1、六 醫用監護儀器概述測量原理測量方法電路組成技術發展 一、概述概念： 長時間檢測、監控病人生理參數，分析和報警各種技術的集成對傳感器要求高類型：按功能分類冠心病監護（Coronary Care Unit，CCU）危重病人監護（Intensive Care Unit，ICU）新生兒監護、手術監護其他專科監護病房，高壓氧艙、外傷護理、放射治療。 按測量參數：單參數，多參數按使用范圍：便攜式、床邊監護、中央監護按接收方式：遙測監護其他分類特 點無線智能化小型化實用化安全性二、測量原理及結構傳感器模擬信號檢測模擬信號放大,濾波數字信號處理，計算，分析，判斷顯示報警多路生理信號采集監護系統原理框圖生理參

2、數的檢測原理 （1）ECG心臟在搏動之前，心肌首先發生興奮，在興奮過程中產生微弱的電流，該電流經人體組織向各部分傳導，由于身體各部分的組織不同，各部份與心臟間的距離不同，因此在人體體表各部位，表現出不同的電位變化，這些電位變化可通過導線送至一種特制的記錄裝置記錄下來，形成動態曲線，這就是所謂心電圖. 心電圖（ECG）是多參數監護儀最基本的監護內容，心電監護往往采用導聯，三個電極、五導聯的心電監護儀電極片在CRT屏幕上除給出心電波形外，同時給出心率并具有心律失常自動分析的功能。 左上，(LA),左下，LF右上，RA,參考電極（2）無創血壓 心臟收縮時所達到的最高壓力稱為收縮壓，它把血液推進到主動

3、脈，并維持全身循環。 心臟擴張時所達到的最低壓力稱為舒張壓，它使血液能回流到右心房。 血壓波形在一周內的積分除以心周期T稱為平均壓。血壓測量袖帶的纏繞 方法圖監護儀中通常采用柯氏音法和測振法兩類。柯氏音法是檢測袖帶下的柯氏音（脈搏聲）來測定血壓的，柯氏音無創血壓監護系統包括袖帶充氣系統、袖帶、柯氏音傳感器、音頻放大及自動增益調整電路、A/D轉換器、微處理器及顯示部分等。 測振法是檢測氣袖內氣體的振蕩波，振蕩波源于血管壁的搏動，測量振蕩波的相關點就可測定血壓值（PS，PD和PM）。測振法獲得脈搏振動波的方法可借助壓力傳感器。 100多項專利氧飽和度測量時手指安放的方法圖氧氣和二氧化碳分壓光譜法，

4、物質對光線的吸收二氧化碳濃度代表代謝情況體溫測量 基礎知識 人體產生熱量，原因 嚴格地說，37C 新陳代謝過程 與外界交換熱量途經 傳導、輻射等途徑向外環境散熱 體內傳熱途徑血液循環人體深部處才能保持體溫分類三類1.體表溫度：即皮膚溫度,近軀干處溫度高，四肢末梢低，一般低于37C2.深部溫度：口腔、直腸、腋窩處溫度，一般需測量5-10分鐘平時講的體溫為深部溫度3.器官溫度：肌體內器官的溫度，有差異，比如肝臟溫度比37C高在醫學上常用測量傳感器有：熱電偶溫度傳感器熱敏電阻溫度傳感器PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器紅外熱輻射式溫度傳感器 熱電偶：將兩種不同性質的導體A、B組成閉合回路若節點(1)、

5、(2)處于不同的溫度(TT0)時兩者之間將產生一熱電勢，在回路中形成一定大小的電流，這種現象稱為熱電效應。A和B分別稱為熱偶極子。電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成 二、熱敏電阻測溫 1.熱敏電阻負溫度系數(NTC)型：氧化鎳、氧化鈷正溫度系數(PTC)型：由鈦酸鋇和鈦酸鍶的混合物2. NTC型熱敏電阻的溫度特性電阻標稱值 PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器利用半導體PN結上正向電壓降的溫度效應電流恒定時，V與T線性關系在低溫測量和植入動物體內長期檢測使用 紅外熱輻射式溫度傳感器紅外輻射式溫度傳感器則屬于不需與被測對象接觸的傳感器，因而不會影響人體的生理狀態根據Planck輻射定律，當物體的溫度

6、高于熱力學溫度零度（-273.16）時，都要以電磁波的形式向周圍輻射能量，其輻射頻率和能量隨物體的溫度而定。人體輻射紅外線的波長約在3-16m之間，當體溫改變時，所輻射的紅外線能量就會改變，紅外輻射測溫裝置就是根據檢測人體表面的輻射能量而確定體溫的 。數字體溫測量 電 源體內溫度測量腫瘤處溫度高監測熱療效果目前，沒有好的方法體內體溫無創檢測是目前難點采用MRI測量在腫瘤熱療中非常重要微波,超聲熱療如何監控溫度稀釋法 注入指示劑，處于非穩態1）在輸入點迅速注入質量為A的物質 在其下游的輸出點測該物質的濃度C(t)，并繪出曲線 心輸出量測量（2）在dt時間內，通過輸出點的物質的質量為dA dA=Q

7、C(t)dt實際變為離散求和或求曲線下面積如何算？熱稀釋法 （1）快速注入熱水（或冰水，對人體危害小） 在下游檢測溫度，并繪出曲線 根據熱量、溫度差計算流量，實際為離散求和 Q：注入的熱量 Q是注入的熱量 如血為37C，加入50C的水100g，則注入的熱量Q=(50-37)100水比熱，熱量讓血液溫度升高 溫度變化越快，Q越大說明：此導管可用于測心輸出量和血壓 全長130厘米，直徑2毫米 前段右心房注入冰水 后端肺動脈傳感器測溫度（綠色箭頭部分） CO2口充入氣體后，端部的小氣囊鼓起， 血流導向氣囊將導管(又稱漂浮導管)自動往前推進 導管隨氣球進入右心房 注入冰水從離末端30cm處流入血液，離

8、末端4cm熱敏電阻 測溫測量心輸出量，測血壓口用于直接耦合測血壓 多腔室，測溫、測心輸出量，測血壓 呼吸測量概述呼吸系統的模型 橫膈膜和胸肌活塞胸壁圓筒肺氣囊呼吸系統作用：吸收氧氣，放出二氧化碳當橫膈膜向下運動時，它對肺的壓力變為負的， 肺內壓力（P肺）低于氣道口壓力（P氣道口）， 空氣從氣道口流入肺內。當橫膈膜向上運動時，P肺高于氣道口壓力P氣道口 空氣沿氣道口流出。橫膈膜運動是自主行為1)肺容量 呼吸過程中，肺的容量隨著胸腔空間的變化 吸氣時，胸腔空間擴大，肺容量增加， 呼氣時，肺容量也會隨著胸腔空間的減少而減少。呼吸功能參數1、壓力、氣道阻力、流量、容量、頻率、肺順應性(肺順應性：肺每增

9、加單位外部壓力時，肺容量增加的程度)2、血氧、氧分壓、二氧化碳分壓肺量圖 呼吸功能參數 平靜之后，倘若再盡力呼氣，所呼出的氣量為補呼氣量正常成年人平靜呼吸時，每次吸入和呼出之氣量基本相等，每次呼出或吸入的氣量稱為潮氣量，約400-500ml。(1)潮氣量：(2)補吸氣量和深吸氣量：平靜之后，盡力作一深吸氣，所吸入的氣量為補吸氣量若從平靜呼氣基線算起到最大，稱為深吸氣量。(3)補呼氣量：(7)呼吸頻率(4)肺活量： 在最大吸氣后盡力所能呼出的氣量為肺活量。 時間肺活量：先做深吸氣，然后以最快速度呼出， 正常人在1、2、3秒內應為肺活量的83%、96%、99%。(5)殘氣量：吐氣到最后，不可避免還

10、剩下的氣量(6)肺總容量肺所能容納的最大氣量單位時間內的呼吸次數。呼吸頻率，胸廓體積變化，熱量法呼吸流量，各種各樣方法，壓力等三、呼吸參數測量呼吸參數測量彈性應變儀：裝有水銀的橡皮管，放在胸部 呼吸引起胸圍的變化，橡皮管電阻變化 接入電橋，電壓變化為呼吸頻率呼吸頻率呼吸過程中的胸廓運動會引起人體電阻抗的變化，呼吸阻抗的變量約0.13。利用ECG導聯的兩個電極，由監護儀產生10100kHz的載波恒流注入0.55mA的電流，在電極上拾取呼吸阻抗變化的信號，呼吸阻抗的變化圖描述了呼吸的動態波形，并可提取呼吸率參數。電極法外部施加10k-100K交流電,電橋有輸出輸出正弦信號: 代表吸氣和呼氣熱敏電阻

11、：氣流速度不同，產生不同的熱量 電阻變化，接入電橋，測量電壓變化氣流在單位時間內流過某一截面的體積 Q=V.S瞬時單位：ml/s平均流量的單位：l/min（一段時間內平均值）流量檢測 氣流在金屬管中流，外邊為絕熱室。 管壁纏繞兩根相同的熱電阻絲R1、R2,與R3、R4構成電橋 R1、R2：高電阻溫度系數；R3、R4：低電阻溫度系數熱式呼吸流量計流量計結構當電橋通電但無氣流時，R1、R2加熱，阻值仍相同， 溫度對稱分布，電橋輸出為0。當電橋通電有氣流時，R1、R2離入口距離不同導致溫度 不同，從而阻值不同，電橋輸出非0氣流流過熱源，會帶走一部分熱量，流量大帶走熱量大原理該電壓輸出和氣體流量成確定

12、的函數關系， 信號轉換為流量信號記錄呼吸曲線。當氣流流向改變時，R1、R2的阻值變化相反， 電橋輸出極性相反，因此可區分呼氣和吸氣過程如何判別氣流方向？ 由流量-壓差變換器和壓差-電壓變換器組成（1）流量-壓差變換器：氣體流速到壓差的一次變換 一定流量的氣體穿過小孔:節流孔壓差式呼吸流量計S1v1=S2v2只要測量p2-p1,計算v1,v2=恒量P與v成反比2）壓差變換器：完成壓差到電信號的二次變換流量變換器產生的壓差加到兩入口處無氣流，P2=P1，膜片平衡位置，交流電橋處于平衡態；有氣流時，例如P2P1時，極片隨著膜片向左偏移， 引起交流電橋不平衡，所以將壓差變為電壓輸出家用水表,燃氣表 氣

13、道中有一渦輪，渦輪旋轉與氣體之流量有關 將氣流速度變為渦輪轉動速度 用渦輪遮擋光束，光敏元件檢測光的有無，形成脈沖， 對脈沖記數，可得流速和流量（呼吸量） 當窗口與光線在一條直線時，透光 旋轉葉片式傳感器1.原理：電磁感應定律導體在磁場中切割磁力線運動會產生感應電動勢E=BlV，方向符合右手定則：右手拇指和其余四指垂直，掌心迎向磁場方向，拇指指向導體運動方向，則其余四指指向導體中感生電動勢的方向（由負到正）磁電傳感器動圈式心音傳感器(分析)線圈中感應出與線圈運動速度成正比的電動勢生化參數測量光電法血糖測量: 取血,試紙條,光學法試紙上葡萄糖氧化酶與血液中葡萄糖反映,使顏色改變.無創法測血糖,多

14、紅外光照射.化學傳感器,如各種離子傳感器測量PH,O2,CO2模塊化多生理參數床邊監護儀的組成原理框圖（三） 多參數監護測量電路工控板，經受惡劣環境，開放式總線結構，體積緊湊，擴展方便。CMOS器件設計，功耗低提供豐富的外部接口,主控板提供顯示和處理嵌入式操作系統,使用PC機的軟件資源，實現復雜資源的控制, Windows CE, Windows Mobile phone 8, Linix計算機與計算機接口信息輸出：以約定的協議通過串口傳輸給上位機（工控卡）各生理參數的測量結果和波形數據。CPU處理器：采用嵌入式CPU，16位數據總線、8MHz總線速度。DMA通道：7。中斷：15級。內存：4M

15、B在板。I/O:一個硬盤口、一個軟驅口、3個RS-232串口、1個RS-232/485串口、1個雙向并口、16bit GPIO。顯示：1MB顯存，支持最高24bit液晶屏，支持CRT。以太網：NE2000兼容，內建16KRAM緩沖區，10MB傳輸速率。電源：單5V，960mA。工控板 嵌入式觸控計算機及Wifi模塊。心電模塊硬件框圖BT007心電模塊圖血壓模塊框圖血氧模塊框圖血氧模塊監護模塊提供串口通訊協議與工控板接口顯示無線傳輸，藍牙(2.4G)，WIFI等 四 心率監護原理床邊心電監護除顫抑制濾波電路半波整流閾值電路比較電路單穩電路計數電路A:200mvB:-200mv正常時，橋路輸出等于

16、輸入，超過時，限幅C2：濾掉除顫高頻率信號VD5，對VD6反向保護峰值檢測電路，檢測最高峰值門限值取R波的分數，自適應閾值法比固定閾值好，因為過高，過低都不好過高不翻轉，過低亂翻轉A7：取交流信號直流分量顯示高電平持續長度 最后輸出為直流信號單穩態輸出與輸入信號寬度無關了，取決于自身性質, 0.3S A5:比較器，D10發光，A3,整流整形 A4:峰值檢測電路，波形為充、放電直線 A7:輸出為直線，直流電信號U2波形中將P,T波濾掉(P波頻率:T波頻率, 11波帶寬為:1710)整流電路輸出又負末級反轉u4輸出當運放輸出大于200mv,D1截至，D3:導通D3導通，抬高VB, D4截至，D2:

17、導通輸出200mv當運放輸出小于-200mv,D3截至，D1:導通D1導通，降低VA, D2截至，D4:導通輸出-200mv當運放輸出在-200-200mv,D1,D3導通，當運放輸出為零，D1,D2,D3,D4導通，當運放輸出大于零時，VA,VB被同時抬高，當運放輸出小于零，VA,VB被同時降低，不管如何，D2,D4也導通， 則實現輸出跟蹤相等。A6:單穩態電路，輸出定寬脈沖脈沖寬度有電路自身的R,C等決定。A7,倒向，使輸出直流分量與表頭顯示一直，輸出階梯式直流電，每個周期不同的直流電平C6微分電路，將負脈沖沿變成負尖脈沖適當設計C6,R18,使有合適的寬度，大于負脈沖寬度，正脈沖沿無信號

18、這樣，負脈沖時，翻轉，V+=-4VC充電,V-降低，當v-v+,輸出為正,V-=0.7V,V+=4V.穩態，等待下一個脈沖。動態心電 Holter長時間檢測,24h,72h V1-V5便攜式,省電結構要求大容量存儲記錄系統,Flash,固態硬盤（電子盤）信號分析功能,報警功能快速回放系統，更準確分析算 法濾波,漂移消除,運動及干擾消除.心動過速,心動過緩檢測停博,漏博,早搏檢測二聯律,三聯律檢測80C196為單片機PSD芯片全稱“現場可編程微控制器外圍芯片ce），將單片機所需的多個外圍芯片，如地址鎖存器、EPROM或FLASH、SRAM、PLD等集成在一個芯片內，從而大大簡化了電路設計 低功耗MSP430宇航員，軍事，家庭，偏遠地區物聯網的時代無線通信: 各種通訊網絡、互聯網 藍牙,Wifi, zigbee,GPRS,GSM 五 遠程監護藍牙,支持設備短距離通信（一般10m內） 2.4GHz頻段,1Mbps帶寬 移動電話、PDA、筆記本、無線耳機、相關外設等眾