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智能健康监护仪的研究,毕业设计论文
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摘 要 随着生活水平的不断提高，人们对健康保健和常规检查越来越重视。而且社会老龄化的不断加剧，老年人健康问题也成为了深受社会关注的问题。但是目前的医疗设施水平还远远不能满足社会需求。因此，研究一种新的医疗设备势在必行。智能健康监护仪就成为解决上述问题的有效途径。本文研究的智能健康监护仪可以实现对病人血压、体温、 心电、心音、脉搏 等参数的实时监护，具有良好的可扩展性和灵活性。 本智能健康监护仪可对多项人体生理参数（体温、 血压、脉搏、心电、心音 ）进行采集和分析，从中得到关于用户健康状况的信息。同时，本系统还可 通过多种接口将信息传送至 PC，并可 以通过 3G 网络 将信息发送至手机等移动式设备。本产品扩展性强、便携、易用，在个人保健等方面有较好的发展前景。 本文研发的智能健康监护仪克服了传统监护仪体积大、附件多、有线检测传输方式、组网不方便、检测参数单一等缺点。其主要功能包括人体血压、心率、体温 、脉搏、心音 等生理参数的检测和显示，并提供无线接口，用户可以转发监护仪上传的健康数据。 关键词： 监护仪 ； 3G 网络 ； 生理参数 ； 心音测量 ； 检测传输 ntsABSTRACT With the continuous improvement of living standards, people pay more attention to the health and regular examination . And the growing aging society, the elderly health problems have become a popular social concerns. However, the current level of health care facilities can not satisfy the needs of society. Therefore, the study of a new medical equipment is imperative. Intelligent health monitor has become an effective way to resolve these issues. In this paper, intelligent health monitor allows the patient blood pressure, body temperature,heart sounds, pulse and other parameters of the real-time monitoring, has good scalability and flexibility. The intelligent health monitor can a number of physiological parameters (body temperature, blood pressure, pulse, ECG, heart sound) for collection and analysis, derive information on the health status of the user. At the same time, the system can transmit the information through a variety of interfaces to the PC, and can send information through the 3G network to the mobile phone or mobile device. This product is extensible, portable, easy to use, in the personal care such as better prospects for development. This paper, the intelligent health monitor to overcome the traditional bulky monitors, accessories and more, cable test transmission, networking is not convenient, single test parameters and other shortcomings. Its main functions include human blood pressure, heart rate, body temperature, pulse, heart sound detection and other physiological parameters and display, and wireless interfaces, the user can transmit monitor upload health data. Keywords: Monitor; 3G network; physiological parameters; heart sound measurement; test transmission ntsI 目 录 引言 . 1 1 国内外的研究现状 . 3 1.1 国内的研究和开发现状 . 3 1.2 国外的研究和开发现状 . 3 1.3 本文的主要工作和研究内容 . 4 2 智能健康监护仪的总体设计方案 . 5 2.1 功能描述 . 5 2.2 总体设计方案 . 5 2.3 智能健康监护仪的硬件系统设计 . 6 2.4 S3CEB2410 开发板介绍 . 7 3 心电信号采集及调 理模块电路设计 . 9 3.1 心电信号波形及特点 . 9 3.2 心电信号采集及调理电路具体实现 . 10 4 心音信号调理模块电路设计 . 14 4.1 心音信号波形及特点 . 14 4.2 心音信号采集及调理电路具体实现 . 14 5 体温信号调理模块电路设计 . 17 5.1 温度传感器的选择 . 17 5.2 体温信号采集及调理电路具体实现 . 17 6 脉搏信号调理模块电路设计 . 19 6.1 脉搏信号特点 . 19 6.2 脉搏信号采集及调理电路具体实现 . 19 7 血压信号调理模块电路设计 . 21 7.1 血压检测方法 . 21 7.2 血压信号采集及调理电路具体实现 . 22 8 生理信号采集板电路设计 . 27 结 论 . 29 参考文献 . 30 致 谢 . 32 nts 1 引 言 随着我国国民经济的发展，人们对健康关注程度在不断提高 。诸如痢疾、鼠疫等特定传染病已经得到了有效控制，主要疾病也逐渐从急性传染病变为慢性传染病。诸如高血 压、心脏病、糖尿病和癌症等疾病的防治与愈后康复，已成为需要解决的主要问题。世界卫生组织估算，慢性疾病的发病率呈现快速上升趋势， 预计到 2020 年，慢性病将成为人类失能（ Disability）的主要原因。 人口的老龄化是一种全球性的发展趋势，中国也 不 例外。 1990 年以来，我国老龄人口以平均每年 3.32%的速度增长， 2000 年我国 60 岁以上人口达 1.3 亿，占我国总人口的 10.09%，全国开始进入老龄化社会。据推测， 2025 年我国老龄人口将达到20.00%， 2050 年将达到 25.50%。我国人口结构由成年型转向老年 型，发展速度之快，老年人口之多，世界罕见。老龄人口的增加将给社会生活的许多方面，尤其给健康护理带来巨大的压力。我国老年人的健康状况不容乐观。根据各地老年人健康普查表明，无重要脏器疾病的所谓健康老年人仅占 20 25%。老年人患病率高，发病率较高的慢性病依次为高血压、糖尿病、慢性支气管炎肺气肿、关节炎等。根据我国城市老年人医疗服务调查，老年人 2 周就诊率为 23.75%远远高于其他年龄组 14.66%的水平 ;老年人住院率为 7.62%，比其他年龄 4.36%高得多。 另外，据中国零点调查公司的统计资料显示，目前我国城市空巢 老人家庭已占整个老年家庭的一半以上。如何保证他们家居生活的健康，提高生活质量，减少护理费用，是一个非常值得关注的问题。 我国目前的医疗状况是患多医少、看病难、费用高。因此，健康监护成为了一个重要课题。但现有的监测仪器大多基于台式机，成本高、体积大、移动不灵活，仅限于固定场所对病人进行监护和病情分析，且大多数为国外产品，设备费用较为昂贵，只在较为大型的医疗机构里才能配备，不能满足人们的需求，智能健康监护仪能有效解决这一问题。目前也有人在研制健康监护仪，但大多基于单片机，功能有限。因此研制成本低、体积小、方便灵活 、功能强大、能够实现家庭与医疗机构之间的数据远程传输的健康监护仪器具有很强的现实意义和较大的实用价值。 拥有智能健康监护仪，人们 可以根据数据自己判断被监护人员的身体状况 。 对于大病初愈的用户，可以观察到手术和治疗效果； 对于慢性病就可以在早期得以发现，医生采取相应的医疗措施进行解决；对于突发型病，监护人可以采取一些自救措施，同时也可以通过远程通信，将监护人的状况通知到监护人的家属及通知到社区医生甚至通知到医院的医生，此时医生也可以通过网络给监护人或其家属简单的应急医嘱，使监护人能够得到及时的诊断和救治。 nts 2 本文基 于以上原因， 研究一种能对心电、血压、体温等生理参数进行 长期 监测的智能健康监护仪， 以满足患者在家中对身体状况进行监护的要求，同时由于现在社会的快节奏，许多人缺少锻炼，处在亚健康状态， 中国医师协会的统计数据表明，我国目前真正生病的人数占 15%，真正健康的人也占 15%， 70%的人都处于亚健康状态。 因此亚健康者也会成为家庭监护的监护对 象， 通过对亚健康者的生理参数进行监护有助于疾病的早期发现和及时治疗。 综上所述，智能健康监护仪的主要服务对象为： 1 手术后在家中恢复的病人 。 2 残疾人和老年人 。 3 高发病人群 。 4 健康人的家庭监护。 nts天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 3 1 国内外的研究现状 智能健康监护仪以其特有的优越性，得到了世界各国政府和研究机构的重视。尤其是近几年， 随着科技的不断进步，其优越性更加明显，成为各国解决社会老龄化问题，节约医疗开支和提高国民生命质量的重要途径 。 1.1 国内的研究和开发现状 我国在这一领域的研究起步较晚，但也取得了一定的成果。如深圳普泰科技有限公司 (深圳职业技术学院 )，推出一种家庭健康监护系统，系统由嵌入式监测仪、家庭端 PC 机、医生端 PC 机和后台网络服务器组成，能对家庭 成员的体温、血压、脉搏和心电图等多种人体生理指标进行监测，监侧内容可传到后台网络服务器上，医生在网上即可进行分析并反馈咨询意见。以上系统代表了国内目前该研究领域的较高水平，但是这些系统的家庭端为“ PC+监护仪”的结构，监护仪多用 8位单片机实现，不能脱离 PC工作，这在一定程度上制约了其发展和推广。 总之， 我 国医用监护仪在特殊品种和某些性能指标上尚存在差距；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。但是，至今没有研发出 便于携 带的智能 健康监护仪。 1.2 国外的研究和开发现状 国外较早的开展了这一领域的研究，并取得了很多优秀成果。 国外几个大的公司，GE、西门子、飞利浦等代表着国际医用监护仪的一流技术水平 ，相继推出了自己的多参数监护系统，如荷兰 Philips 的 Home-base Telemonitoring system,英国 Home Telehealth Limited 的 CareCompanion Home Monitoring System 以及美国 Ameriean Teleeare 的 Lireview Video Patient Monitor System 等。这些系统应用了目前较先进的计算机技术及通信技术，能够根据病人需要配置监护参数，实现多参数的实时监护。但是这些系统都是采用声耦合方式调制到音频使用电话线传输，生理参数模块通过串口连接终端，且整个设备的价格不菲，不适应我国的国情。 同样，他们现在也没有研发出体积小的健康智能监护仪 。 nts天津职业技 术师范大学 2010 届本科生毕业设计 4 1.3 本文的主要工作和研究内容 在参阅大量相关文献的基础上，研制一 款便携式的智能 健康监护仪。 该智能健康监护仪 能对患者进行实时监护，包括对心电、心音、脉搏、体温等生理信号的采集、显示、分析处理、网络 传输等。该监护仪能通过因特网实时的将数据传输到监护中心，以实现远程实时监护，监护中心端软件实现包括对各病人生理信号数据的接收、显示、管理、分析处理等。 本项目研究包括心电、血压、脉搏、体温、呼吸、脑电等生命指征信号提取、识别及传输方法；研制人体生命指征信号检测处理模块；开发基于远程医疗信息交互系统。 nts天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 5 2 智能健康监护仪的总体设计方案 2.1 功能描述 本 项目采用 3G 技术， 设计 一种 创 新 型 的网络式监护装置 ，是 一种 创新型 的 智能健康 监护仪。智能 健康监护仪由 专用传感器构成 ， 传感器对所需要监测的人体生理指标比如血压、脉搏、 体温、 心电、心音 等数据进行采集 。 通过 Internet 网络可以将数据传输至远程医疗监护中心，由专业医疗人员对数据进行统计观察，提供必要的 信息反馈和 咨询服务，实现 智能 健康监护。 此款智能健康监护仪具有外观精致，小巧玲珑，便于携带，操作方便、简单，检测准确，性价比高等特点。它 使得被监护人能够拥有较多的自由活动空间，在获得较准确的测量指标的同时，免除 人们 在家庭与医院之间奔波的劳苦 。 在异常的生命指征信号出现时，患者本人可以采取一些自救措施，同时也可以通过远程通信，将患 者的状况通知到患者的家属及通知到社区医生甚至通知到医院的医生， 此时医生也可以通过网络给患者或其家属简单的应急医嘱，使患者能够得到及时的诊断和救治，为个体、社区的远程医疗服务。 同时，智能 健康 监护仪 ， 通过 Internet 网络可以构建远程医疗信息网，不仅有利于发达地区的人获得保健服务，也有利于贫困地区的人获得必要的医疗 健康 服务。她将 面向个体、面向社区，是移动医疗与远程医疗网络的关键技术之一，是医疗、社区服务领域的发展方向。 2.2 总体设计方案 本系统由 血压、心音、脉搏 、心电、温度传感器、模拟信号处理部分、数字信 号处理部分、数据通信部分、语音告警及 LCD 显示等六部分组成，除完成对 血压 、体温、脉搏、 心电 、心音 进行检测监护外，还有语音告警、蓝牙传输、数据储存等功能。 该系统可 对 生理参数的实时采集和处理，并将生理参数和处理结果无失真的传送到医院服务器。医院服务器将智能终端传送来的数据存储并显示，供医生进一步分析诊断。医生可将诊断结果和意见通过网络发送给智能终端。诊断结果可在终端上显示，供病人或监护对象参考。 多参数检测系统由腕带和附着在腕带上的监测盒组成，采用双微处理器， MCU-2完成各项生命指征信号采集和分析， MCU-1 完 成人机交互和数据通信。 智能 健康监护仪检测终端的整体设计方案 如图 2-1、图 2-2所示： nts天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 6 图 2-1 智能健康 监护仪检测终端方案（ MCU-1） 图 2-2 智能 健康监护仪检测终端方案（ MCU-2） 2.3 智能健康 监护仪的硬件系统设计 nts天津 职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 7 本系统的主机 MPU 采用 Samsung 公司生产 S3C2410 处理器， S3C2410 处理器为ARM920T 内核 CPU，最高支持的频率达 200M，并具有 MMU 虚拟 内存管理单元，可以轻松的运行起嵌入式 Linux，同时拥有丰富的片内外设，具有很高的性价比。 图 2-3 为硬件系统总体框图，由于 S3C2410 芯片内部己经包含了 UART、 LCD、网卡、 SDRAM、FLASH 等驱动控制器，这样就大大简化了主机的外围电路，而且采集卡利用了 ATmega8单片机上集成的 A/D 采集和串口通信，只要设计了生理信号调理电路就能完成采集卡的电路设计，总体电路简洁，可以实现监护仪的小型化要求。 图 2-3 硬件系统总体框图 2.4 S3CEB2410 开发板介绍 现在国内基于三星的 S3C2410 的 开发平台大多采用三星公司的公板架构，因为采用公板架构在成本、稳定性等方面有保证，而且国内外的资料也比较多，如韩国的MIZI 公司网站等，都有公开的资料可以获得，所以我们可在开发阶段时采用开发板制造公司己经做好的开发板，当产品在开发板上已经调试成功，我们再在这个开发板电路的基础上进行删减及改进，最后完成总体电路板的设计。在国内的开发板的价格较低的前提下，这可以在一定程度上降低开发的成本。因此在本次开发中，为降低开发成本并缩短开发和调试时间，我们选用深圳市英蓓特 S3CEB2410 开发板作为主机的开发平台。它的 CPU 为 S3C2410 处理器，并具有丰富的板载资源和各种外围接口设备，完全可以满足开发此系统的硬件要求。开发板 主 要资源如下 : 系统时钟 :使用外部 12MHz 晶振， CPU 内部倍频至 200MHz+; Intel Strata Flash : E28F128J3 A 16MB ATMEL 公司的 ZMbyteNORFLASHAT49BV1614A(兼容 AMD 公司 ZM/4MbyteNOR FLASHAM29LV16ODB/320DB) SDRAM:64Mbyte(32MbyteXZ) nts天津 职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 8 .3通道 UART 串口接口，还可 跳接为 MODOM 方式 .2通道 USBHOST 和 1通道 USBDEVICE .Smart Media Card 控制器 .JTAG 接口 .640X48OTFT 触摸屏 LCD .SD 卡 /MMC 卡主机控制器 .8通道 10位 ADC 模数转换接口 .SPI 接口 .HS 数字音频输入 /输出接口 .10M 以太网接口 .EXBUS 全扩展接口 在进行开发工作时，将开发板与其配套的 JATG仿真器 Unet1CE相结合进行开发，当编写完应用程序后，用 Unet ICE 将可执行文件下载到开发板上调试。最后当完成程序的开发工作，用 Unet ICE 将程序固化到开发板的 NAND Flash 中。 nts天津 职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 9 3 心电信号采集及调理模块电路设计 3.1 心电信号波形及特点 心脏各部分兴奋过程中出现的电位变化的方向、途径、次序和时间等均有一定规律。由于人体为一个容积导体，这种电位变化亦必然扩布到身体的表面。鉴于心脏在同一时间内产生大量电信号，将心脏产生的电位变化以时间为函数记录下来，这记录曲线称为心电图 (ECG)。 图 3-1所示为典型心电波形图。心电图反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。 图 3-1 典型心电波形图 正常心电图波形包括 : 1.P 波 :一般为钝形，有时有轻度切迹但波峰间距小于 0.03 秒。 VIVZ 导联顶部尖。宽度 :0.06-0.115，高度 :小于 O.25mV。 2.PR 间期 :0.12-0.205，不同导联测量的 P-R 间期可略有差别。 3.QRS 波群 :正常时有些导联可出现小 Q 波，但其深度小于 0.25R，宽度小于0.045。宽度 :0.06-0.105，高度 :V1 的 R波小于 10mV， VS 的 R 波小于 25mV。 4.ST 段 :正常人的 ST 段下移不超过 0.05mV， ST 段上升不超过 0.lmV。而 V1-V3上升不超过 0.3mV。 5.T 波 :波形平滑不对称，上升慢而下降快。高度 :QRS 主波向上的导联 T 波不应低于同导联 R波的 1/10。 6.QT 间期 :正常人当心率在 60-100 次 /分时， QT 间期正常值为 0.32-0.445。因此心电信号是由 P、 QRS、 T波和静息期组成，各波频率特性不尽相同。它是一种非平稳信号，在采样过程中，常常掺杂各种噪声和干扰。心电信号的主要特点是 : 微弱 :mv 级 ; nts天津 职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 10 超低频 :心电的主要成分 50Hz; 信噪比低，对放大器要求严格 ; 3.2 心电信号采集及调理电路具体实现 心电数据采集及调理模块包括前端放大和右腿驱 动电路、高通滤波电路和二级放大电路、二阶低通滤波电路、双 T有源陷波器、电平提升电路等。总体设计框图如图3-2所示。 图 3-2 心电采集电路框图 1.前端放大、右腿驱动电路设计 由于心电信号的微弱、干扰大、低频等特性，所以在进行心电前级放大电路的设计中，对放大器的选择有严格的要求，如 :高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声，低漂移等特性。为了满足这些要求，本设计中选择 ADI 公司生产的仪用放大器 AD620A作前级放大芯片。 AD62OA 是一款低价格、高精度的仪用放大器，有非常优良的性能，是生物放大器设计中的经典之作 。由于 AD620A 的低功耗、低电压和小封装使其在便携式仪器应用中非常有用 ;同时，低偏置电流、低电流噪声和低电压噪声等优良性能增强了它的动态性能。 一般来说，共模抑制比 (CMRR)随增益 (G)增大而有所提高，但考虑到前置级对整个放大电路噪声的贡献，放大器的噪声性能一般随第一级增益的提高而明显变差，特别是集成器件噪声性能一般比分立元件差。因此第一级增益不宜取值过度，一般 G20为宜。本文将前置放大增益设置为 7。由式 3-1 可确定 R。 (RS)的值为 8.25K。 (3-1) 另外为增加人体和仪器在使用时的安全性，在左右手的导联输入与前置放大器之间增加了由二级管 Dl、 D2、 D3、 D4 组成保护电路。当正常情况下的工频共模干扰可达 300mV 左右，而两个反向并联的硅二极管的导通电压为士 600mV 左右，因此在正常情况下二极管是处于截止状态，不会影响心电信号的采集，只有当两个输入导联的电压超过保护电压的闭值时，二极管才处于导通状态，保护人体和仪器不受损坏。 为提 高前置放大器的共模抑制效果，本文采用了右腿驱动电路取代直接接地 ， 它是心电信号提取中非常有用的方法， 这种方法能够使 50Hz 共模工频干扰电压降低到nts天津 职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 11 1%以下。而且不会损失心电信号中的 50Hz 的有用信号成分，与右腿接地的方法 比 较，右腿驱动技术对抑制交流干扰的效果更好，但由于存在交流干扰电压的反馈环路，经过人体形成不安全因素，因此在使用时需外接限流电阻 R z，本文 R z 取 220K。图3-3为前置放大、右腿驱动电路。 图 3-3 前置放大、右腿驱动电路 2.二级放大、滤波电路及电压提升电路设计 心电放大的倍数一般在 1000 倍左右，经过前级放大器的放大，信号还需要进一步放大 ;为了去除心电信号中的低频、高频和 50Hz 的工频干扰信号，还需要进行高通、低通和陷波等模拟滤波器的设计。图 3-4为高通滤波、二级放大、有源二阶低通滤波电路电阻 R7、 RS、 R9 及放大器 U3构成了一个同相放大器，放大增益由式 3-2确定 (3-2) nts天津 职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 12 图 3-4 高通滤波、二级放大、有源二阶低通滤波电路 由于 ECG 信号带宽为 0.05-250HZ，因此在本文设计的高通滤波器的下限频率 fL为 0.05HZ，低通滤波器的上限频率坛为 250Hz。在设计滤波器 时，因为电容标称值的分档较少，比较难配，一般从选定电容器入手，电阻相对分档较多，相对好配。在选配电容时可根据频率按照表 3-1 选择适当电容值。 表 3-1 滤波器工作频率与电容值选择对应表 f (1-10)Hz (10-102)Hz (102-103)Hz (1-10)kHz (10-102)kHz (102-103)kHz c (20-10)uF (10-0.1)uF (0.1-0.01)uF (104-103)pF (103-102)pF (102-10)pF 上图中 C2、 R6构成了一阶高通滤波器，其 下限频率由式 3-3计算可得。 (3-3) 低通滤波器采用了适合于生理信号特征的巴特沃兹有源二阶滤波器，它由电阻R10、 R11、 R12、 R13，电容 C3、 C4及放大器 U4 组成，其上限频率由式 3-4 计算可得。 (3-4) 工频干扰在生理参数采集中的干扰是最为普遍的，为消除工频千扰 (我国工频干扰为 50Hz)对 ECG 信号的采集时的影响，在本设计中加入了双 T有源陷波器，可以把频带中 50Hz 的信号分量 滤除，但它同时也会滤除所采集的 ECG 信号中有用的 50Hz信号分量，因此在工频干扰不大或消失的情况下，应将此滤波器在 ECG 信号调理电路中切除，本设计采用跳线的方法来实现。电路如图 3-5 所示，其滤除频率 f由式 3-5确定。 (3-5) nts天津 职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 13 图 3-5 双 T 有源带阻滤波电路 当 ECG 信号经过上述的处理后仍然不能直接送到 ATmega8 进行 A/D 转换，因为此时的 ECG 信号虽然在幅值上已经满足要求，但其变化范围还处在士 2.5V之间 (本设计的幅值要求 5V)而 ATmega8 的 A/D 输入范围为 O-5V 之间，所以还要将 ECG 信号提升到 A/D 电路图的输入范围之内，在本设计中用反向加法器来实现这一功能，图 3-6为具体为保护采集板电路，在最终输出端并接一个 5V 的齐纳二级管。 图 3-6 电压提升电路 至此完成心电采集及调理模块的电路设计，此时的 ECG 信号可直接加到采集板进行 A/D 转换。 nts天津 职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 14 4 心音信号调理模块电路设计 4.1 心音信号波形及特点 心音 (heart sound)指由心肌收缩、心脏瓣膜关闭和血液撞击等引起的振动所产生的声音。它可在胸壁一定部位用听诊器听取，心室 壁、大动脉壁也可用换能器等仪器记录心音的机械振动，称为心音图。 每一心动周期可产生四个心音，一般均能听到的是第一和第二心音。第一心音发生在心缩期，标志心室收缩期的开始。于心尖搏动处 (前胸壁第 5 肋间隙左锁骨中线内侧 )听得最清楚。其音调较低 (40-60HZ)，持续时间较长 (0.1-0.12 秒 )，较响。心室收缩力愈强，第一心音愈响。第二心音发生在心舒期，标志着心室舒张期的开始，它分为主动脉音和肺动脉音两个成分，分别在主动脉和肺动脉听诊区 (胸骨左、右缘第二肋间隙 )听得最清楚。其音调较高 (60-100HZ)，持续时间 较短 (0.08 秒 )，响度较弱。其强弱可反映主动脉压和肺动脉压的高低，动脉压升高，则第二心音亢进。第三心音发生在第二心音之后，持续较短 (0.04-0.05 秒 )，音调较低。可在大部分儿童及约半数的青年人听到，不一定表示异常。第四心音发生在第一心音前的低频振动，持续约 0.04 秒。又称心房音。大多数健康成年人可在心音图上记录到低小的第四心音，一般听诊很难发现。正常的心音如 图 4-1所示。 图 4-1 正常 心音图 4.2 心音信号采集及调理电路具体实现 利用现代传感技术和电子信息处理技术可以对心音信号进行有效提取并进行处理，放大、滤波 (滤去不相干的杂音及环境噪音 )，可以输出清晰、稳定的心音信号，本设计中采用心音换能器来进行心音的采集，总体设计框图如图 4-2 所示。 nts天津 职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 15 图 4-2 心音采集电路框图 1.放大及滤波电路设计 心音换能器输出的原始信号的大小在 30mv 之间，信号较强，且干扰较小，因此在此电路中仅采用一次放大器，放大器采用了专用仪用放大器 AD620 集成运放，芯片中集成了差分式放大电路，具有高共模抑制比，高输入阻抗，低温漂，输入电压泛围宽 (士 2.3V 一 士 18V)。如果用普通运放来组织这样的差分放大电路，由于两个用来输入的普通运放的特性有可能相差较大，这样组织起来的差分电路的性能会受到很大的影响，输入失调电压很高，而且 AD620 只要在 1， 8 脚之间接入一个电阻就可以实现放大增益 1-1000 倍，大大简化了电路的设计。于最终的输出信号幅值要求在 0-5V之间，即要求放大电路的放大增益在 150 倍左右。所以在本次设计中第一级放大的倍数取 150 倍，由式 3-1可得 RG=300 欧姆 ，如图 4-3所示： 图 4-3 心音信号放大及滤波电路 由于心音信号的频率范围在 0.1-2000HZ，而我们经常测量的范围在 20-I000Hz，在本次设计中对滤波器的频率范围限制在 20Hz-600Hz 之间。由 C3 和 R4 组成高通滤波器，下限频率由下式决定。 （ 4-1） 由 Op27 放大器、 RS、 R6、 R7、 RS、 C4、 CS 组成的二阶低通滤波器，上限频率由式 4-2计算可得。 （ 4-2） nts天津 职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 16 从二阶滤波器输出的信号增益大约为 2 倍。即由此组成了频率在 22637Hz 之间的带通滤 波器。 2.电平提升及反向电路设计 图 4-4 信号电平提升及反向电路 图 4-4为信号电平提升及反向电路，由于从滤波器出来的交流信号在正负之间，即如果输出的信号峰峰值要求为 SV，则输出的信号为 -2.5V-+2.5V 之间。因此按设计要求输出为 0-5V 则要将输出电平提升 2.5V。图 4-4就是利用集成运放 0P27、 R11、R12、 R13 组成一个反向加法电路，输出信号将被加上由 R9、 RI0 组成的偏置电路上的偏置电压，我们在调试电路时可以调节 R10 来产生合适的偏置电压，本设计中偏置电压的调节范围为 0-10V(VCC=12V 时 )，因此滤波器输入的信号经过调节反相加法器的偏置电压后输出为 -5V-0。为了能在最后输出得到与初始信号同相的信号，在加法器后加了一个由 R14、 R15、 OP27组成的反向器，这样最终输出的电压信号范围为 O-5V。 nts天津 职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 17 5 体温信号调理模块电路设计 正常人体的直肠温度平均为 37.3，接近于深部的血液温度，口腔温度比直肠温度低 0.1-0.3，平均约为 37。腋窝温度比口腔温度又低 0.3-0.5，平均约为 36.7，临床上一般采取从腋窝、口腔或直肠内测量体温的办法。人体体温幅度范围如表 5-1所示 ： 表 5-1 体温幅度范围简表 生理参数 幅度范围 体温 口腔 36.7-37.7 腋窝 36.0-37.4 直肠 36.9-37.9 体温测量范围 35.0-42 5.1 温度传感器的选择 采用一般的热敏电阻，可满足 40至 90测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，且测量精度大于士 0.5，因此不适合本设计要求。在本设计中选用AD59O 温度传感器。 AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下 : 1.流过器件的电流 (mA)等于器件所处环境 的热力学温度 (开尔文 )度数。 2.AD59O 的测温范围为 -55 +150。 3.AD59O 的电源电压范围为 4V-30V。电源电压可在 4V-6V 范围变化，电流 Ir 变化 1mA，相当于温度变化 1K。 AD590 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 4.精度高。 AD590共有 I、 J、 K、 L、 M五档，其中 M档精度最高，在 -55 到 +150范围内，非线性误差为士 0.3。可以满足本设计精度要求 (土 0.5 )。 5.2 体温信号采集及调理电路具体实现 如图 5-1 所示， AD581 是高精度集成 稳压器，输入电压最大为 40V，输出 10V。电位器 R2 用于调整零点，在 0时调整 R2，使输出 Vo1=0。 R4用于调整运放 OP27(U9)的增益，在 100时调整 R4 使 sensor-Vin =I0v。如此反复调整多次，直至 0它时，Vo1=0v， 100时 Vo1=0V 为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为 25 ，那么 sensor-Vin 为 2.5V。冰水混合物是 0环境，沸水为 100环境。 nts天津 职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 18 人体体温小于 100，因此本文假定输出最大值为 5V时，使最后与输出到 ATmega8的电压在 0 至 +5v 之间，以满足 ATmega8 单片机 A/D 参考电压 (+5V)的输入要求。为此我们在体温信号调理电路与 ATmega8 的接口电路上接入一个 5V 的齐纳二极管以保证 Sensor-Vin 的输出电压在 0 至 +5V 之间，避免输出电压太高损坏采集板电路。体温信号的频率范围大量的集中在低频部分，因此我们在体温信号的放大电路后接了一个由 R6、 C1 组成的低通滤波器，其截止频率通过式 .(5-1)可得 : (5-1) 图 5-1 体温信号调理电路 nts天津 职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 19 6 脉搏信号调理模块电路设计 6.1 脉搏信号特点 脉搏波是以心脏搏动为动力源，通过血管系统的传导而产生的容积变化和振动现象，它可以反映出心脏、血管系统的功能和血液的代谢功能。当心脏收缩时，有相当数量的血液进入原己充满血液的主动脉内，使得该处的弹性管壁被撑开，此时心脏推动血液所作的功转化为血管的弹性势能 ;心脏停止收缩时，扩张了的那部分血管也跟着收缩，驱使血液向前流动，结果又使前面血管的管壁跟着扩张，如此类推，这种过程和波动在弹性介质中的传播有些类似，因此称为脉搏波 (pulse wave)。动脉脉搏波反映了每一次脉跳搏动而发生的血容量变 化，是一条周期性连续波动的类似正弦波的曲线，它的周期即是心动周期。动脉脉搏波包含血管血压、容积、移动管壁张力等多种信息，能够反映心脏和血管的状态，对医生诊断高血压、动脉硬化等循环疾病很有帮助。人体手指末端含有丰富的小动脉，它们和其他部位的动脉一样，含有丰富的信息，用光电法提取这些信息是无损伤方法，而且简单易行。但是能否有效地用光电法测得脉搏不仅和被测对象有关而且和工程上的检测方法有关，用红外光电法通过指尖量脉搏是一种比较先进的检测手段。 6.2 脉搏信号采集及调理电路具体实现 我们使用指套式光电传感器，由发光 二极管和光电三极管组成，指套减少了外界光的干扰。图 6-1为光电传感器概图。 图 6-1 光电传感器概图 AD620 的增益可以通过调节电阻 R，的阻值来改变，增益与阻值的关系如式 4.1所示。 AD620 的最大增益可达到 1000 倍，但一般时候不使用最高放大倍数。因为放大倍数高可能会影响输入阻抗等其它因素，所以我们必需通过改变电阻来选择最适当nts天津 职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 20 的放大倍数，使得放大的信号达到最好效果。二阶低通滤波器可以滤掉信号中的高频部分。脉搏的频率因人而异，所以滤波器的截止频率也可以根据个人要求不同自由的改变。脉搏信号放大电路如图 6-2所示。 图 6-2 脉搏信号放大及低通滤波电路 由 U2、 R2、 R3、 R4、 R5、 C1、 C2构成的二阶低通滤波器的上限频率由式 6-1 可得。 (6-1) 从以上电路输出的电压 Vout 须经电平提升及反向电路才能输入到 ATmega8 单片机进行 A/D 转换，其原理与心音的电平提升及反向电路一样，在此不再讨论。 nts天津 职业技术师范大学 2010 届本科生毕业设计 21 7 血压信号调理模块电路设计 7.1 血压检测方法 临床上血压测量技术可分为直接法和间接法两种 : 直接法血压测量是将一根导管经皮插入欲测部位的血 管或心脏内，通过导管内的液柱同放在体外的应变式传感器、线形可变差动变压器、电容式传感器等相连，从而测出导管端部的压力。另一种形式是把传感器放在导管的末端，直接测出端部所在点的血压值。这种方法的优点是测量值准确，并能进行连续测量。但它必须经皮将导管放入血管内，所以是一种创伤性的方法。 间接法是利用脉管内压力与血液阻断开通时刻所出现的血流变化间的关系，从体表测出相应的压力值。由于这种方法不需要剖切的外科手术，同
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