便攜式多參數監護系統設計與實(shí)現
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便攜式無(wú)線(xiàn)多參數監護儀具有體積小巧，價(jià)格便宜，穩定性高，功耗低等特點(diǎn)，可長(cháng)時(shí)間監測患者生理參數如血壓、血氧、心電呼吸和體溫。使病人可以隨身攜帶，24小時(shí)監護病人的生理參數，當病人覺(jué)得不適或者需要超出醫生建議閾值時(shí)，并可通過(guò)藍牙協(xié)議將儲存的生理參數信息以 5517.2011.02.0092.4G頻帶傳遞至手機，再通過(guò)手機發(fā)送到醫院數據庫平臺按照參數超出幅度聯(lián)系值班醫生，實(shí)現足不出戶(hù)可實(shí)現安全監護。由北京時(shí)代民芯公司開(kāi)發(fā)的MXT89C551為這種多功能便攜式無(wú)線(xiàn)多參數監護儀的實(shí)現提供了硬件平臺。通過(guò)對該高速單指令周期MCU的外圍電路設計和軟件編程，實(shí)現了如圖1的設計框架結構。
電路設計及工作原理
血壓
采用電機轉動(dòng)對袖帶進(jìn)行加壓來(lái)阻斷動(dòng)脈血，通過(guò)勻速漏氣閥漏氣。當袖帶的氣壓逐漸減小時(shí)，動(dòng)脈血流逐漸增加，脈搏波逐漸增大，當袖帶內的壓力等于收縮壓的時(shí)候，開(kāi)始產(chǎn)生第一聲柯式音，當袖帶內的壓力繼續減小時(shí)脈搏波的振幅會(huì )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(guò)高通放大濾波器，將脈搏波信號進(jìn)行放大濾波后，通過(guò)AD采樣將信號采進(jìn)系統。求出脈波信號的包絡(luò )線(xiàn)，算出峰峰值最大的點(diǎn)對應的氣壓值，按照多權值示波法原理再進(jìn)一步計算舒張壓和收縮壓。電路結構如圖2。
根據包絡(luò )線(xiàn)的特征，采用最大振幅法，得出血壓值。目前比較一致的醫學(xué)看法是當袖帶壓力振蕩波的振幅最大時(shí)，袖帶的壓力就是動(dòng)脈的平均壓。動(dòng)脈的收縮壓對應于包絡(luò )線(xiàn)的第一個(gè)拐點(diǎn)，舒張壓對應于包絡(luò )線(xiàn)的第二個(gè)拐點(diǎn)。
收縮壓判據的確定：通常采用最大振幅法，即在放氣過(guò)程中脈搏波幅度包絡(luò )線(xiàn)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(shí)，就認為此時(shí)對應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(guò)差模形式進(jìn)入放大器，所以其中夾雜著(zhù)較大的50Hz工頻干擾，需要增加50Hz陷波器。 50Hz陷波器通過(guò)雙T網(wǎng)絡(luò )實(shí)現，實(shí)現對50Hz信號大于30dB的衰減并且對20Hz以下的低頻信號無(wú)衰減。由于其中混雜著(zhù)高頻干擾信號，需要經(jīng)過(guò)二階低通濾波器對20Hz以上的信號進(jìn)行濾波。以100Hz的速度進(jìn)行采樣，再通過(guò)數字濾波算法調整基值及數字濾波，再將處理過(guò)的信號通過(guò)點(diǎn)陣式LCD屏幕顯示。電路結構如圖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(dòng)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致前級放大倍數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有關(guān)的，所以導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為左臂導聯(lián)信號，RA為右臂導聯(lián)信號。LL為左腿導聯(lián)信號，左腿驅動(dòng)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(shí)導致放大器飽和以防止患者受傷。當輸入的信號幅值過(guò)大超過(guò)Vref時(shí)，放大器停止工作。經(jīng)過(guò)差分放大后還需要經(jīng)過(guò)二級放大濾波，提取出較好的心電信號。
血氧
采用光譜法進(jìn)行無(wú)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(guò)手指的紅光和紅外光會(huì )存在直流分量，由于動(dòng)脈血的流動(dòng)出現交流分量。由于光電池受到光刺激轉換成的是電流信號，需要增加跨導放大器將電流信號轉換為電壓信號。再經(jīng)過(guò)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(cháng)660nm紅光和 940nm的紅外光以1ms的速度切換，中間間隔1ms的時(shí)間使紅光和紅外光管都不發(fā)光，將采樣數據存儲起來(lái)，在計算時(shí)將數組序號除以4取余，將與為1的點(diǎn)提取出來(lái)組成紅光的波形，再將余為3的點(diǎn)提取出來(lái)組成紅外光的波形，將余為0和2的點(diǎn)取出來(lái)，分別讓紅光波形與紅外光的波形減去余為0和2組成的新數組，以減小外部光源對信號的干擾。經(jīng)過(guò)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(guò)最小二乘法和曲線(xiàn)擬合法來(lái)確定血樣計算公式中的各個(gè)系數。電路如圖7所示。
驅動(dòng)電路由四個(gè)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(zhù)控制電流的作用，根據發(fā)光管的額定工作電流確定驅動(dòng)電流的大小。一般為20多個(gè)毫安。通過(guò)產(chǎn)生1KHz的方波信號。時(shí)序是紅光開(kāi)紅光關(guān)紅外光開(kāi)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化為電流信號。將轉換的電流通過(guò)跨導放大器將電流信號轉化成電壓信號，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發(fā)光二極管的內阻和內電容來(lái)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(guò)ADC轉換器輸入系統，并經(jīng)過(guò)數字直流跟隨濾波器提取直流分量輸入系統。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(guò)程中，胸腔的阻抗會(huì )隨著(zhù)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(zhù)胸腔阻抗的改變而改變。將被高頻信號調制之后的呼吸信號經(jīng)過(guò)帶通濾波器，濾除不在0.05Hz到10Hz內的干擾信號，再通過(guò)的ADC采進(jìn)系統，得到呼吸信號的原型。將幅值變化的包絡(luò )線(xiàn)計算出來(lái)，進(jìn)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，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(guò)一根數據線(xiàn)獲得與溫度相關(guān)的數字數據，采進(jìn)系統進(jìn)行處理，獲得被測體征的溫度參數。
LCD顯示：采用二次開(kāi)發(fā)后的LCD屏LM2068R，通過(guò)串口與系統連接。串口可發(fā)送命令，實(shí)現坐標的定位和顏色的選擇，也可以直接發(fā)送漢字數字的ASCII碼，通過(guò)其內部字庫來(lái)顯示漢字數字和符號等，大大的簡(jiǎn)化了程序員的工作和系統的資源。將心電和脈搏波形顯示在屏幕上，其他生理參數以數值的形式顯示在屏幕上。所有的信息可以同屏顯示，使患者和醫生對生理參數的變化一目了然。
藍牙：采用2.4GHz頻帶的藍牙協(xié)議傳輸，并能夠與手機實(shí)現自動(dòng)建連，將采集的實(shí)時(shí)人體體征數據通過(guò)手機的GPRS功能上傳至固定網(wǎng)站。網(wǎng)站會(huì )將接收到的數據按照不同帳戶(hù)與固定醫生聯(lián)系，使醫生能夠及時(shí)的獲得第一手原始數據，監控病人健康狀況。
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