醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計(jì)第8章多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)

1、第八章 多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì),8.1 監(jiān)護(hù)儀概述8.2 信號(hào)采集硬件8.3 核心控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.4 心率檢測算法設(shè)計(jì)8.5多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)特點(diǎn)8.6動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀（HOLTER）設(shè)計(jì),8.1 監(jiān)護(hù)儀概述,8.1.1 監(jiān)護(hù)儀意義和作用8.1.2 監(jiān)護(hù)儀分類8.1.3 監(jiān)護(hù)生理參數(shù)的測量內(nèi)容,8.1 監(jiān)護(hù)儀概述,圖8-1（a）床邊監(jiān)護(hù)儀 （b）中央監(jiān)護(hù)儀,8.1 監(jiān)護(hù)儀概述,1．根據(jù)結(jié)構(gòu)分為四類：便攜式監(jiān)護(hù)儀、插件式監(jiān)護(hù)儀、遙測

2、監(jiān)護(hù)儀、HOLTER（24小時(shí)動(dòng)態(tài)心電圖）心電監(jiān)護(hù)儀。2．根據(jù)功能分為三類：床邊監(jiān)護(hù)儀、中央監(jiān)護(hù)儀、離院監(jiān)護(hù)儀（遙測監(jiān)護(hù)儀），,8.1 監(jiān)護(hù)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(hù)6．心輸出量7．體溫8．脈搏9．血?dú)獗O(jiān)護(hù),8.2 信號(hào)采集硬件,1 心電（ECG）的監(jiān)護(hù)2 無創(chuàng)血壓（NIBP）監(jiān)護(hù)3 動(dòng)脈血氧飽和度（SpO2）監(jiān)護(hù)4 呼吸（Resp）監(jiān)護(hù)5 體溫（Temp）監(jiān)護(hù)6 呼吸末二

3、氧化碳（PetCO2）監(jiān)護(hù),8.2 信號(hào)采集硬件,8.2.1 監(jiān)護(hù)儀的基本結(jié)構(gòu),8.2.2 多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的參數(shù)測量方法,心電監(jiān)護(hù)與心電圖機(jī)在硬件設(shè)計(jì)方面的差別1、通常監(jiān)護(hù)儀心電導(dǎo)聯(lián)線采用5導(dǎo)聯(lián)線模式，而心電圖機(jī)采用國際標(biāo)準(zhǔn)12導(dǎo)聯(lián)體系。2、監(jiān)護(hù)儀通常有診斷、監(jiān)護(hù)、手術(shù)三種模式，對(duì)應(yīng)的頻段不同，而心電圖機(jī)相對(duì)于監(jiān)護(hù)儀只有一種模式。,心電監(jiān)護(hù),3、電路板設(shè)計(jì)中通常把心電、呼吸、體溫、等參數(shù)的信號(hào)提取放在一個(gè)電路板上。4、由于監(jiān)護(hù)儀需要

4、監(jiān)護(hù)多個(gè)參數(shù)，需要一個(gè)能調(diào)度多任務(wù)且穩(wěn)定的操作系統(tǒng)。而心電圖機(jī)可以根據(jù)功能的多少，選擇是否需要操作系統(tǒng)。,心電監(jiān)護(hù),通常監(jiān)護(hù)儀會(huì)對(duì)采集到的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而心電圖機(jī)通常不對(duì)心電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在報(bào)警功能中，通常心電圖機(jī)具有導(dǎo)聯(lián)脫落或放大器飽和等信息的報(bào)警，而監(jiān)護(hù)儀軟件中對(duì)報(bào)警狀態(tài)的要求以及報(bào)警響應(yīng)時(shí)間都有要求，要求軟件可以設(shè)置報(bào)警級(jí)別，高級(jí)別報(bào)警提示要求具有聲光提示。,心電監(jiān)護(hù),監(jiān)護(hù)儀與心電圖的報(bào)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(jī)的報(bào)警提示音使用蜂鳴器。而監(jiān)護(hù)儀則采用揚(yáng)聲器，通過單片機(jī)的D/A引腳輸出聲音信號(hào)。監(jiān)護(hù)儀的心率計(jì)算是心電監(jiān)護(hù)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(jì)算心率。,心電監(jiān)護(hù),圖8-3 心電監(jiān)護(hù)儀電極安放位置,無創(chuàng)血壓（NIBP）監(jiān)護(hù),監(jiān)護(hù)儀在測量血壓時(shí)一般分手動(dòng)和自動(dòng)測量，可以根據(jù)需要設(shè)定。振動(dòng)法是測量血壓的方法。在無創(chuàng)血壓監(jiān)護(hù)過程中，應(yīng)盡量保證有良好條件，同時(shí)注意袖帶尺寸的選擇，放置的部位和捆綁的松

6、緊度。,動(dòng)脈血氧飽和度（SpO2）監(jiān)護(hù),用來表征血液中氧合血紅蛋白比例的數(shù)值稱為氧飽和度。定義式為：HbO2/（HbO2+Hb）。光電信號(hào)的脈動(dòng)規(guī)律是和心臟的搏動(dòng)一致，因此檢測出信號(hào)的重復(fù)周期，還能確定出脈率。,4 呼吸（Resp）監(jiān)護(hù),熱敏式呼吸測量阻抗式呼吸測量人體呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(guān)系。,,,4 呼吸（Resp）監(jiān)護(hù),,,,圖8-4阻抗式呼吸測量原理,

7、4 呼吸（Resp）監(jiān)護(hù),圖8-5 阻抗法電路結(jié)構(gòu)圖,,,,4 呼吸（Resp）監(jiān)護(hù),,,,,圖 8-6 高頻激勵(lì)（a）電壓發(fā)生電路，（b）等效電路,5 體溫（Temp）監(jiān)護(hù),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(zhuǎn)化為線性的電壓變化，根據(jù)AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)計(jì)算出體溫探頭的阻值，根據(jù)探頭阻值與溫度對(duì)照關(guān)系查表計(jì)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(hù),,圖8-7 呼氣末二氧化碳分壓曲線,,8.3 核心控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),8.3.1 芯片選擇8.3.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)8.3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),,,8.3 核心控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),8.3.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)1 信號(hào)采集電路的硬件設(shè)計(jì)2 數(shù)據(jù)處理模塊的硬件設(shè)計(jì),,,8.3.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì),,,,圖8-8 多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀硬件結(jié)構(gòu)圖,8.3.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì),,,,圖8-9 信號(hào)采集模塊硬件連接圖,8.3.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì),,

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

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

11、峰方向和R-R間期等參數(shù)，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(shù)。,,,,8.5多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)特點(diǎn),多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀與手持式醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)區(qū)別為：（1）需要獨(dú)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(duì)要最夠大以便顯示多個(gè)生理參數(shù)。（3）內(nèi)部硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集、打印部分采用獨(dú)立的MCU減少主控芯片的負(fù)擔(dān)。（4）通常監(jiān)護(hù)儀需要網(wǎng)電源供電，要充分考慮到應(yīng)用部分與電網(wǎng)電源

12、部分的隔離設(shè)計(jì)。（5）采用高處理速度，外設(shè)豐富的MCU，嵌入操作系統(tǒng)控制各任務(wù)的調(diào)度。,8.6動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀（HOLTER）設(shè)計(jì),8.6.1動(dòng)態(tài)心電圖設(shè)計(jì)需求（1）最小檢測信號(hào)：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(dòng)態(tài)范圍：±300mV；（6）系統(tǒng)噪聲：≤50μV；（7）定標(biāo)電壓：1mV±5%；（8）輸

13、入阻抗：≥10M?。,8.6.2 動(dòng)態(tài)心電圖設(shè)計(jì)原理,1、電源部分2、信號(hào)采集與處理部分3 、控制部分,8.6.2 動(dòng)態(tài)心電圖設(shè)計(jì)原理,,,8.6.2 動(dòng)態(tài)心電圖設(shè)計(jì)原理,1、電源部分滿足完成24小時(shí)的心電采集的要求，硬件的選擇在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，要將功耗放在第一位置2、信號(hào)采集與處理部分心電采集前端放大電路與心電圖機(jī)前端采集電路基本相同,,3 控制部分實(shí)時(shí)時(shí)鐘用于記錄采集時(shí)間和日期。數(shù)據(jù)存取控制部分完成對(duì)采集處理后的心