多参数监护仪课程设计11.docx
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多参数监护仪课程设计11
重庆大学
《医学仪器及系统》课程设计报告
学院生物工程学院年级、专业2007级生物医学工程
第3组
学生姓名学号
陈礼20077079
何彦青20077090
李金蓉20077077
吴小欢20077072
梅秀婷20077070
温泽均20077094
任宇轩20077038
张用20077096
指导老师：
廖彦剑
课程设计内容：
模块化监护仪系统的基础设计和实验
上课地点：
生物工程学院201室
设计时间:
2010年12月20日至2011年01月14日
重庆大学本科学生课程设计任务书
课程设计题目
模块化监护仪系统的基础设计和实验
学院
生物工程学院
专业
生物医学工程
年级
2007级
设计要求：
设计并实验符合要求的监护仪基本系统:
1．基本要求
1．深化并拓展医仪等课程相关知识点，收集整理资料并撰写监护仪系统综述；
2．了解并掌握监护仪相关模块硬件设计思路及工作原理；
3．熟悉并编写相关接口通讯程序及简单应用程序，实现通讯及简单数据显示。
2．提高要求
1．调试相关监护仪基本系统并设计实验验证系统；
2．通过检查系统联调、实验设计与实验报告总体考察团队协作能力；
3．通讯及简单数据显示外其他协议功能实现。
学生应完成的工作：
在4周之内设计并进行符合要求的“模块化监护仪系统”的基本实验,并撰写设计报告，其中课程安排时间为4周，进行设计实验，第4周内撰写报告。
参考资料：
1.医疗仪器，教材。
2.现代医疗仪器原理及应用，教材。
3.VB相关编程指南，学生自选。
课程设计工作计划：
第1周：
周一：
发布任务，课题分组，组内讨论相关分工，查阅资料。
周二－周四：
相关分工任务分别进行。
周五：
进度检查，进展汇报。
第2周：
系统联调，综合实验准备。
第3周：
综合实验及系统调试
第4周：
撰写设计报告,提交，答辩。
任务下达日期2010年12月20日完成日期2011年01月14日
指导教师（签名）学生（签名）
小组成员：
陈礼、何彦青、李金蓉、吴小欢、梅秀婷、任宇轩、温泽均、张用
课程设计任务分配表
姓名
学号
任务
陈礼
20077079
系统调试，系统设计，系统实验，
查阅资料，做PPT，答辩
何彦青
20077090
系统设计，编写程序，系统实验，
查阅资料，撰写报告
李金蓉
20077077
系统设计，系统调试，编写程序，
查阅资料
吴小欢
20077072
系统设计，查阅资料，
梅秀婷
20077070
系统设计，查阅资料
任宇轩
20077038
系统设计，查阅资料
温泽均
20077094
系统设计，查阅资料
张用
20077096
系统设计，查阅资料
重庆大学本科学生课程设计指导教师评定成绩表
学院
生物工程学院
专业
生物医学工程
第3组
陈礼、何彦青、李金蓉、吴小欢、梅秀婷、任宇轩、温泽均、张用
指导教师
廖彦剑
课程设计
题目
模块化监护仪系统的基础设计和实验
指
导
教
师
评
语
课程设计
成绩
姓名
学号
成绩
姓名
学号
成绩
陈礼
20077079
何彦青
20077090
李金蓉
20077077
吴小欢
20077072
梅秀婷
20077070
任宇轩
20077038
温泽均
20077094
张用
20077096
指导教师签名：
年月日
一、监护仪的概述
1.1监护仪
监护仪是能够对人体重要的生理、生化指标有选择地进行经常性或连续性的监测，并具有存储、显示、分析和控制功能，对超出设定范围的参数提示警示的医学装置或系统。
监护仪所提供的数据是医护人员诊断、治疗及抢救的重要参考指标。
其在一些术中或术后的监测,可以帮助医生对手术的影响及药物的治疗效果进行评价,并对护理及治疗提供帮助。
其特点是：
实时性、长时间性、可干预性、自动性。
监护仪主要由4个部分组成:
信号参数、模拟处理、数字处理、信息输出。
通过电极和传感器拾取人体心电、血压、呼吸,氧饱和度等生理参数信号,并将这些信号转化为电信号。
传感器是整个监护系统的基础，有关病人生理状态的所有信息都是通过传感器获得的。
传感器有测心电、血压、体温、呼吸等各类，其中每一类又有许多种适合不同要求的传感器。
监护仪中的传感器要求能长期稳定地检出被测参数，且不能给病人带来痛苦和不适等，因此，它比一般的医用传感器要求更高。
通过模拟电路对采集的信号进行阻抗匹配,过滤、放大等处理,由模拟转换器把人体生理参数的模拟信号转化为数字信号,送入数字处理部分,它由模/数转换器、微处理机、存储器等组成,是多参数监护仪的核心部分。
微处理机接收来自控制面板的控制信息,对数字信号进行运算、分析和存储,在输出结果的同时协调、检测整机各部分的工作,如显示波形、文字、图形、分析报告,启动各类报警和打印纪录。
其原理框图如下：
图1.监护仪的基本原理框图
1.2监护仪的分类
1.2.1按物理机构分为:
（1）单参数监护仪：
如单血压，单血氧饱和度，单心电监护仪等。
（2）多参数多功能综合监护仪;如可同时监护血压、血氧、心电、呼吸、体温等。
（3）插件式组合监护仪：
它是由各个分立的可拆卸的物理模块和一台监护仪主机组成。
1.2.2按结构分类
（1）便携式监护仪：
小型方便，结构简单，性能稳定，可以随身携带，可由电池供电，一般用于非监护室及外出抢救病人的监护。
（2）一般监护仪：
通常指床边监护仪。
它设置在病床边与病人连接起来对病人的某些状态（如心电、呼吸、体温、血压等）进行监视，并显示参数。
（3）遥测监护仪：
适合于能走动的病人，属于无线方式。
1.2.3按功能分类
监护仪按专用功能分:
通用多参数监护仪、特殊多参数监护仪（如:
麻醉监护、呼吸监护、血气监护、脑电监护、睡眠监护、胎儿监护等）。
现在医院使用的监护仪主要具备以下检测功能:
（1）心电检测（ECGHR）:
主要监测内容是心电图,有单道、三道、五道、七道、十二道不同的监测方式可以选择,监护仪的心电检测主要以心率检测为主,另外兼顾ST段分析、心律失常事件回顾分析等宏观分析检测。
（2）无创血压检测（NIBP）:
监护使用最多的是自动无创血压计,它分为脉波法、振荡法、相位差法等。
在实际使用中使用最多的是振荡测量法,它的原理是利用袖带充气到一定压力（一般为180～230mmHg）时完全阻断动脉血流,随着袖带压力的减小,动脉血管将呈现由完全阻闭→逐渐开放→完全开放的过程,动脉血管壁的搏动将在袖带内的气体中产生气体震荡波,气体震荡波信号最强处就是被测部位动脉的平均动脉压,由平均动脉压计算出动脉的收缩压和舒张压。
（3）有创血压检测（IBP）:
有创血压监测是危重病人的血液动力学监测的主要手段。
有创血压由于传感器直接与血液连接,通过流体压力传递作用,从而获得血管内实时压力波形,计算出收缩压、舒张压和平均压,因此可以准确测量血压。
（4）血氧饱和度（SpO2）:
根据血红蛋白和氧和血红蛋白对光的吸收特性的不同,采用双波段660/940组合光,通过测量透过光量实现血氧饱和度的测量（氧合血红蛋白所占血红蛋白的比例）。
（5）脉率（Pulse）:
脉率的测量一般由血氧饱和度传感器取得,即通过测量由于血管过血量改变引起的透光量的变化频率获得。
血氧饱和度波形的变化即为透光量的变化。
脉率与心率具有绝对相关性。
（6）呼吸（Resp）频率:
呼吸频率参数来自于心电测量系统,通过电极测量胸腔容积变化引起的阻抗值的变化频率获得。
由于此参数受外界因素影响较大,此参数的参考率较低。
（7）体温（Temp）:
由温度敏感电阻实现温度的实时测量,在麻醉状态人体的温度会随环境温度变化,所以大型手术的体温检测比较重要。
（8）心输出量（CO）:
分为有创和无创心脏输出量,有创测量心输出量目前临床常使用温度稀释法。
通过特制的漂浮导管注入冷液体作为指示剂,冷液体进入右心房后随血液流动被稀释,温度逐渐上升。
在肺动脉内用热敏电阻测量血液变化过程,得到温度-时间曲线,经过计算机计算,可得到心输出量。
无创心输出量测量的可信度较有创测量低。
（9）呼吸末二氧化碳（ETCO2）:
呼吸末CO2分压或浓度是重要的生命指标之一（麻醉患者和有呼吸功能障碍患者呼吸功能的重要监测指标）,不仅可监测通气,而且可以反映循环和肺血流的情况。
根据测定原理可以分为:
红外线测量、质谱法、散射分析、声光分光、化学CO2指示剂法。
使用比较多的是红外线测量法,它的测量原理是采用红外吸收法,即不同浓度的二氧化碳对特定红外光的吸收程度不同进行测量的。
（10）麻醉气体:
通过气体传感器直接检测气体浓度,为临床提供具体的参考,包括CO2、O2、N2O以及自动识别氟烷、恩氟烷、异氟烷、七氟烷、地氟烷。
（11）麻醉深度:
麻醉深度监护是基于原始脑电图信息分析。
通过对脑电信息结合其它信息进行综合分析处理,使用简单直观显示方式,将数值直接对应于病人麻醉状态（统计）,适于临床应用。
脑电地形图（或称脑电分布图）及双谱分析,总的称为定量脑电图（qEEG）。
由于qEEG系利用计算机进行频域或时域信号分析,故有更高的敏感性,特别是谱边界频率（SEF）和双频谱分析指数（BIS）,认为与麻醉深度有相应关系,但至今只能作为参考。
（12）无创血气（TcpO2/TcpCO2）:
角质层中所含的脂肪成分在皮肤温度升高时融化,结果使气体弥散增加,高达1000倍。
PtcCO2和PtcO2电极因此而设计,置于达44～45℃热的皮肤。
电极温度增加表皮血流和“动脉化的毛细血管内的血液”。
O2和CO2从血管中弥散出来透过皮肤通过电极转化为电信号。
通过皮肤外液体电极直接测量血液中的氧分压和二氧化碳分压,实时提供氧分压和二氧化碳分压参数和趋势。
（13）呼吸参数:
通过与呼吸机的连接,通过传感器获取呼吸动力学相关参数,通过对呼吸系统动力学参数的分析和处理（如流速和体积）,监测病人的呼吸顺应性情况,病人呼吸功能的恢复情况。
（14）脑电图:
正常人两侧对称点上引导出脑电波的频率、振幅、波形和同步性基本上是对称的,如存在明显不同,则为病理状态。
多参数监护仪是一种自动分析智能型监护仪器,它的应用对保障病人的生命安全无疑具有非常重要的临床价值。
但是对几种生命参数的测量都有其自身不可克服的缺陷,因此,它的智能化程度虽然不断提高,却绝对不能代替人,它的结果还是需要操作人员进行综合分析判断和正确识别,在使用时要认真操作,对测量结果要正确评判。
1.3我国医疗监护仪的现状及发展趋势
我国医疗监护仪的使用，起始于对心血管疾病的监护，目前已经广泛地用于心脑血管、呼吸、妇产、新生儿、麻醉手术及睡眠等监护。
由单一学科发展到多病种、多科室、多学科应用，同时也由大医院拓宽到中小医院，已经或正在由特殊使用变成为常规手段，并正以很快的速度扩展其使用范围。
我国于20世纪80年代后期才开始少量引进和研制监护仪，监护仪技术起步比较晚。
近10-15年间，受益于改革开放政策、国民经济巨大发展和人民生活迅速提高，我国医疗监护仪器经历了引进———仿造———外观革新———性能改进———全面提高———创新等重要阶段。
目前正处于巨大发展的新时期。
国内监护产品的技术状况
目前国内生产的监护设备大部分是由床旁监护仪和中央站组成的监护系统。
床旁监护仪的主要功能是测量和显示病人的生理参数和波形趋势，同时产生报警与记录。
中央站的主要功能是多床的集中显示、实时和非实时的信息分析、大容量的数据存储。
本文只讨论床边监护仪的技术状况。
其技术特点如下：
国内床旁多参数监护产品的技术特点有:
（1）大部分监护产品采用单任务的DOS操作平台，只有少数有相应技术能力的厂家采用了具有国际领先、高可靠性的嵌人式的实时操作系统354
（2）大部分的监护厂家采用PC104工控板来作为主控CPU平台，只有极少数监护厂家采用的是具有自主知识产权的主控CPU板，这是对客户保证长期维修承诺的硬件基础。
（3）绝大部分厂家是通过OEM参数模块的方式进行组装，个别的监护仪厂家具有参数的自主知识产权。
（4）国产监护产品一般具有的监护参数有:
ECG,NIBP,SP02,TEMP,RESP,IBP,C02;仅一些知名国产监护仪厂家能提供心输出量、麻醉气体等比较”高级”的参数;较少提供Sv02、连续无创CO、麻醉深度等参数的监护。
（5）少数监护产品采用先进的TCP/IP协议的联网方案，一般只采用RS485等串行通信的方式来实现联网。
另外，在网络功能上，缺少强大的功能支持。
（6）少数监护产品能够进行在线升级，一般是打开机器才可进行软件升级。
（7）目前国内监护产品的造型水平普遍提高:
在造型设计上基本达到或接近国际先进水平，工艺实现、硬件结构和系统功能方面，也基本满足一般临床需要。
（8）监护产品的形式越来越丰富:
在构成形式上有内置、插件、台式、立式、壁挂式之分;在连接形式上有有线系统、无线系统;在功能上有监护功能、分析处理和管理软件等，基本适应医院各种情况的需要。
医疗监护仪技术发展展望：
1、监护仪网络化
随着网络技术的快速发展，目前国内市场上的新型监护仪已经普遍具有网络功能。
监护仪的网络化极大地方便了医院对患者信息的管理。
例如：
现代监护仪中常见的中央主机带床边监护仪的方式使病人的监护信息通过方便快捷的网络功能传到中央主机进行分析存储。
另外，中央监护系统可以通过与医院网络系统联网，将医院其他科室病人的相关资料进行汇总存储，使得病人在医院的所有检查、病情等资料都能存储到中央信息系统，便于更好地对病人进行诊断和治疗。
监护仪的网络化还降低了医护人员的工作强度，特别是在夜间工作人员较少的情况下，也能同时监测多个病人，通过智能分析报警，使每个病人都能得到及时的监护和治疗。
监护仪的网络功能也推动了远程医疗的发展，允许临床医生远程访问网络上的信息，使医学专家可以在异地快速简便地诊断病情。
2、监护仪模块化
从内部硬件组成上来讲，监护仪可以按功能模块来划分，这是硬件电路设计的一个基本原则，这样做除了便于监护仪的设计和维修，又有利于监护仪科研的专业化。
监护仪厂商不一定每个模块都自主设计，完全可以采用其他厂商很成熟的模块产品，与自己的模块产品相结合来加强产品的竞争力，降低行业的门槛。
模块式监护仪的优点是：
可根据不同病情的病人，选择相应的功能模块，对病人进行有选择的参数监测。
有些科室所监护病人的病情复杂，病种多，对监测参数的需求也不同，模块化设计的插件式监护仪，可以灵活方便地组合监测参数，对于常用的监测功能模块，可以每台仪器配备，对于特殊的功能模块，可以根据使用情况有选择的配备。
3、监护仪多功能化
现代医学讲求以人为本，医疗监护仪的发展也本着这一原则，体现在监护仪的监护功能越来越全面，操作越来越人性化。
目前，市场上的监护仪以多参数监护仪居多，这其中既有中央监护仪、床边监护仪也有便携式监护仪。
多参数监护仪能同时监测多项体征参数，更能满足普通临床科室的需要，因此，较单参数监护仪更有竞争力。
同时监护仪的软件功能越来越强大，能够进行大量复杂数据的处理与显示。
开放式的体系结构，使监护仪可以将其它与之有协议的临床设备直接连接到监护仪上显示，比如：
呼吸机、气体分析仪、麻醉机、输液泵等多种设备，并支持这些来自外部设备的数据及报警。
4、便携式监护仪
目前，所谓的便携式监护仪大体分为2类：
一类便携式多参数监护仪具有灵巧的外形，紧凑的结构，配以完善的监护功能，保证了急症病房、院中转运、科室急救等各种临床使用；内置电池保证了移动情况下的不间断的监测，掉电存储功能使监护仪在失去电源时仍可保存病人监测的数据；两通道热敏记录仪可随时记录病人信息。
另一类便携式监护仪采用随身式设计，使病人能在一定范围内随意移动而监护不会被中断，大多采用无线通信的方式与床边监护仪或中央主机进行通讯，充分地体现了监护仪的人性化设计。
5、无线通信新技术在监护仪中的应用
无线通信新技术的应用是监护仪发展的新趋势，随着各种无线通信技术的发展，已有多种无线通信技术被应用在监护仪尤其是便携式监护仪中，典型的如蓝牙（Bluetooth）及无线局域网（Wi-Fi）等。
（1）蓝牙技术在监护仪上的应用
蓝牙技术作为一种非常有用的低成本短距离的数据、语音无线通信协议，其通讯有效距离在10m以上，传输速度达723.2kbit/s。
使用蓝牙技术的设备，可以迅速灵活地组成小型计算机局域网络而无须连接任何电缆。
在医疗卫生装备系统中广泛使用蓝牙技术，将会大大简化外设间的连接，更好地实现数据、语音等资源的共享，提高医疗装备的整体性能。
（2）无线局域网（Wi-Fi）技术在监护仪上的应用
Wi-Fi（WirelessFidelity，无线高保真）也是种无线通信协议（IEEE802.11b）,与蓝牙一样同属于短距离无线通信技术。
Wi-Fi速率最高可达11Mb/s，电波的覆盖范围可达100m左右。
无线局域网（Wi-Fi）方式由于技术门槛和成本较高，以前只能在进口监护仪中看到，随着投资费用的降低和国内厂商实力的增强，国内也出现了这类监护产品。
目前，医疗监护仪技术的发展非常迅速，尽管国内的监护仪厂商取得了长足的进步，但我们应清醒地看到，我国监护仪产品的总体水平与国际水平相比仍有一定差距，可以说是挑战与机遇并存。
我们只有紧紧抓住科技创新这条命脉，进一步提高产品的质量和可靠性，才能使我国的医疗监护仪产业立于不败之地，同时也为人民医疗卫生事业做出巨大贡献。
二、监护仪各模块系统功能实现
PM-9000多参数监护仪硬件主要由以下几部分组成:
电源板、主控板、按键板、内置式记录仪、心电/呼吸/体温模块、血氧饱和度模块和血压模块。
PM-9000便携式的监护参数以参数模块为基本单元获取信号,通过转接板把结果送给主控板,完成数据与波形的处理和显示。
主控板的命令和模块的状态信息也通过转接板进行传递。
转接板还实现电源的转接和变换。
整个系统的结构如下图所示。
图2.1记录仪模块的电路原理框图
由图中可以看出,五个参数模块通过袖带和测量电缆分别对无创血压、血氧、心电/呼吸/体温、有创血压/心排量、二氧化碳进行实时监测,结果送给主控板处理和显示,需要时还送到记录仪输出打印。
设计中所用的模块包括：
通讯模块、心电模块、血氧模块和血压模块。
现把各模块的基本结构介绍如下：
1、心电监护模块
1.1心电相关知识介绍
心电图（electrocardiogram）心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着生物电的变化，通过心电描记器从体表引出多种形式的电位变化的图形（简称ECG）。
心电图是心脏兴奋的发生、传播及恢复过程的客观指标。
心电图的检查意义在于：
用于对各种心律失常、心室心房肥大、心肌梗死、心律失常、心肌缺血等病症检查。
导联动物机体组织和体液都能导电，将心电描记器的记录电极放在体表的任何两个非等电部位，都可记录出心电变化的图象，这种测量方法叫做双极导联，所测的电位变化是体表被测两点的电位变化的代数和，分析波形较为复杂。
如果设法使两个测量电极之一，通常是和描记器负端相连的极，其电位始终保持零电位，就成为所谓的“无关电极”，而另一个测量电极则放在体表某一测量点，作为“探查电极”，这种测量方法叫做单极导联。
由于无关电极经常保持零电位不变，故所测得的电位变化就只表示探查电极所在部位的电位变化，因而对波形的解释较为单纯。
目前在临床检查心电图时，单极和双极导联都在使用。
常规使用的心电图导联方法有12种。
标准导联属双极导联，只能描记两电极间的电位差。
电极连接方法是：
第一导联（简称Ⅰ），右臂（-），左臂（＋）；第二导联（简称Ⅱ），右臂（－），左足（＋）；第三导联（简称III），左臂（-），左足（+）。
加压单极肢导联将探查电极放在标准导联的任一肢体上，而将其余二肢体上的引导电极分别与5000欧姆电阻串联在一起作为无关电极。
这种导联记录出的心电图电压比单极肢体导联的电压增加50％左右，故名加压单极肢体导联。
根据探查电极放置的位置命名，如探查电极在右臂，即为加压单极右上肢导联（aVR），在左臂则为加压单极左上肢导联（aVL），在左腿则为加压单极左下肢导联（aVF）。
单极胸导联将一个测量电极固定为零电位（中心电端法），把中心电端和心电描记器的负端相连，成为无关电极。
另一个电极和描记器正端相连，作为探查电极，可放在胸壁的不同部位。
分别构成6种单极胸导联，电极的位置是：
V1，胸骨右缘第4肋间；V2，胸骨左缘第4肋间；V3，在V2与V4连线的中点；V4，左锁骨中线第5肋间；V5，左腋前线与V4同一水平；V6，在腋中线与V4同一水平。
1.2心电检测模块原理
该模块的主要工作原理：
心电放大电路又分为心电前置放大级、心电主放通道一和心电主放通道二。
心电前置放大级包括信号缓冲电路、导联脱落检测电路。
来自人体的心电信号经信号缓冲电路的缓冲,一路去导联脱落检测电路进行导联脱落判断,一路送入心电主放通道一和二,在单片机控制下放大、滤波后得到两通道心电信号,心电主放通道一中还包括起搏脉冲检测电路,检测心电信号中叠加的起搏脉冲信号。
呼吸测量基于阻抗法原理,当人体呼吸时胸发生起伏变化,相当于RL和LL间的阻抗变化,把通过心电电极RL和LL的高频信号变成调制高频信号。
来自人体的胸阻抗变化信号经呼吸电路前级调制,送入后级解调、放大、滤波,得到呼吸波信号。
体温电路可以对体温探头输入的信号进行放大、滤波,输出与温度对应的电平信号。
放大器的增益受微处理器控制，对采集到的信号进行适当倍数的放大，以适合A/D转换的幅度要求。
其中在该模块中，微处理器SIC33209F01E2的功能是：
（1）对来自放大器的模拟信号进行A/D转换，得到原始数据；
（2）对原始数据进行分析、处理，判断：
导联电极是否脱落，并给予提示；放大器的增益是否合适，以便实时发出增益控制信号。
其电路原理框图如图2.1所示：
图2.1.1心电/呼吸/体温心电模块电路原理框图
心电采集电路结构框图如下所示：
图2.1.2心电采集结构框图
第一是放大电路放大器是硬件电路的关键所在，其好坏直接影响信号的质量，从而影响到仪器的特性。
第二是心电频率以外干扰信号滤除的电路，前面已提到心电信号的频率在0.05Hz～100Hz之间，为了减少非有用信号的引入，要对0.05Hz～100Hz以内的信号进行保护，把其他频率的干扰信号全部滤除。
第三是工频50Hz的陷波电路，对于电源工频的50Hz的噪声，用它能有效选择而对噪声进行滤除。
第四是A/D转换，用于将心电的模拟信号转换成数字信号，以便后端处理的方便。
本文采用的是A/DTLC549芯片。
1.3软件流程
系统软件总流程图如1.3—4所示：
原始心电信号经过A/D采样，采样数据通过DMA传输和处理在LCD上显示心电波形。
同时把经过处理过的数据以.rtf文档格式存储起来。
图2.1.3软件设计总体框图
1.
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