便攜式多參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
[導(dǎo)讀]便攜式無線多參數(shù)監(jiān)護儀具有體積小巧，價格便宜，穩(wěn)定性高，功耗低等特點，可長時間監(jiān)測患者生理參數(shù)如血壓、血氧、心電呼吸和體溫。使病人可以隨身攜帶，24小時監(jiān)護病人的生理參數(shù)，當病人覺得不適或者需要超出醫(yī)生
便攜式無線多參數(shù)監(jiān)護儀具有體積小巧，價格便宜，穩(wěn)定性高，功耗低等特點，可長時間監(jiān)測患者生理參數(shù)如血壓、血氧、心電呼吸和體溫。使病人可以隨身攜帶，24小時監(jiān)護病人的生理參數(shù)，當病人覺得不適或者需要超出醫(yī)生建議閾值時，并可通過藍牙協(xié)議將儲存的生理參數(shù)信息以 5517.2011.02.0092.4G頻帶傳遞至手機，再通過手機發(fā)送到醫(yī)院數(shù)據(jù)庫平臺按照參數(shù)超出幅度聯(lián)系值班醫(yī)生，實現(xiàn)足不出戶可實現(xiàn)安全監(jiān)護。由北京時代民芯公司開發(fā)的MXT89C551為這種多功能便攜式無線多參數(shù)監(jiān)護儀的實現(xiàn)提供了硬件平臺。通過對該高速單指令周期MCU的外圍電路設(shè)計和軟件編程，實現(xiàn)了如圖1的設(shè)計框架結(jié)構(gòu)。
電路設(shè)計及工作原理
血壓
采用電機轉(zhuǎn)動對袖帶進行加壓來阻斷動脈血，通過勻速漏氣閥漏氣。當袖帶的氣壓逐漸減小時，動脈血流逐漸增加，脈搏波逐漸增大，當袖帶內(nèi)的壓力等于收縮壓的時候，開始產(chǎn)生第一聲柯式音，當袖帶內(nèi)的壓力繼續(xù)減小時脈搏波的振幅會減小直到消失，產(chǎn)生最后一聲柯式音。將袖帶連接的壓力傳感器MPS2107產(chǎn)生的差分信號通過高通放大濾波器，將脈搏波信號進行放大濾波后，通過AD采樣將信號采進系統(tǒng)。求出脈波信號的包絡(luò)線，算出峰峰值最大的點對應(yīng)的氣壓值，按照多權(quán)值示波法原理再進一步計算舒張壓和收縮壓。電路結(jié)構(gòu)如圖2。
根據(jù)包絡(luò)線的特征，采用最大振幅法，得出血壓值。目前比較一致的醫(yī)學看法是當袖帶壓力振蕩波的振幅最大時，袖帶的壓力就是動脈的平均壓。動脈的收縮壓對應(yīng)于包絡(luò)線的第一個拐點，舒張壓對應(yīng)于包絡(luò)線的第二個拐點。
收縮壓判據(jù)的確定：通常采用最大振幅法，即在放氣過程中脈搏波幅度包絡(luò)線的上升階段，當某一脈沖波的幅度Ai與最大幅度Ax之比≥Ks時，就認為此時對應(yīng)的袖帶壓力為收縮壓。
心電
由于心電信號非常微弱，頻率在0.1~20Hz幅值在1mv左右，屬于一種低頻低幅信號。我們選擇的是INA331，具有高信噪比，高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲低漂移的儀表放大器。由于工頻干擾通過差模形式進入放大器，所以其中夾雜著較大的50Hz工頻干擾，需要增加50Hz陷波器。 50Hz陷波器通過雙T網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，實現(xiàn)對50Hz信號大于30dB的衰減并且對20Hz以下的低頻信號無衰減。由于其中混雜著高頻干擾信號，需要經(jīng)過二階低通濾波器對20Hz以上的信號進行濾波。以100Hz的速度進行采樣，再通過數(shù)字濾波算法調(diào)整基值及數(shù)字濾波，再將處理過的信號通過點陣式LCD屏幕顯示。電路結(jié)構(gòu)如圖5。
心電信號屬于低頻小信號，幅值小于1mV。需要前置放大電路有較高的增益，高輸入阻抗(2M以上)和高共模抑制比(60dB以上)和很低的噪聲 (10mVpp以下)及低漂移和合適的通頻帶寬度和動態(tài)范圍。極化電壓是由于電極和皮膚接觸形成的半電池產(chǎn)生的直流電壓，其幅值約為幾毫伏至幾百毫伏不等。國標中對極化電壓的要求為小于300mV，遠大于心電信號，由于極化電壓的存在導(dǎo)致前級放大倍數(shù)不能太高以防止飽和，而差分儀表放大器的共模抑制比是和放大倍數(shù)有關(guān)的，所以導(dǎo)致心電信號的前級放大電路需要增益和共模抑制比之間做出平衡。如圖6所示，LA為左臂導(dǎo)聯(lián)信號，RA為右臂導(dǎo)聯(lián)信號。LL為左腿導(dǎo)聯(lián)信號，左腿驅(qū)動電路可以有效防止位移電流的干擾。人體的位移電流將不再流入地，而是流向輔助放大器的輸出。當患者和地之間存在很高的電壓時導(dǎo)致放大器飽和以防止患者受傷。當輸入的信號幅值過大超過Vref時，放大器停止工作。經(jīng)過差分放大后還需要經(jīng)過二級放大濾波，提取出較好的心電信號。
血氧
采用光譜法進行無創(chuàng)血氧的測量和計算，人體中的氧主要集中在血紅細胞中，由于含氧血紅細胞和還原血紅細胞對紅光和紅外光的吸光度差別很大，由于人體靜脈和體表在同一位置對光的吸收度一定，所以通過手指的紅光和紅外光會存在直流分量，由于動脈血的流動出現(xiàn)交流分量。由于光電池受到光刺激轉(zhuǎn)換成的是電流信號，需要增加跨導(dǎo)放大器將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。再經(jīng)過工頻陷波器和二階低通濾波器，得到完整性較好的血氧信號。將波長660nm紅光和 940nm的紅外光以1ms的速度切換，中間間隔1ms的時間使紅光和紅外光管都不發(fā)光，將采樣數(shù)據(jù)存儲起來，在計算時將數(shù)組序號除以4取余，將與為1的點提取出來組成紅光的波形，再將余為3的點提取出來組成紅外光的波形，將余為0和2的點取出來，分別讓紅光波形與紅外光的波形減去余為0和2組成的新數(shù)組，以減小外部光源對信號的干擾。經(jīng)過處理分析將接收端的直流量和交流量分別算出，計算出吸光度R，通過最小二乘法和曲線擬合法來確定血樣計算公式中的各個系數(shù)。電路如圖7所示。
驅(qū)動電路由四個三極管組成，I/O1和I/O2分別為占空比百分之二十五，相位相差180度的方波信號，分別控制紅光和紅外光二極管發(fā)光。 DAC1和DAC2起著控制電流的作用，根據(jù)發(fā)光管的額定工作電流確定驅(qū)動電流的大小。一般為20多個毫安。通過產(chǎn)生1KHz的方波信號。時序是紅光開紅光關(guān)紅外光開紅外光關(guān)。
血氧探頭中的光接收器是由光電池完成的，光電池可以有效的把接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電流信號。將轉(zhuǎn)換的電流通過跨導(dǎo)放大器將電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，需要采用低噪放大器。反饋電阻和反饋電容的值的大小需要根據(jù)發(fā)光二極管的內(nèi)阻和內(nèi)電容來確定。將放大之后的信號含有1V左右的直流信號和30MV左右的交流信號，將信號通過ADC轉(zhuǎn)換器輸入系統(tǒng)，并經(jīng)過數(shù)字直流跟隨濾波器提取直流分量輸入系統(tǒng)。電路圖如圖8所示。
其他單元
呼吸：目前對呼吸的測量最常用的是阻抗測量法。在呼吸過程中，胸腔的阻抗會隨著呼吸的變化而變化。將高頻脈沖信號加到胸腔上，由于呼吸的頻率遠遠小于脈沖的頻率，使得高頻脈沖的幅值隨著胸腔阻抗的改變而改變。將被高頻信號調(diào)制之后的呼吸信號經(jīng)過帶通濾波器，濾除不在0.05Hz到10Hz內(nèi)的干擾信號，再通過的ADC采進系統(tǒng)，得到呼吸信號的原型。將幅值變化的包絡(luò)線計算出來，進而可以計算出胸腔阻抗的變化。
體溫：體溫信號相比于其他生理參數(shù)，其干擾較少，波形平滑且易于處理，所以采用傳感器DS18B20可通過一根數(shù)據(jù)線獲得與溫度相關(guān)的數(shù)字數(shù)據(jù)，采進系統(tǒng)進行處理，獲得被測體征的溫度參數(shù)。
LCD顯示：采用二次開發(fā)后的LCD屏LM2068R，通過串口與系統(tǒng)連接。串口可發(fā)送命令，實現(xiàn)坐標的定位和顏色的選擇，也可以直接發(fā)送漢字數(shù)字的ASCII碼，通過其內(nèi)部字庫來顯示漢字數(shù)字和符號等，大大的簡化了程序員的工作和系統(tǒng)的資源。將心電和脈搏波形顯示在屏幕上，其他生理參數(shù)以數(shù)值的形式顯示在屏幕上。所有的信息可以同屏顯示，使患者和醫(yī)生對生理參數(shù)的變化一目了然。
藍牙：采用2.4GHz頻帶的藍牙協(xié)議傳輸，并能夠與手機實現(xiàn)自動建連，將采集的實時人體體征數(shù)據(jù)通過手機的GPRS功能上傳至固定網(wǎng)站。網(wǎng)站會將接收到的數(shù)據(jù)按照不同帳戶與固定醫(yī)生聯(lián)系，使醫(yī)生能夠及時的獲得第一手原始數(shù)據(jù)，監(jiān)控病人健康狀況。
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