便攜式心電監(jiān)護(hù)儀開(kāi)題報(bào)告

1、便攜式心電監(jiān)護(hù)儀1 研究意義和目的以往專門測(cè)量心率值的儀器較少，人們?yōu)榱酥雷约旱倪\(yùn)動(dòng)或者勞動(dòng)強(qiáng)度是否超負(fù)荷，尤其是老年人或運(yùn)動(dòng)員等，他們都得趕到醫(yī)院而不能實(shí)時(shí)測(cè)量和預(yù)知。為了觀測(cè)“預(yù)防為主”的方針，為了實(shí)現(xiàn)人人能享受基本醫(yī)療保健的目標(biāo)，把過(guò)去的以醫(yī)院為軸心的醫(yī)療服務(wù)體系過(guò)度到以家庭為基礎(chǔ)的社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)體系已成為必然趨勢(shì)。所以便攜式醫(yī)療儀器已相繼問(wèn)世。便攜式心率測(cè)試儀屬于一種集輕型化、一體化、可視化等優(yōu)點(diǎn)的測(cè)試儀；同時(shí)它適合在家庭和社區(qū)條件下使用。心電診斷儀、心率計(jì)的應(yīng)用在心血管疾病的研究和診斷方面發(fā)揮出顯著的作用，它們所記錄的心臟活動(dòng)時(shí)的生物電信號(hào)，已成為臨床診斷的重要依據(jù)。該心率儀可用于臨

2、床心率監(jiān)護(hù)；并為體力勞動(dòng)者勞動(dòng)強(qiáng)度測(cè)定、運(yùn)動(dòng)員及士兵訓(xùn)練強(qiáng)度測(cè)定等提供確鑿的和必不可少的生理指標(biāo)。2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與水平便攜式醫(yī)療設(shè)備正不斷改進(jìn)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)患者的醫(yī)療保健條件?，F(xiàn)在外國(guó)的先進(jìn)運(yùn)動(dòng)手表甚至能夠無(wú)線記錄用戶的心率。未來(lái)，還將有眾多能顯著改善醫(yī)療實(shí)施及其效果的創(chuàng)新型醫(yī)療應(yīng)用產(chǎn)品。 滿足便攜式醫(yī)療領(lǐng)域的微處理器需求給半導(dǎo)體企業(yè)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。雖然工程設(shè)計(jì)無(wú)外乎是在相對(duì)立的功能、規(guī)范以及空間限制條件之間進(jìn)行取舍，但是這種平衡取舍在便攜式醫(yī)療領(lǐng)域往往非常棘手。醫(yī)療市場(chǎng)的相關(guān)需求往往很難協(xié)調(diào)，如小尺寸與高功能性、低功耗與高性能模擬，以及超長(zhǎng)電池使用壽命與高處理能力等。這些產(chǎn)品需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (A

3、DC)、可調(diào)節(jié)增益、電源管理以及液晶顯示屏 (LCD) 等。這些都將是需要我們更多的去研究和發(fā)展擬采取的研究路線1 研究?jī)?nèi)容將脈搏通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，再通過(guò)不同的集成芯片將電壓信號(hào)完成放大、濾波、整流等一系列工作，然后利用單片機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算。實(shí)現(xiàn)在任何地點(diǎn)任何時(shí)間都能快速檢測(cè)出人體的心率，達(dá)到集輕型化、一體化、可視化等優(yōu)點(diǎn)于一身的系統(tǒng)。2 擬采取的研究方法了解課題所需知識(shí)點(diǎn)，然后翻閱相關(guān)資料和教材，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)搜索查找相關(guān)資料，計(jì)算各參數(shù)，了解各元器件的功能作用，設(shè)計(jì)電路圖，用相關(guān)的仿真軟件進(jìn)行仿真，最后進(jìn)行實(shí)物調(diào)試。3 具體的設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)總體框圖STC89C52單片機(jī)獨(dú)立按鍵報(bào)警電路LED顯

4、示電路時(shí)鐘電路復(fù)位電路信號(hào)采集與處理（1）傳感器的選擇光電式傳感器血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比血液中大幾十倍，據(jù)此特點(diǎn)，采用光電效應(yīng)手指脈搏傳感器來(lái)拾取脈搏信號(hào)。血管的容積和透光度會(huì)隨心搏的改變而改變，這樣通過(guò)光電傳感器可得到相應(yīng)的光電流信號(hào)。采用紅外反射傳感器RPR220，通過(guò)手指的血液濃度會(huì)隨著心臟的跳動(dòng)發(fā)生變化，紅外對(duì)管對(duì)應(yīng)的信號(hào)便會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，采集此信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，濾波，比較等處理便可以得到理想的信號(hào)。采用反射式的紅外管?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的心率計(jì)普遍采用這種傳感器來(lái)采集信號(hào)，因?yàn)榇思t外管接收和發(fā)射都在手指的同一側(cè)，因此便不用考慮每個(gè)人手指情況不同所造成的麻煩。接收的

5、是血液漫反射回來(lái)的光，此信號(hào)可以精確地測(cè)得血管內(nèi)容積變化。集成傳感器當(dāng)前,市面上有很多類型的集成心電傳感器,其靈敏度高,集成度高,直接就可以反映出心率的變化,且已包含了濾波等抗干擾電路,波形經(jīng)過(guò)放大可以直接處理使用。缺點(diǎn)是價(jià)格非常昂貴，一般均在五百元以上，就本次設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，考慮到經(jīng)費(fèi)以及鍛煉自己的目的，不選擇使用該型傳感器。綜上所述，雖然光電式傳感器的價(jià)格相對(duì)較高，但是為了測(cè)量方便和使本系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，所以選擇紅外反射傳感器RPR220。（2）信號(hào)處理前置放大LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立

6、。具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。心率測(cè)試儀通過(guò)光電傳感器獲得脈搏信號(hào)的電壓比較小，在幾毫伏左右，且頻率較低，所以需要低噪聲，低漂移，高輸入阻抗的放大器。本系統(tǒng)才用同相放大器，同相放大器具有輸入阻抗高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大級(jí)。信號(hào)濾波由于脈搏信號(hào)的頻率在1.33HZ左右，正常情況下不會(huì)出現(xiàn)高于2HZ的信號(hào)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，用來(lái)濾去高頻信號(hào)。在這個(gè)系統(tǒng)中最大的干擾就是來(lái)自市電的50HZ干擾信號(hào)，考慮到有些病人在患病時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)較高的脈搏，因此在1）無(wú)源濾波器采用RC低通濾波器。其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，阻帶衰減太慢，選

7、擇性較差。2）二階低通濾波器采用二階有源濾波器，通帶內(nèi)幅頻特性曲線比較平坦，而且二階也可以達(dá)到較陡的衰減的特性。由于主要的干擾出現(xiàn)在50HZ左右，所以在截止頻率較低時(shí)，采用二階濾波器即可達(dá)到很好的濾波效果。綜上所述，由于使用二階有源濾波器能夠很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的濾波目的，所以選擇使用方案2）。（3）整形電路由于單片機(jī)只能檢測(cè)到數(shù)字信號(hào)，因此，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后得到的模擬信號(hào)必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這里有兩個(gè)方案可以選擇。方案一: 使用三極管進(jìn)行整形.方案二：使用集成芯片74LS1374LS13為具有施密特觸發(fā)器的兩組4輸入端與非門（正邏輯），通過(guò)74LS13實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的整形，輸出單片機(jī)可以處理的脈沖信

8、號(hào)。由于三極管的調(diào)試較為復(fù)雜，且工作性能不如施密特觸發(fā)器穩(wěn)定，所以我們選用74LS13作為一個(gè)施密特觸發(fā)器。（4）顯示電路本系統(tǒng)使用四段數(shù)碼管作為數(shù)據(jù)顯示器，通過(guò)單片機(jī)對(duì)處理過(guò)的信號(hào)計(jì)數(shù)（心率），然后通過(guò)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示將所測(cè)得的心率值顯示出來(lái)，并同時(shí)將其心率值存儲(chǔ)到單片機(jī)自帶的EEPROM中，可以通過(guò)按鍵來(lái)提取其值。（5）報(bào)警電路報(bào)警電路是對(duì)每次脈沖的到來(lái)均響鈴，與脈搏同步。這樣，就可以通過(guò)聲光的形式形象地把脈搏的快慢顯示出來(lái)。此外，當(dāng)所測(cè)得的心率值低于50次/分，或高于160次/分時(shí)，報(bào)警電路連續(xù)響鈴。4進(jìn)度安排1-4周：查閱文獻(xiàn)，選題；5-8周：總體方案的確定，分析；9-12周：硬件電路圖

9、設(shè)計(jì)，分析；13-15周：編程，調(diào)試，將得出數(shù)據(jù)做分析比較；16周：準(zhǔn)備答辯。5文獻(xiàn)綜述便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)便攜式心電監(jiān)護(hù)儀是一種心臟疾病醫(yī)療診斷的重要設(shè)備，針對(duì)其使用對(duì)象，它必須具有低功耗、小體積、輕質(zhì)量、易攜帶、功能完善等特點(diǎn)，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、分析、處理、顯示和傳輸。因此，在其產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須兼顧各應(yīng)用的特點(diǎn)和功能，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，協(xié)調(diào)好患者、醫(yī)生以及人機(jī)交互的關(guān)系。便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的使用環(huán)境、內(nèi)部原理及其特點(diǎn)，決定了便攜式心電監(jiān)護(hù)儀需聯(lián)系醫(yī)生和患者兩個(gè)使用者，醫(yī)生和患者作為便攜式心電監(jiān)護(hù)儀“人的因素”在設(shè)計(jì)中起著十分重要的作用便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的

10、硬件功能是采集人體信號(hào)，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)、處理與分析，并將波形與處理結(jié)果等信息顯示給用戶或通過(guò)無(wú)線形式傳輸給醫(yī)療機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。信號(hào)拾取、放大及濾波電路在便攜式心電監(jiān)護(hù)儀中，信號(hào)的拾取一般采用普通醫(yī)用電極，也有的采用帶有較高成本的藍(lán)牙芯片作微型傳感器由于人體體表中的信號(hào)屬于強(qiáng)噪聲混雜下超低頻的微弱信號(hào)，具有低頻特性、微弱性、不穩(wěn)定性和隨機(jī)性等特點(diǎn)。微弱的信號(hào)同時(shí)受到人體內(nèi)外的高頻電磁場(chǎng)、工頻、電極極化、測(cè)量設(shè)備本身等多種干擾源的影響，其微弱的特征被掩蓋在復(fù)雜的諸多強(qiáng)干擾信號(hào)之中，故要求信號(hào)的放大濾波電路必須滿足高輸入阻抗、高共模抑制比、高增益、低噪聲、低漂移、合適的帶寬和高安

11、全性。因此，提取信號(hào)的放大濾波電路一般由前置放大電路、右腿驅(qū)動(dòng)電路、低通濾波電路、高通濾波電路、陷波電路和后置放大電路組成工頻干擾通常是由周圍的電子儀器、傳輸電線及設(shè)備內(nèi)分布電容等產(chǎn)生的電場(chǎng)引起的。由于前級(jí)放大電路輸出的信號(hào)中還存有較強(qiáng)的工頻信號(hào)干擾，須通過(guò)陷波電路將其濾除。信號(hào)經(jīng)前置放大電路進(jìn)行信號(hào)放大和濾波后，轉(zhuǎn)化為頻帶為的有用信號(hào)，但前置級(jí)放大電路對(duì)采集到的信號(hào)只是初步放大，放大倍數(shù)較小，放大信號(hào)幅值仍比較低。為了提高信號(hào)采集精度，必須對(duì)信號(hào)逐級(jí)放大，因此硬件電路中還需要有后置放大電路（或稱主放大電路）。又由于信號(hào)的幅值大小因人而異，從而要求后置放大電路能對(duì)信號(hào)的強(qiáng)度即對(duì)后置放大器的放大

12、倍數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。基于此，一種方法是通過(guò)將后置放大電路中的反饋電阻換成可調(diào)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)，另一種方法則是利用電子開(kāi)關(guān)和不同阻值的電阻通過(guò)程序選通控制來(lái)實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)調(diào)節(jié)便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的通訊接口有多種，一般分為有線傳輸接口和無(wú)線傳輸接口有線傳輸以前通常采用接口近距離向醫(yī)院中心站的接收設(shè)備傳輸儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)，如果要遠(yuǎn)距離傳送則需要通過(guò)撥號(hào)方式傳輸。數(shù)據(jù)另一種遠(yuǎn)距離有線傳送方法，是先把數(shù)字信號(hào)經(jīng)和轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，然后將此頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，最后通過(guò)電話網(wǎng)絡(luò)將模擬心電信號(hào)傳輸給醫(yī)療機(jī)構(gòu)，醫(yī)療機(jī)構(gòu)的接收設(shè)備再將此信號(hào)還原為信號(hào)，現(xiàn)在已很少用了。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前的系統(tǒng)開(kāi)始采用接口來(lái)近距離傳送數(shù)據(jù)

13、，遠(yuǎn)距離傳送則通過(guò)以太網(wǎng)或者其他的網(wǎng)絡(luò)模塊連接到來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。無(wú)線傳輸與有線傳輸相比，能夠增強(qiáng)設(shè)備的靈活性，便攜式心電監(jiān)護(hù)儀以其便攜、實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)、使用靈活等特點(diǎn)，使得醫(yī)院外長(zhǎng)期或急救狀態(tài)下的監(jiān)護(hù)成為現(xiàn)實(shí)，使患者能夠及時(shí)得到病癥診斷而不延誤搶救時(shí)機(jī)，從而得以挽救其寶貴的生命，因此必將得到更廣泛的應(yīng)用。就目前來(lái)看，便攜式心電監(jiān)護(hù)儀未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（）進(jìn)一步提高便攜靈活性。大致可以通過(guò)四個(gè)方面來(lái)提高。大量采用貼片式元件，降低監(jiān)護(hù)儀的體積；硬件功能能由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的盡量用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)；將部分電路編程到可編程邏輯器件中去；采用無(wú)線通訊參考文獻(xiàn)白冰，張躍，萬(wàn)里基于的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)心電監(jiān)護(hù)儀軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，（）：，：張華基于以太網(wǎng)的心電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，王余濤基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研制哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大