医学电子仪器设计第8章-多参数监护仪设计

第八章多参数监护仪设计8.1监护仪概述8.2信号采集硬件8.3核心控制系统设计8.4心率检测算法设计8.5多参数监护仪的设计特点8.6动态心电监护仪（HOLTER）设计8.1监护仪概述8.1.1监护仪意义和作用8.1.2监护仪分类8.1.3监护生理参数的测量内容8.1监护仪概述图8-1（a）床边监护仪（b）中央监护仪8.1监护仪概述1．根据结构分为四类：便携式监护仪、插件式监护仪、遥测监护仪、HOLTER（24小时动态心电图）心电监护仪。2．根据功能分为三类：床边监护仪、中央监护仪、离院监护仪（遥测监护仪），8.1监护仪概述1．心电图2．心率3．呼吸4．有创血压5．无创血压监护6．心输出量7．体温8．脉搏9．血气监护8.2信号采集硬件1心电（ECG）的监护2无创血压（NIBP）监护3动脉血氧饱和度（SpO2）监护4呼吸（Resp）监护5体温（Temp）监护6呼吸末二氧化碳（PetCO2）监护8.2信号采集硬件8.2.1监护仪的基本结构8.2.2多参数监护仪的参数测量方法心电监护与心电图机在硬件设计方面的差别1、通常监护仪心电导联线采用5导联线模式，而心电图机采用国际标准12导联体系。2、监护仪通常有诊断、监护、手术三种模式，对应的频段不同，而心电图机相对于监护仪只有一种模式。心电监护3、电路板设计中通常把心电、呼吸、体温、等参数的信号提取放在一个电路板上。4、由于监护仪需要监护多个参数，需要一个能调度多任务且稳定的操作系统。而心电图机可以根据功能的多少，选择是否需要操作系统。心电监护通常监护仪会对采集到的心电数据进行分析，而心电图机通常不对心电数据进行分析。在报警功能中，通常心电图机具有导联脱落或放大器饱和等信息的报警，而监护仪软件中对报警状态的要求以及报警响应时间都有要求，要求软件可以设置报警级别，高级别报警提示要求具有声光提示。心电监护监护仪与心电图的报警不仅在软件中有区别，在硬件中也区别很大，通常心电图机的报警提示音使用蜂鸣器。而监护仪则采用扬声器，通过单片机的D/A引脚输出声音信号。监护仪的心率计算是心电监护仪软件算法中的重要部分，软件程序中通常通过寻找正确的R波来计算心率。心电监护图8-3心电监护仪电极安放位置无创血压（NIBP）监护监护仪在测量血压时一般分手动和自动测量，可以根据需要设定。振动法是测量血压的方法。在无创血压监护过程中，应尽量保证有良好条件，同时注意袖带尺寸的选择，放置的部位和捆绑的松紧度。动脉血氧饱和度（SpO2）监护用来表征血液中氧合血红蛋白比例的数值称为氧饱和度。定义式为：HbO2/（HbO2+Hb）。光电信号的脉动规律是和心脏的搏动一致，因此检测出信号的重复周期，还能确定出脉率。4呼吸（Resp）监护热敏式呼吸测量阻抗式呼吸测量人体呼吸运动时，胸廓也交替变形，肌体组织的电阻抗也交替变化，呼吸阻抗(肺阻抗)与肺容量成正比关系。4呼吸（Resp）监护图8-4阻抗式呼吸测量原理4呼吸（Resp）监护图8-5阻抗法电路结构图4呼吸（Resp）监护图

8-6高频激励（a）电压发生电路，（b）等效电路5体温（Temp）监护体温测量电路可以采用恒流或恒压的方式，把人体温度引起的体温探头的阻值变化转化为线性的电压变化，根据AD转换的数据计算出体温探头的阻值，根据探头阻值与温度对照关系查表计算出人体温度，体温检测范围为0～50℃，精度为土0.2℃。6呼吸末二氧化碳（PetCO2）监护图8-7呼气末二氧化碳分压曲线8.3核心控制系统设计8.3.1芯片选择8.3.2系统硬件电路设计8.3.3系统软件设计8.3核心控制系统设计8.3.2系统硬件电路设计1信号采集电路的硬件设计2数据处理模块的硬件设计8.3.2系统硬件电路设计图8-8多参数监护仪硬件结构图8.3.2系统硬件电路设计图8-9信号采集模块硬件连接图8.3.2系统硬件电路设计图8-10数据处理模块硬件连接图8.3.3系统软件设计1基于LINUX的中心控制器软件部分设计2各部分信号采集部分软件设计3系统通信和调试4LCD显示8.3核心控制系统设计图8-11系统主程序流程图8.3核心控制系统设计图8-12信号采集部分程序流程图8.4心率检测算法设计8.4.1R波检测技术8.4.2心律失常的判别8.4心率检测算法设计8.4.1R波检测技术8.4心率检测算法设计8.4.1R波检测技术8.4心率检测算法设计8.4.1R波检测技术图8-13

微分法检测心电R波8.4心率检测算法设计8.4.1R波检测技术8.4心率检测算法设计8.4.1R波检测技术图8-14Pan-Tompkins算法检测R波8.4心率检测算法设计8.4.2心律失常的判别心电分析的依据通常是QRS波的宽度、幅度、波峰方向和R-R间期等参数，以及与心电模板的匹配程度等。QRS波的宽度是判别心律失常的基本参数。8.5多参数监护仪的设计特点多参数监护仪与手持式医疗设备的设计区别为：（1）需要独立的电源模块完成锂电池充电及其它功能模块的供电。（2）液晶显示屏相对要最够大以便显示多个生理参数。（3）内部硬件采用模块化设计，数据采集、打印部分采用独立的MCU减少主控芯片的负担。（4）通常监护仪需要网电源供电，要充分考虑到应用部分与电网电源部分的隔离设计。（5）采用高处理速度，外设丰富的MCU，嵌入操作系统控制各任务的调度。8.6动态心电监护仪（HOLTER）设计8.6.1动态心电图设计需求（1）最小检测信号：50µVp-p；（2）最长记录24h总误差：≤30s；（3）通带频率：0.67Hz~40Hz；（4）共模抑制比：≥60dB；（5）输入动态范围：±300mV；（6）系统噪声：≤50μV；（7）定标电压：1mV±5%；（8）输入阻抗：≥10MΩ。8.6.2动态心电图设计原理1、电源部分2、信号采集与处理部分3、控制部分8.6.2动态心电图设计原理8.6.2动态心电图设计原理1、电源部分满足完成24小时的心电采集的要求，硬件的选择在满足设计要求的前提下，要将功耗放在第一位置2、信号采集与处理部分心电采集前端放大电路与心电图机前端采集电路基本相同3控制部分实时时钟用于记录采集时间和日期。数据存取控制部分完成对采集处理后的心电信号的存储及读取功能。指示灯便于用户识别当前的工作状态状态。8.6.3动态心电监护仪的特色设计（1）最长记录24h总误差：