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标题: 便携式多参数监护系统设计与实现 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 21:39
标题: 便携式多参数监护系统设计与实现
便携式无线多参数监护仪具有体积小巧，价格便宜，稳定性高，功耗低等特点，可长时间监测患者生理参数如血压、血氧、心电呼吸和体温。使病人可以随身携带，24小时监护病人的生理参数，当病人觉得不适或者需要超出医生建议阈值时，并可通过蓝牙协议将储存的生理参数信息以 5517.2011.02.0092.4G频带传递至手机，再通过手机发送到医院数据库平台按照参数超出幅度联系值班医生，实现足不出户可实现安全监护。由北京时代民芯公司开发的MXT89C551为这种多功能便携式无线多参数监护仪的实现提供了硬件平台。通过对该高速单指令周期MCU的外围电路设计和软件编程，实现了如图1的设计框架结构。

电路设计及工作原理
血压
采用电机转动对袖带进行加压来阻断动脉血，通过匀速漏气阀漏气。当袖带的气压逐渐减小时，动脉血流逐渐增加，脉搏波逐渐增大，当袖带内的压力等于收缩压的时候，开始产生第一声柯式音，当袖带内的压力继续减小时脉搏波的振幅会减小直到消失，产生最后一声柯式音。将袖带连接的压力传感器MPS2107产生的差分信号通过高通放大滤波器，将脉搏波信号进行放大滤波后，通过AD采样将信号采进系统。求出脉波信号的包络线，算出峰峰值最大的点对应的气压值，按照多权值示波法原理再进一步计算舒张压和收缩压。电路结构如图2。

根据包络线的特征，采用最大振幅法，得出血压值。目前比较一致的医学看法是当袖带压力振荡波的振幅最大时，袖带的压力就是动脉的平均压。动脉的收缩压对应于包络线的第一个拐点，舒张压对应于包络线的第二个拐点。
收缩压判据的确定：通常采用最大振幅法，即在放气过程中脉搏波幅度包络线的上升阶段，当某一脉冲波的幅度Ai与最大幅度Ax之比≥Ks时，就认为此时对应的袖带压力为收缩压。

Ps=P/Ai=Ks×Am
舒张压判据的确定：也是用最大振幅法来判定，不过是在脉搏波幅度包络线的下降段，当某一个脉搏波的幅度Ai与Am之比≤Kd时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压;
Pd=P/Ai=Kd×Am
根据上海医用仪表厂多年的研究成果，经验取值Ks=0.58，Kd=0.77;
血压交直流信号及收缩压和舒张压的对应位置，如图3。
气泵驱动是由MXT8051内部集成PWM模块输出，PWM电平为3.3V，通过如图4驱动电路转换为6V，驱动气泵充气和放气。

心电
由于心电信号非常微弱，频率在0.1~20Hz幅值在1mv左右，属于一种低频低幅信号。我们选择的是INA331，具有高信噪比，高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声低漂移的仪表放大器。由于工频干扰通过差模形式进入放大器，所以其中夹杂着较大的50Hz工频干扰，需要增加50Hz陷波器。 50Hz陷波器通过双T网络实现，实现对50Hz信号大于30dB的衰减并且对20Hz以下的低频信号无衰减。由于其中混杂着高频干扰信号，需要经过二阶低通滤波器对20Hz以上的信号进行滤波。以100Hz的速度进行采样，再通过数字滤波算法调整基值及数字滤波，再将处理过的信号通过点阵式LCD屏幕显示。电路结构如图5。
心电信号属于低频小信号，幅值小于1mV。需要前置放大电路有较高的增益，高输入阻抗(2M以上)和高共模抑制比(60dB以上)和很低的噪声 (10mVpp以下)及低漂移和合适的通频带宽度和动态范围。极化电压是由于电极和皮肤接触形成的半电池产生的直流电压，其幅值约为几毫伏至几百毫伏不等。国标中对极化电压的要求为小于300mV，远大于心电信号，由于极化电压的存在导致前级放大倍数不能太高以防止饱和，而差分仪表放大器的共模抑制比是和放大倍数有关的，所以导致心电信号的前级放大电路需要增益和共模抑制比之间做出平衡。如图6所示，LA为左臂导联信号，RA为右臂导联信号。LL为左腿导联信号，左腿驱动电路可以有效防止位移电流的干扰。人体的位移电流将不再流入地，而是流向辅助放大器的输出。当患者和地之间存在很高的电压时导致放大器饱和以防止患者受伤。当输入的信号幅值过大超过Vref时，放大器停止工作。经过差分放大后还需要经过二级放大滤波，提取出较好的心电信号。

血氧
采用光谱法进行无创血氧的测量和计算，人体中的氧主要集中在血红细胞中，由于含氧血红细胞和还原血红细胞对红光和红外光的吸光度差别很大，由于人体静脉和体表在同一位置对光的吸收度一定，所以通过手指的红光和红外光会存在直流分量，由于动脉血的流动出现交流分量。由于光电池受到光刺激转换成的是电流信号，需要增加跨导放大器将电流信号转换为电压信号。再经过工频陷波器和二阶低通滤波器，得到完整性较好的血氧信号。将波长660nm红光和 940nm的红外光以1ms的速度切换，中间间隔1ms的时间使红光和红外光管都不发光，将采样数据存储起来，在计算时将数组序号除以4取余，将与为1的点提取出来组成红光的波形，再将余为3的点提取出来组成红外光的波形，将余为0和2的点取出来，分别让红光波形与红外光的波形减去余为0和2组成的新数组，以减小外部光源对信号的干扰。经过处理分析将接收端的直流量和交流量分别算出，计算出吸光度R，通过最小二乘法和曲线拟合法来确定血样计算公式中的各个系数。电路如图7所示。
驱动电路由四个三极管组成，I/O1和I/O2分别为占空比百分之二十五，相位相差180度的方波信号，分别控制红光和红外光二极管发光。 DAC1和DAC2起着控制电流的作用，根据发光管的额定工作电流确定驱动电流的大小。一般为20多个毫安。通过产生1KHz的方波信号。时序是红光开红光关红外光开红外光关。
血氧探头中的光接收器是由光电池完成的，光电池可以有效的把接收到的光信号转化为电流信号。将转换的电流通过跨导放大器将电流信号转化成电压信号，需要采用低噪放大器。反馈电阻和反馈电容的值的大小需要根据发光二极管的内阻和内电容来确定。将放大之后的信号含有1V左右的直流信号和30MV左右的交流信号，将信号通过ADC转换器输入系统，并经过数字直流跟随滤波器提取直流分量输入系统。电路图如图8所示。
其他单元
呼吸：目前对呼吸的测量最常用的是阻抗测量法。在呼吸过程中，胸腔的阻抗会随着呼吸的变化而变化。将高频脉冲信号加到胸腔上，由于呼吸的频率远远小于脉冲的频率，使得高频脉冲的幅值随着胸腔阻抗的改变而改变。将被高频信号调制之后的呼吸信号经过带通滤波器，滤除不在0.05Hz到10Hz内的干扰信号，再通过的ADC采进系统，得到呼吸信号的原型。将幅值变化的包络线计算出来，进而可以计算出胸腔阻抗的变化。
体温：体温信号相比于其他生理参数，其干扰较少，波形平滑且易于处理，所以采用传感器DS18B20可通过一根数据线获得与温度相关的数字数据，采进系统进行处理，获得被测体征的温度参数。

LCD显示：采用二次开发后的LCD屏LM2068R，通过串口与系统连接。串口可发送命令，实现坐标的定位和颜色的选择，也可以直接发送汉字数字的ASCII码，通过其内部字库来显示汉字数字和符号等，大大的简化了程序员的工作和系统的资源。将心电和脉搏波形显示在屏幕上，其他生理参数以数值的形式显示在屏幕上。所有的信息可以同屏显示，使患者和医生对生理参数的变化一目了然。
蓝牙：采用2.4GHz频带的蓝牙协议传输，并能够与手机实现自动建连，将采集的实时人体体征数据通过手机的GPRS功能上传至固定网站。网站会将接收到的数据按照不同帐户与固定医生联系，使医生能够及时的获得第一手原始数据，监控病人健康状况。

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