息 例如要传递简单的文本 标准 ASCII 码 时 每个数据包使用 7 位数据 3 停止位 用于表示单个包的最后一位 典型的值为 1 1 5 和 2 位 由于 数据是在传输线上定时的 并且每一个设备有其自己的时钟 很可能在通信中 两台设备间出现了小小的不同步 因此停止位不仅仅是表示传输的结束 并且 提供计算机校正时钟同步的机会 适用于停止位的位数越多 不同时钟同步的 容忍程度越大 但是数据传输率同时也越慢 4 奇偶校验位 串口通信中一种简单的检错方式 串口通信有四种检错方 式 偶 奇 高和低 也可以没有校验位 对于偶和奇校验的情况 串口会设 置校验位 用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位 PM 9000 多参数监护仪的几个功能模块的通信协议如下 1 血氧模块协议血氧模块协议 1 位起始位 8 位数据位 1 位停止位 1 位奇校验 4800bps 2 血压模块协议血压模块协议 1 位起始位 8 位数据位 1 位停止位 1 位偶校验 4800bps 3血压模块协议血压模块协议 1 位起始位 8 位数据位 1 位停止位 1 位偶校验 115200bps 25 数据包格式 1 字节包类型 N 字节数据 2 2 2 心电心电 呼吸呼吸 体温心电模块体温心电模块 该模块的原理框图如图 2 3 图图 2 32 3 心电心电 呼吸呼吸 体温心电模块原理框图体温心电模块原理框图 该模块的主要工作原理 该模块的主要工作原理 心电放大电路又分为心电前置放大级 心电主放通道一和心电主放通道二 心电前置放大级包括信号缓冲电路 导联脱落检测电路 来自人体的心电信号 经信号缓冲电路的缓冲 一路去导联脱落检测电路进行导联脱落判断 一路送入 心电主放通道一和二 在单片机控制下放大 滤波后得到两通道心电信号 心 电主放通道一中还包括起搏脉冲检测电路 检测心电信号中叠加的起搏脉冲信 号 呼吸测量基于阻抗法原理 当人体呼吸时胸发生起伏变化 相当于 RL 和 LL 间的阻抗变化 把通过心电电极 RL 和 LL 的高频信号变成调制高频信号 来自人体的胸阻抗变化信号经呼吸电路前级调制 送入后级解调 放大 滤波 得到呼吸波信号 体温电路可以对体温探头输入的信号进行放大 滤波 输出与 温度对应的电平信号 放大器的增益受微处理器控制 对采集到的信号进行适当倍数的放大 以 适合A D转换的幅度要求 26 其中在该模块中 微处理器SIC33209F01E2的功能是 1 对来自放大 器的模拟信号进行A D转换 得到原始数据 2 对原始数据进行分析 处理 判断 导联电极是否脱落 并给予提示 放大器的增益是否合适 以便实时发 出增益控制信号 2 2 3 血氧模块血氧模块 血氧模块的原理框图如图 2 4 所示 透射光接收透射光接收差分放大电路差分放大电路程控增益程控增益 偏置电路偏置电路 A D 采样采样 隔离串口通讯及隔离串口通讯及 电源电源 CPU 及外周电及外周电 路路 红外和红光红外和红光 驱动电路驱动电路 受测部位受测部位 串口输出 图 2 4 血氧模块的原理框图 血氧模块包含 CPU 存储器 光电驱动 A D 转换 信号处理电路和电源 电路等部分 血氧模块的 CPU 存储器部分完成血氧模块内部电路控制和与主 控板之间的串口通讯 另外通讯串口还带有两路隔离光耦 光驱动电路在单片 机的控制下产生驱动电流 用于驱动血氧传感器中的发光二极管 由传感器产生 的光电信号 经差分放大电路放大 程控增益电路放大 而后经过偏置放大电路 将交流部分放大得到采样信号 经 A D 转换电路转换为数字信号 送给 SIC33209F01E2 CPU ADC 采用 MAX1290 偏置电路的偏置电压和驱动电路的 输入由单片机控制 DACMAX5102 来实现 电源电路为血氧板提供模拟 5V 和数字 5V 两组电源 SpO2 通过对指尖等脉膊波的描记 经过特定的算法和临床数据查表得出 27 SpO2 探头为测量传感器 内置二个发光二极管和一个光电池元件 二个发光二 极管用一定波长的红光 660nm 和红外光 940nm 二极管 它们按一定的时序 交替点亮 当指尖的毛细血管随着心脏的泵血反复充血时 发光二极管的光线 经血管和组织吸收后而投射到光电池上 光电池可感应到随脉膊血变化的光强 其形式为变化的电信号 两种