便攜式無線多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀具有體積小巧，價(jià)格便宜，穩(wěn)定性高，功耗低等特點(diǎn)，可長時(shí)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(shí)監(jiān)護(hù)病人的生理參數(shù)，當(dāng)病人覺得不適或者需要超出醫(yī)生建議閾值時(shí)，并可通過藍(lán)牙協(xié)議將儲(chǔ)存的生理參數(shù)信息以 5517.2011.02.0092.4G頻帶傳遞至手機(jī)，再通過手機(jī)發(fā)送到醫(yī)院數(shù)據(jù)庫平臺(tái)按照參數(shù)超出幅度聯(lián)系值班醫(yī)生，實(shí)現(xiàn)足不出戶可實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)護(hù)。由北京時(shí)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(hù)儀的實(shí)現(xiàn)提供了硬件平臺(tái)。通過對該高速單指令周期MCU的外圍電路設(shè)計(jì)和軟件編程，實(shí)現(xiàn)了如圖1的設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)。
電路設(shè)計(jì)及工作原理
血壓
采用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)對袖帶進(jìn)行加壓來阻斷動(dòng)脈血，通過勻速漏氣閥漏氣。當(dāng)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(dāng)袖帶內(nèi)的壓力等于收縮壓的時(shí)候，開始產(chǎn)生第一聲柯式音，當(dāng)袖帶內(nèi)的壓力繼續(xù)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(hào)通過高通放大濾波器，將脈搏波信號(hào)進(jìn)行放大濾波后，通過AD采樣將信號(hào)采進(jìn)系統(tǒng)。求出脈波信號(hào)的包絡(luò)線，算出峰峰值最大的點(diǎn)對應(yīng)的氣壓值，按照多權(quán)值示波法原理再進(jìn)一步計(jì)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(xué)看法是當(dāng)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(yīng)于包絡(luò)線的第一個(gè)拐點(diǎn)，舒張壓對應(yīng)于包絡(luò)線的第二個(gè)拐點(diǎn)。
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(dāng)某一脈沖波的幅度Ai與最大幅度Ax之比≥Ks時(shí)，就認(rèn)為此時(shí)對應(yīng)的袖帶壓力為收縮壓。
Ps=P/Ai=Ks×Am
舒張壓判據(jù)的確定：也是用最大振幅法來判定，不過是在脈搏波幅度包絡(luò)線的下降段，當(dāng)某一個(gè)脈搏波的幅度Ai與Am之比≤Kd時(shí)，就認(rèn)為此時(shí)對應(yīng)的氣袖壓力為舒張壓;
Pd=P/Ai=Kd×Am
根據(jù)上海醫(yī)用儀表廠多年的研究成果，經(jīng)驗(yàn)取值Ks=0.58，Kd=0.77;
血壓交直流信號(hào)及收縮壓和舒張壓的對應(yīng)位置，如圖3。
氣泵驅(qū)動(dòng)是由MXT8051內(nèi)部集成PWM模塊輸出，PWM電平為3.3V，通過如圖4驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換為6V，驅(qū)動(dòng)氣泵充氣和放氣。
心電
由于心電信號(hào)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(hào)。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(jìn)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(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對50Hz信號(hào)大于30dB的衰減并且對20Hz以下的低頻信號(hào)無衰減。由于其中混雜著高頻干擾信號(hào)，需要經(jīng)過二階低通濾波器對20Hz以上的信號(hào)進(jìn)行濾波。以100Hz的速度進(jìn)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(hào)通過點(diǎn)陣式LCD屏幕顯示。電路結(jié)構(gòu)如圖5。
心電信號(hào)屬于低頻小信號(hào)，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(biāo)中對極化電壓的要求為小于300mV，遠(yuǎn)大于心電信號(hào)，由于極化電壓的存在導(dǎo)致前級(jí)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(hào)的前級(jí)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(hào)，RA為右臂導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。LL為左腿導(dǎo)聯(lián)信號(hào)，左腿驅(qū)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(dāng)患者和地之間存在很高的電壓時(shí)導(dǎo)致放大器飽和以防止患者受傷。當(dāng)輸入的信號(hào)幅值過大超過Vref時(shí)，放大器停止工作。經(jīng)過差分放大后還需要經(jīng)過二級(jí)放大濾波，提取出較好的心電信號(hào)。
血氧
采用光譜法進(jìn)行無創(chuàng)血氧的測量和計(jì)算，人體中的氧主要集中在血紅細(xì)胞中，由于含氧血紅細(xì)胞和還原血紅細(xì)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(huì)存在直流分量，由于動(dòng)脈血的流動(dòng)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(hào)，需要增加跨導(dǎo)放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。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(hào)。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(shí)間使紅光和紅外光管都不發(fā)光，將采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，在計(jì)算時(shí)將數(shù)組序號(hào)除以4取余，將與為1的點(diǎn)提取出來組成紅光的波形，再將余為3的點(diǎn)提取出來組成紅外光的波形，將余為0和2的點(diǎn)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(hào)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(jì)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(jì)算公式中的各個(gè)系數(shù)。電路如圖7所示。
驅(qū)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(hào)，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(dòng)電流的大小。一般為20多個(gè)毫安。通過產(chǎn)生1KHz的方波信號(hào)。時(shí)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(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。將轉(zhuǎn)換的電流通過跨導(dǎo)放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，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(hào)含有1V左右的直流信號(hào)和30MV左右的交流信號(hào)，將信號(hào)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(huì)隨著呼吸的變化而變化。將高頻脈沖信號(hào)加到胸腔上，由于呼吸的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(hào)調(diào)制之后的呼吸信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器，濾除不在0.05Hz到10Hz內(nèi)的干擾信號(hào)，再通過的ADC采進(jìn)系統(tǒng)，得到呼吸信號(hào)的原型。將幅值變化的包絡(luò)線計(jì)算出來，進(jìn)而可以計(jì)算出胸腔阻抗的變化。
體溫：體溫信號(hào)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?jǐn)?shù)據(jù)，采進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的定位和顏色的選擇，也可以直接發(fā)送漢字?jǐn)?shù)字的ASCII碼，通過其內(nèi)部字庫來顯示漢字?jǐn)?shù)字和符號(hào)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(lán)牙：采用2.4GHz頻帶的藍(lán)牙協(xié)議傳輸，并能夠與手機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建連，將采集的實(shí)時(shí)人體體征數(shù)據(jù)通過手機(jī)的GPRS功能上傳至固定網(wǎng)站。網(wǎng)站會(huì)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(shí)的獲得第一手原始數(shù)據(jù)，監(jiān)控病人健康狀況。