便攜式心電監(jiān)護(hù)儀開題報(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)，把過去的以醫(yī)院為軸心的醫(yī)療服務(wù)體系過度到以家庭為基礎(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)手表甚至能夠無線記錄用戶的心率。未來，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)帶來了挑戰(zhàn)。雖然工程設(shè)計(jì)無外乎是在相對(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)容將脈搏通過傳感器轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，再通過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，通過網(wǎng)頁搜索查找相關(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。現(xiàn)在市場(chǎng)上的心率計(jì)普遍采用這種傳感器來采集信號(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)來說，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，用來濾去高頻信號(hào)。在這個(gè)系統(tǒng)中最大的干擾就是來自市電的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，通過單片機(jī)對(duì)處理過的信號(hào)計(jì)數(shù)（心率），然后通過數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示將所測(cè)得的心率值顯示出來，并同時(shí)將其心率值存儲(chǔ)到單片機(jī)自帶的EEPROM中，可以通過按鍵來提取其值。（5）報(bào)警電路報(bào)警電路是對(duì)每次脈沖的到來均響鈴，與脈搏同步。這樣，就可以通過聲光的形式形象地把脈搏的快慢顯示出來。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無線形式傳輸給醫(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，一種方法是通過將后置放大電路中的反饋電阻換成可調(diào)電阻來實(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關(guān)和不同阻值的電阻通過程序選通控制來實(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)開始采用接口來近距離傳送數(shù)據(jù)

13、，遠(yuǎn)距離傳送則通過以太網(wǎng)或者其他的網(wǎng)絡(luò)模塊連接到來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。無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。就目前來看，便攜式心電監(jiān)護(hù)儀未來發(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。大致可以通過四個(gè)方面來提高。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實(shí)現(xiàn)的盡量用軟件來實(shí)現(xiàn)；將部分電路編程到可編程邏輯器件中去；采用無線通訊參考文獻(xiàn)白冰，張躍，萬里基于的遠(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