醫(yī)學電子儀器設計第8章多參數監(jiān)護儀設計

1、第八章 多參數監(jiān)護儀設計,8.1 監(jiān)護儀概述8.2 信號采集硬件8.3 核心控制系統(tǒng)設計8.4 心率檢測算法設計8.5多參數監(jiān)護儀的設計特點8.6動態(tài)心電監(jiān)護儀（HOLTER）設計,8.1 監(jiān)護儀概述,8.1.1 監(jiān)護儀意義和作用8.1.2 監(jiān)護儀分類8.1.3 監(jiān)護生理參數的測量內容,8.1 監(jiān)護儀概述,圖8-1（a）床邊監(jiān)護儀 （b）中央監(jiān)護儀,8.1 監(jiān)護儀概述,1．根據結構分為四類：便攜式監(jiān)護儀、插件式監(jiān)護儀、遙測

2、監(jiān)護儀、HOLTER（24小時動態(tài)心電圖）心電監(jiān)護儀。2．根據功能分為三類：床邊監(jiān)護儀、中央監(jiān)護儀、離院監(jiān)護儀（遙測監(jiān)護儀），,8.1 監(jiān)護儀概述,1．心電圖2．心率3．呼吸4．有創(chuàng)血壓5．無創(chuàng)血壓監(jiān)護6．心輸出量7．體溫8．脈搏9．血氣監(jiān)護,8.2 信號采集硬件,1 心電（ECG）的監(jiān)護2 無創(chuàng)血壓（NIBP）監(jiān)護3 動脈血氧飽和度（SpO2）監(jiān)護4 呼吸（Resp）監(jiān)護5 體溫（Temp）監(jiān)護6 呼吸末二

3、氧化碳（PetCO2）監(jiān)護,8.2 信號采集硬件,8.2.1 監(jiān)護儀的基本結構,8.2.2 多參數監(jiān)護儀的參數測量方法,心電監(jiān)護與心電圖機在硬件設計方面的差別1、通常監(jiān)護儀心電導聯(lián)線采用5導聯(lián)線模式，而心電圖機采用國際標準12導聯(lián)體系。2、監(jiān)護儀通常有診斷、監(jiān)護、手術三種模式，對應的頻段不同，而心電圖機相對于監(jiān)護儀只有一種模式。,心電監(jiān)護,3、電路板設計中通常把心電、呼吸、體溫、等參數的信號提取放在一個電路板上。4、由于監(jiān)護儀需要

4、監(jiān)護多個參數，需要一個能調度多任務且穩(wěn)定的操作系統(tǒng)。而心電圖機可以根據功能的多少，選擇是否需要操作系統(tǒng)。,心電監(jiān)護,通常監(jiān)護儀會對采集到的心電數據進行分析，而心電圖機通常不對心電數據進行分析。在報警功能中，通常心電圖機具有導聯(lián)脫落或放大器飽和等信息的報警，而監(jiān)護儀軟件中對報警狀態(tài)的要求以及報警響應時間都有要求，要求軟件可以設置報警級別，高級別報警提示要求具有聲光提示。,心電監(jiān)護,監(jiān)護儀與心電圖的報警不僅在軟件中有區(qū)別，在硬件中也區(qū)別很

5、大，通常心電圖機的報警提示音使用蜂鳴器。而監(jiān)護儀則采用揚聲器，通過單片機的D/A引腳輸出聲音信號。監(jiān)護儀的心率計算是心電監(jiān)護儀軟件算法中的重要部分，軟件程序中通常通過尋找正確的R波來計算心率。,心電監(jiān)護,圖8-3 心電監(jiān)護儀電極安放位置,無創(chuàng)血壓（NIBP）監(jiān)護,監(jiān)護儀在測量血壓時一般分手動和自動測量，可以根據需要設定。振動法是測量血壓的方法。在無創(chuàng)血壓監(jiān)護過程中，應盡量保證有良好條件，同時注意袖帶尺寸的選擇，放置的部位和捆綁的松

6、緊度。,動脈血氧飽和度（SpO2）監(jiān)護,用來表征血液中氧合血紅蛋白比例的數值稱為氧飽和度。定義式為：HbO2/（HbO2+Hb）。光電信號的脈動規(guī)律是和心臟的搏動一致，因此檢測出信號的重復周期，還能確定出脈率。,4 呼吸（Resp）監(jiān)護,熱敏式呼吸測量阻抗式呼吸測量人體呼吸運動時，胸廓也交替變形，肌體組織的電阻抗也交替變化，呼吸阻抗(肺阻抗)與肺容量成正比關系。,,,4 呼吸（Resp）監(jiān)護,,,,圖8-4阻抗式呼吸測量原理,

7、4 呼吸（Resp）監(jiān)護,圖8-5 阻抗法電路結構圖,,,,4 呼吸（Resp）監(jiān)護,,,,,圖 8-6 高頻激勵（a）電壓發(fā)生電路，（b）等效電路,5 體溫（Temp）監(jiān)護,體溫測量電路可以采用恒流或恒壓的方式，把人體溫度引起的體溫探頭的阻值變化轉化為線性的電壓變化，根據AD轉換的數據計算出體溫探頭的阻值，根據探頭阻值與溫度對照關系查表計算出人體溫度，體溫檢測范圍為0～50℃ ，精度為土0.2℃。,6 呼吸末二氧化碳（PetCO2）監(jiān)

8、護,,圖8-7 呼氣末二氧化碳分壓曲線,,8.3 核心控制系統(tǒng)設計,8.3.1 芯片選擇8.3.2 系統(tǒng)硬件電路設計8.3.3 系統(tǒng)軟件設計,,,8.3 核心控制系統(tǒng)設計,8.3.2 系統(tǒng)硬件電路設計1 信號采集電路的硬件設計2 數據處理模塊的硬件設計,,,8.3.2 系統(tǒng)硬件電路設計,,,,圖8-8 多參數監(jiān)護儀硬件結構圖,8.3.2 系統(tǒng)硬件電路設計,,,,圖8-9 信號采集模塊硬件連接圖,8.3.2 系統(tǒng)硬件電路設計,,

9、,,圖8-10 數據處理模塊硬件連接圖,8.3.3 系統(tǒng)軟件設計,1 基于LINUX的中心控制器軟件部分設計2 各部分信號采集部分軟件設計3 系統(tǒng)通信和調試4 LCD顯示,,,8.3 核心控制系統(tǒng)設計,,,圖8-11 系統(tǒng)主程序流程圖,8.3 核心控制系統(tǒng)設計,,,圖8-12 信號采集部分程序流程圖,8.4 心率檢測算法設計,8.4.1 R波檢測技術8.4.2 心律失常的判別,,,,8.4 心率檢測算法設計,8.4.1 R波檢測

10、技術,,,,,,,,8.4 心率檢測算法設計,8.4.1 R波檢測技術,,,,,8.4 心率檢測算法設計,8.4.1 R波檢測技術,,,,,圖8-13 微分法檢測心電R波,8.4 心率檢測算法設計,8.4.1 R波檢測技術,,,,,8.4 心率檢測算法設計,8.4.1 R波檢測技術,,,,,圖8-14 Pan-Tompkins算法檢測R波,8.4 心率檢測算法設計,8.4.2 心律失常的判別心電分析的依據通常是QRS波的寬度、幅度、波

11、峰方向和R-R間期等參數，以及與心電模板的匹配程度等。QRS波的寬度是判別心律失常的基本參數。,,,,8.5多參數監(jiān)護儀的設計特點,多參數監(jiān)護儀與手持式醫(yī)療設備的設計區(qū)別為：（1）需要獨立的電源模塊完成鋰電池充電及其它功能模塊的供電。（2）液晶顯示屏相對要最夠大以便顯示多個生理參數。（3）內部硬件采用模塊化設計，數據采集、打印部分采用獨立的MCU減少主控芯片的負擔。（4）通常監(jiān)護儀需要網電源供電，要充分考慮到應用部分與電網電源

12、部分的隔離設計。（5）采用高處理速度，外設豐富的MCU，嵌入操作系統(tǒng)控制各任務的調度。,8.6動態(tài)心電監(jiān)護儀（HOLTER）設計,8.6.1動態(tài)心電圖設計需求（1）最小檢測信號：50 µV p-p；（2）最長記錄24h總誤差：≤30s；（3）通帶頻率：0.67Hz~40Hz；（4）共模抑制比：≥60dB；（5）輸入動態(tài)范圍：±300mV；（6）系統(tǒng)噪聲：≤50μV；（7）定標電壓：1mV±5%；（8）輸

13、入阻抗：≥10M?。,8.6.2 動態(tài)心電圖設計原理,1、電源部分2、信號采集與處理部分3 、控制部分,8.6.2 動態(tài)心電圖設計原理,,,8.6.2 動態(tài)心電圖設計原理,1、電源部分滿足完成24小時的心電采集的要求，硬件的選擇在滿足設計要求的前提下，要將功耗放在第一位置2、信號采集與處理部分心電采集前端放大電路與心電圖機前端采集電路基本相同,,3 控制部分實時時鐘用于記錄采集時間和日期。數據存取控制部分完成對采集處理后的心