医学电子仪器设计第8章-多参数监护仪设计
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QR
• A2
C B1 LL
Rb
C
RA
B2
图 8-6 高频激励（a）电压发生电路，（b）等效电路
5 体温（Temp）监护
体温测量电路可以采用恒流或恒压的方 式，把人体温度引起的体温探头的阻值 变化转化为线性的电压变化，根据AD转 换的数据计算出体温探头的阻值，根据 探头阻值与温度对照关系查表计算出人 体温度，体温检测范围为0～50℃ ，精 度为土0.2℃。
血氧模块 （脉搏氧，脉率）
中央处理
心电导联
心电模块 （心电、呼吸、体温）
血压模块 （血压）
血压袖带 体温探头
8.2.2 多参数监护仪的参数测量 方法
心电监护与心电图机在硬件设计方面的 差别
1、通常监护仪心电导联线采用5导联线 模式，而心电图机采用国际标准12导联 体系。
2、监护仪通常有诊断、监护、手术三种 模式，对应的频段不同，而心电图机相 对于监护仪只有一种模式。
6 呼吸末二氧化碳（PetCO2 ）监护
C
1 aL
ln
Po 1 P1
图8-7 呼气末二氧化碳分压曲线
8.3 核心控制系统设计
8.3.1 芯片选择 8.3.2 系统硬件电路设计 8.3.3 系统软件设计
8.3 核心控制系统设计
8.3.2 系统硬件电路设计 1 信号采集电路的硬件设计 2 数据处理模块的硬件设计
S3C2410
LCD显示 串行通信接口
键盘输入
信号采集模块
图8-10 数据处理模块硬件连接图
8.3.3 系统软件设计
1 基于LINUX的中心控制器软件部分设 计
2 各部分信号采集部分软件设计 3 系统通信和调试 4 LCD显示
8.3 核心控制系统设计
A 硬件初始化
LINUX引导程序加载 启动LINUX内核 初始化进程
监护仪的心率计算是心电监护仪软件算 法中的重要部分，软件程序中通常通过 寻找正确的R波来计算心率。
心电监护
图8-3 心电监护仪电极安放位置
无创血压（NIBP）监护
监护仪在测量血压时一般分手动和自动 测量，可以根据需要设定。
振动法是测量血压的方法。 在无创血压监护过程中，应尽量保证有
良好条件，同时注意袖带尺寸的选择， 放置的部位和捆绑的松紧度。
第八章 多参数监护仪设计
8.1 监护仪概述 8.2 信号采集硬件 8.3 核心控制系统设计 8.4 心率检测算法设计 8.5多参数监护仪的设计特点 8.6动态心电监护仪（HOLTER）设计
8.1 监护仪概述
8.1.1 监护仪意义和作用 8.1.2 监护仪分类 8.1.3 监护生理参数的测量内容
8.3.2 系统硬件电路设计
导联线 脉搏血氧
袖带 体温
多参数模块 液晶显示 打印
图8-8 多参数监护仪硬件结构图
FLASH SDRAM
S3C2410
报警
键盘控制
8.3.2 系统硬件电路设计
图8-9 信号采集模块硬件连接图
8.3.2 系统硬件电路设计
FLASH海量存储 SDRAM扩展内存 1MB BIOS FLASH
8.6.2 动态心电图设计原理
1、电源部分 2、信号采集与处理部分 3 、控制部分
8.6.2 动态心电图设计原理
电池
心电采集前端 放大电路
ADC采集
电
源
电
路
按键/显示
MCU控制时间 与数据处理
实时时钟
USB接口
Flash数据 存储单元
8.6.2 动态心电图设计原理
1、电源部分 满足完成24小时的心电采集的要求，硬
件的选择在满足设计要求的前提下，要 将功耗放在第一位置 2、信号采集与处理部分 心电采集前端放大电路与心电图机前端 采集电路基本相同
3 控制部分
实时时钟用于记录采集时间和日期。数 据存取控制部分完成对采集处理后的心 电信号的存储及读取功能。指示灯便于 用户识别当前的工作状态状态。
8.6.3 动态心电监护仪的特色设 计
8.2 信号采集硬件
1 心电（ECG）的监护 2 无创血压（NIBP）监护 3 动脉血氧饱和度（SpO2）监护 4 呼吸（Resp）监护 5 体温（Temp）监护 6 呼吸末二氧化碳（PetCO2）监护
8.2 信号采集硬件
8.2.1 监护仪的基本结构
显示
打印输出 （内置、外置）
脉搏氧探头
8.5多参数监护仪的设计特点
多参数监护仪与手持式医疗设备的设计区别为： （1）需要独立的电源模块完成锂电池充电及其它功能模 块的供电。 （2）液晶显示屏相对要最够大以便显示多个生理参数。 （3）内部硬件采用模块化设计，数据采集、打印部分采 用独立的MCU减少主控芯片的负担。 （4）通常监护仪需要网电源供电，要充分考虑到应用部 分与电网电源部分的隔离设计。 （5）采用高处理速度，外设丰富的MCU，嵌入操作系统 控制各任务的调度。
阻抗式呼吸测量 人体呼吸运动时，胸廓也交替变形，肌
体组织的电阻抗也交替变化，呼吸阻抗( 肺阻抗)与肺容量成正比关系。
4 呼吸（Resp）监护
图8-4阻抗式呼吸测量原理
4 呼吸（Resp）监护
图8-5 阻抗法电路结构图
心电电极 LL RA
过压保护
至心电放大电路
高频激励脉 冲发生器
隔直
解调及差动 放大
在报警功能中，通常心电图机具有导联 脱落或放大器饱和等信息的报警，而监 护仪软件中对报警状态的要求以及报警 响应时间都有要求，要求软件可以设置 报警级别，高级别报警提示要求具有声 光提示。
心电监护
监护仪与心电图的报警不仅在软件中有 区别，在硬件中也区别很大，通常心电 图机的报警提示音使用蜂鸣器。而监护 仪则采用扬声器，通过单片机的D/A引脚 输出声音信号。
1 1 z 6 2 H( z )
32 1 z 1 2
8.4 心率检测算法设计
8.4.1 R波检测技术
Hhp
z 16
1 32
1 z 32 1 z 1
8.4 心率检测算法设计
8.4.1 R波检测技术
图8-13 微分法检测心电R波
8.4 心率检测算法设计
8.4.1 R波检测技术
8.3 核心控制系统设计
图8-12 信号采集部分程序流程图
8.4 心率检测算法设计
8.4.1 R波检测技术 8.4.2 心律失常的判别
8.4 心率检测算法设计
8.4.1 R波检测技术 y0 n xn xn 2 y1n xn 2xn 2 xn 4 y2 n 1.3y0 n 1.1y1n
8.6动态心电监护仪（HOLTER ）设计
8.6.1动态心电图设计需求
（1）最小检测信号：50 µV p-p；（2） 最长记录24h总误差：≤30s；（3）通带 频率：0.67Hz~40Hz；（4）共模抑制比： ≥60dB；（5）输入动态范围：±300mV； （6）系统噪声：≤50μV；（7）定标电 压：1mV±5%；（8）输入阻抗： ≥10MΩ。
硬件驱动程序加载 A
启动所需功能的一个或更多应用程序
向MSP430发出 采集心电指令
向MSP430发出 采集脉搏指令
向MSP430发出 采集体温指令
对接收的数据 滤波
根据波形得到 所需参数
对接收的数据 滤波
根据波形得到 所需参数
显示接收到的 温度值
LCD显示波形 和参数
LCD显示波形 和参数
图8-11 系统主程序流程图
（1）最长记录24h总误差：≤30s； （2）通带频率：0.67Hz~40Hz； （3）系统噪声：≤50μV。 动态心电图仪需要一个足够大的FLASH 来存储心电数据。以500点采样率、采样精 度12位、采样通道8通道计算，24小时的 数据大小为： 500*12*8*3600*24bit=494.38M字节
心电监护
3、电路板设计中通常把心电、呼吸、体 温、等参数的信号提取放在一个电路板 上。
4、由于监护仪需要监护多个参数，需要 一个能调度多任务且稳定的操作系统。 而心电图机可以根据功能的多少，选择 是否需要操作系统。
心电监护
通常监护仪会对采集到的心电数据进行 分析，而心电图机通常不对心电数据进 行分析。
8.4 心率检测算法设计
8.4.1 R波检测技术
图8-14 Pan-Tompkins算法检测R波
8.4 心率检测算法设计
8.4.2 心律失常的判别 心电分析的依据通常是QRS波的宽度、
幅度、波峰方向和R-R间期等参数，以及 与心电模板的匹配程度等。 QRS波的宽度是判别心律失常的基本参 数。
动脉血氧饱和度（SpO2）监护
用来表征血液中氧合血红蛋白比例的数 值称为氧饱和度。定义式为：HbO2/（ HbO2+Hb）。
光电信号的脉动规律是和心脏的搏动一 致，因此检测出信号的重复周期，还能 确定出脉率。
4 呼吸（Resp）监护
热敏式呼吸测量
Q T Tf A
RT R0e a1 T 1 T0
来自百度文库
8.1 监护仪概述
图8-1（a）床边监护仪 （b）中央监护仪
8.1 监护仪概述
1．根据结构分为四类：便携式监护仪、 插件式监护仪、遥测监护仪、HOLTER （24小时动态心电图）心电监护仪。 2．根据功能分为三类：床边监护仪、中 央监护仪、离院监护仪（遥测监护仪），
8.1 监护仪概述
1．心电图 2．心率 3．呼吸 4．有创血压 5．无创血压监护 6．心输出量 7．体温 8．脉搏 9．血气监护
滤波及放 大电路
呼吸 光电隔 信号
离
4 呼吸（Resp）监护
AL LL 4 3 C C 43 RR S C Q Q / D N >GccVD 2 U47CH47 1 C 1 U 53 V 5 4 5 D 5 N 5 1 G 8 762 2 1 C R 2 R
A•1 R
Q 62.5kHz 方波±8V
• A2
C B1 LL
Rb
C
RA
B2
图 8-6 高频激励（a）电压发生电路，（b）等效电路
5 体温（Temp）监护
体温测量电路可以采用恒流或恒压的方 式，把人体温度引起的体温探头的阻值 变化转化为线性的电压变化，根据AD转 换的数据计算出体温探头的阻值，根据 探头阻值与温度对照关系查表计算出人 体温度，体温检测范围为0～50℃ ，精 度为土0.2℃。
血氧模块 （脉搏氧，脉率）
中央处理
心电导联
心电模块 （心电、呼吸、体温）
血压模块 （血压）
血压袖带 体温探头
8.2.2 多参数监护仪的参数测量 方法
心电监护与心电图机在硬件设计方面的 差别
1、通常监护仪心电导联线采用5导联线 模式，而心电图机采用国际标准12导联 体系。
2、监护仪通常有诊断、监护、手术三种 模式，对应的频段不同，而心电图机相 对于监护仪只有一种模式。
6 呼吸末二氧化碳（PetCO2 ）监护
C
1 aL
ln
Po 1 P1
图8-7 呼气末二氧化碳分压曲线
8.3 核心控制系统设计
8.3.1 芯片选择 8.3.2 系统硬件电路设计 8.3.3 系统软件设计
8.3 核心控制系统设计
8.3.2 系统硬件电路设计 1 信号采集电路的硬件设计 2 数据处理模块的硬件设计
S3C2410
LCD显示 串行通信接口
键盘输入
信号采集模块
图8-10 数据处理模块硬件连接图
8.3.3 系统软件设计
1 基于LINUX的中心控制器软件部分设 计
2 各部分信号采集部分软件设计 3 系统通信和调试 4 LCD显示
8.3 核心控制系统设计
A 硬件初始化
LINUX引导程序加载 启动LINUX内核 初始化进程
监护仪的心率计算是心电监护仪软件算 法中的重要部分，软件程序中通常通过 寻找正确的R波来计算心率。
心电监护
图8-3 心电监护仪电极安放位置
无创血压（NIBP）监护
监护仪在测量血压时一般分手动和自动 测量，可以根据需要设定。
振动法是测量血压的方法。 在无创血压监护过程中，应尽量保证有
良好条件，同时注意袖带尺寸的选择， 放置的部位和捆绑的松紧度。
第八章 多参数监护仪设计
8.1 监护仪概述 8.2 信号采集硬件 8.3 核心控制系统设计 8.4 心率检测算法设计 8.5多参数监护仪的设计特点 8.6动态心电监护仪（HOLTER）设计
8.1 监护仪概述
8.1.1 监护仪意义和作用 8.1.2 监护仪分类 8.1.3 监护生理参数的测量内容
8.3.2 系统硬件电路设计
导联线 脉搏血氧
袖带 体温
多参数模块 液晶显示 打印
图8-8 多参数监护仪硬件结构图
FLASH SDRAM
S3C2410
报警
键盘控制
8.3.2 系统硬件电路设计
图8-9 信号采集模块硬件连接图
8.3.2 系统硬件电路设计
FLASH海量存储 SDRAM扩展内存 1MB BIOS FLASH
8.6.2 动态心电图设计原理
1、电源部分 2、信号采集与处理部分 3 、控制部分
8.6.2 动态心电图设计原理
电池
心电采集前端 放大电路
ADC采集
电
源
电
路
按键/显示
MCU控制时间 与数据处理
实时时钟
USB接口
Flash数据 存储单元
8.6.2 动态心电图设计原理
1、电源部分 满足完成24小时的心电采集的要求，硬
件的选择在满足设计要求的前提下，要 将功耗放在第一位置 2、信号采集与处理部分 心电采集前端放大电路与心电图机前端 采集电路基本相同
3 控制部分
实时时钟用于记录采集时间和日期。数 据存取控制部分完成对采集处理后的心 电信号的存储及读取功能。指示灯便于 用户识别当前的工作状态状态。
8.6.3 动态心电监护仪的特色设 计
8.2 信号采集硬件
1 心电（ECG）的监护 2 无创血压（NIBP）监护 3 动脉血氧饱和度（SpO2）监护 4 呼吸（Resp）监护 5 体温（Temp）监护 6 呼吸末二氧化碳（PetCO2）监护
8.2 信号采集硬件
8.2.1 监护仪的基本结构
显示
打印输出 （内置、外置）
脉搏氧探头
8.5多参数监护仪的设计特点
多参数监护仪与手持式医疗设备的设计区别为： （1）需要独立的电源模块完成锂电池充电及其它功能模 块的供电。 （2）液晶显示屏相对要最够大以便显示多个生理参数。 （3）内部硬件采用模块化设计，数据采集、打印部分采 用独立的MCU减少主控芯片的负担。 （4）通常监护仪需要网电源供电，要充分考虑到应用部 分与电网电源部分的隔离设计。 （5）采用高处理速度，外设丰富的MCU，嵌入操作系统 控制各任务的调度。
阻抗式呼吸测量 人体呼吸运动时，胸廓也交替变形，肌
体组织的电阻抗也交替变化，呼吸阻抗( 肺阻抗)与肺容量成正比关系。
4 呼吸（Resp）监护
图8-4阻抗式呼吸测量原理
4 呼吸（Resp）监护
图8-5 阻抗法电路结构图
心电电极 LL RA
过压保护
至心电放大电路
高频激励脉 冲发生器
隔直
解调及差动 放大
在报警功能中，通常心电图机具有导联 脱落或放大器饱和等信息的报警，而监 护仪软件中对报警状态的要求以及报警 响应时间都有要求，要求软件可以设置 报警级别，高级别报警提示要求具有声 光提示。
心电监护
监护仪与心电图的报警不仅在软件中有 区别，在硬件中也区别很大，通常心电 图机的报警提示音使用蜂鸣器。而监护 仪则采用扬声器，通过单片机的D/A引脚 输出声音信号。
1 1 z 6 2 H( z )
32 1 z 1 2
8.4 心率检测算法设计
8.4.1 R波检测技术
Hhp
z 16
1 32
1 z 32 1 z 1
8.4 心率检测算法设计
8.4.1 R波检测技术
图8-13 微分法检测心电R波
8.4 心率检测算法设计
8.4.1 R波检测技术
8.3 核心控制系统设计
图8-12 信号采集部分程序流程图
8.4 心率检测算法设计
8.4.1 R波检测技术 8.4.2 心律失常的判别
8.4 心率检测算法设计
8.4.1 R波检测技术 y0 n xn xn 2 y1n xn 2xn 2 xn 4 y2 n 1.3y0 n 1.1y1n
8.6动态心电监护仪（HOLTER ）设计
8.6.1动态心电图设计需求
（1）最小检测信号：50 µV p-p；（2） 最长记录24h总误差：≤30s；（3）通带 频率：0.67Hz~40Hz；（4）共模抑制比： ≥60dB；（5）输入动态范围：±300mV； （6）系统噪声：≤50μV；（7）定标电 压：1mV±5%；（8）输入阻抗： ≥10MΩ。
硬件驱动程序加载 A
启动所需功能的一个或更多应用程序
向MSP430发出 采集心电指令
向MSP430发出 采集脉搏指令
向MSP430发出 采集体温指令
对接收的数据 滤波
根据波形得到 所需参数
对接收的数据 滤波
根据波形得到 所需参数
显示接收到的 温度值
LCD显示波形 和参数
LCD显示波形 和参数
图8-11 系统主程序流程图
（1）最长记录24h总误差：≤30s； （2）通带频率：0.67Hz~40Hz； （3）系统噪声：≤50μV。 动态心电图仪需要一个足够大的FLASH 来存储心电数据。以500点采样率、采样精 度12位、采样通道8通道计算，24小时的 数据大小为： 500*12*8*3600*24bit=494.38M字节
心电监护
3、电路板设计中通常把心电、呼吸、体 温、等参数的信号提取放在一个电路板 上。
4、由于监护仪需要监护多个参数，需要 一个能调度多任务且稳定的操作系统。 而心电图机可以根据功能的多少，选择 是否需要操作系统。
心电监护
通常监护仪会对采集到的心电数据进行 分析，而心电图机通常不对心电数据进 行分析。
8.4 心率检测算法设计
8.4.1 R波检测技术
图8-14 Pan-Tompkins算法检测R波
8.4 心率检测算法设计
8.4.2 心律失常的判别 心电分析的依据通常是QRS波的宽度、
幅度、波峰方向和R-R间期等参数，以及 与心电模板的匹配程度等。 QRS波的宽度是判别心律失常的基本参 数。
动脉血氧饱和度（SpO2）监护
用来表征血液中氧合血红蛋白比例的数 值称为氧饱和度。定义式为：HbO2/（ HbO2+Hb）。
光电信号的脉动规律是和心脏的搏动一 致，因此检测出信号的重复周期，还能 确定出脉率。
4 呼吸（Resp）监护
热敏式呼吸测量
Q T Tf A
RT R0e a1 T 1 T0
来自百度文库
8.1 监护仪概述
图8-1（a）床边监护仪 （b）中央监护仪
8.1 监护仪概述
1．根据结构分为四类：便携式监护仪、 插件式监护仪、遥测监护仪、HOLTER （24小时动态心电图）心电监护仪。 2．根据功能分为三类：床边监护仪、中 央监护仪、离院监护仪（遥测监护仪），
8.1 监护仪概述
1．心电图 2．心率 3．呼吸 4．有创血压 5．无创血压监护 6．心输出量 7．体温 8．脉搏 9．血气监护
滤波及放 大电路
呼吸 光电隔 信号
离
4 呼吸（Resp）监护
AL LL 4 3 C C 43 RR S C Q Q / D N >GccVD 2 U47CH47 1 C 1 U 53 V 5 4 5 D 5 N 5 1 G 8 762 2 1 C R 2 R
A•1 R
Q 62.5kHz 方波±8V