多功能自動(dòng)監(jiān)護(hù)儀畢業(yè)論文

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）多功能自動(dòng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（姓名）燕 山 大 學(xué)2012年6月 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）多功能自動(dòng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院（系）： 專(zhuān) 業(yè)： 學(xué)生 姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo) 教師： 答辯 日期： 2012年6月 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)學(xué)院： 系級(jí)教學(xué)單位： 學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 專(zhuān) 業(yè)班 級(jí) 題目題目名稱多功能自動(dòng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目性質(zhì)1.理工類(lèi)：工程設(shè)計(jì) （ ）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型（ ）；理論研究型（ ）；計(jì)算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ）。2.管理類(lèi)（ ）；3.外語(yǔ)類(lèi)（ ）；4.藝術(shù)類(lèi)（ ）。題目類(lèi)型1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（ ） 2.論文（ ）題目來(lái)源科研課題（ ） 生產(chǎn)實(shí)際（ ）自選題目（ ） 主

2、要內(nèi)容1、學(xué)習(xí)了解醫(yī)院自動(dòng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的歷史現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)2、學(xué)習(xí)醫(yī)院自動(dòng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法3、設(shè)計(jì)一套醫(yī)院自動(dòng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)基本要求1、 掌握醫(yī)院自動(dòng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)工作和設(shè)計(jì)原理2、 設(shè)計(jì)一套醫(yī)院自動(dòng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)3、 完成系統(tǒng)中心站和床頭機(jī)的整體方案設(shè)計(jì)4、重點(diǎn)完成系統(tǒng)中信息采集和通信部分的模塊設(shè)計(jì)5、按要求撰寫(xiě)論文參考資料1、文獻(xiàn)若干2、微機(jī)式醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì) 林家瑞周 次14周58周912周1315周1617周應(yīng)完成的內(nèi)容查閱中、英文資料課題理解系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)信息采集模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)信息通信模塊設(shè)計(jì)寫(xiě)論文準(zhǔn)備答辯指導(dǎo)教師：景軍職稱：教授 2012 年1 月10 日系級(jí)教學(xué)單位審批： 年 月 日摘要心電、血壓、血

3、氧飽和度和呼吸是反映人體機(jī)能的重要參數(shù)，在人體的生命監(jiān)護(hù)中有著極其重要的參考價(jià)值。目前，大部分醫(yī)院病人的生理參數(shù)都是采用人工定時(shí)測(cè)量的方式獲取，此項(xiàng)常規(guī)護(hù)理不僅耗費(fèi)大量的人力，而且對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行匯總、查詢、分析也比較繁雜。此外，如果病人在出現(xiàn)異常時(shí)不能及時(shí)被醫(yī)生發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)造成治療時(shí)機(jī)的延誤。尤其對(duì)于那些傳染病患者，醫(yī)生不方便與其接觸，因此需要一種能夠監(jiān)護(hù)病人，且無(wú)需與其接觸就能夠?qū)崿F(xiàn)診治的方式。本課題對(duì)多功能自動(dòng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。本文針對(duì)心電、血壓、血氧飽和度、呼吸信號(hào)各自的特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了各生理信號(hào)檢測(cè)模塊：在心電模塊采用右腿驅(qū)動(dòng)電路，用ad620作為前置放大器；在血壓模塊采用測(cè)振法；在

4、血氧飽和度模塊雙波長(zhǎng)法；在呼吸模塊采用熱敏法測(cè)呼吸。在通信模塊采用基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信技術(shù)，對(duì)ieee802.15.4協(xié)議和zigbee協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)介紹，無(wú)線射頻芯片采用cc2420，核心控制芯片采用msp430。本系統(tǒng)整體采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，易于日后的修改、優(yōu)化和維護(hù)，并且通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信，具有較好的靈活性和擴(kuò)展性，適合家庭、社區(qū)和醫(yī)療機(jī)構(gòu)使用，應(yīng)用前景廣闊。關(guān)鍵詞: 心電；血壓；自動(dòng)監(jiān)護(hù)；無(wú)線通信；cc2420abstractecg, blood pressure, oxygen saturation and breathing which is reflect th

5、e human function are important parameter, they have extremely important reference value in life custody. now, most of physiological parameters are measured by timing manner. the conventional care not only spent a lot human,，but also measure result is more complex to summary, inquiries and analysis.

6、in addition, if special circumstances of patient couldnt timely discovery, the illness will be caused delay in treatment time. especially for patients with infectious diseases, doctors contact patients inconveniently, so it is necessary that using a method not only monitoring patient, but also no co

7、ntact patient. this paper presents the multi-functional automatic monitoring system of the research program.in this paper, ecg, blood pressure, oxygen saturation, respiratory signal characteristics were designed physiological signal detection module: ecg module with the right leg drive mode ad620 as

8、 a preamplifier; in blood pressure module using vibration measurement method; dual-wavelength method in the oxygen saturation module; thermal method to measure breathing in the respiratory module.in the communication module based on wireless sensor network wireless communication technology, ieee802.

9、15.4 protocol and zigbee protocol is introduced in detail, the wireless rf chip using the cc2420 and the core control chip uses msp430.module design of this system ease of future modifications, optimization and maintenance, and to communicate through wireless sensor networks, has good flexibility an

10、d scalability, suitable for families, communities and medical institutions the use of a bright future.keywords： ecg； blood pressure；automatic monitoring；wireless communication；cc2420 目 錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1 課題背景11.2 監(jiān)護(hù)儀概述及分類(lèi)11.3 監(jiān)護(hù)儀的發(fā)展現(xiàn)狀及出現(xiàn)的問(wèn)題21.3.1 監(jiān)護(hù)儀的發(fā)展現(xiàn)狀21.3.2 存在的主要問(wèn)題31.4 課題的研究意義及工作安排4第2章 多功能

11、自動(dòng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)52.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)52.2 心電模塊的設(shè)計(jì)52.2.1 心電信號(hào)的生理意義52.2.2 心電模塊的電路設(shè)計(jì)72.3 血氧飽和度模塊的設(shè)計(jì)162.3.1 血氧飽和度的生理意義162.3.2 血氧飽和度模塊的電路設(shè)計(jì)172.4 血壓模塊的設(shè)計(jì)202.4.1 血壓的生理意義202.4.2 血壓模塊的電路設(shè)計(jì)212.5 呼吸模塊的設(shè)計(jì)222.5.1 呼吸的生理意義222.5.2 呼吸模塊的電路設(shè)計(jì)232.6 本章總結(jié)23第3章 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)243.1 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議243.1.1 zigbee協(xié)議概述243.1.2 zigbee 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議253.1.3 ieee80

12、2.15.4 簡(jiǎn)介263.1.4 ieee802.15.4 協(xié)議273.2 芯片選擇283.2.1 控制芯片msp430293.2.2 cc2420射頻芯片293.3 硬件電路設(shè)計(jì)313.4 本章小結(jié)32結(jié)論33參考文獻(xiàn)34致謝36附錄1 開(kāi)題報(bào)告37附錄2 文獻(xiàn)綜述41附錄3 中期報(bào)告45附錄4 英文翻譯48附錄5 英文原文53第1章 緒論1.1 課題背景近代迅猛發(fā)展的科學(xué)技術(shù)，已經(jīng)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并且不斷推動(dòng)著這些領(lǐng)域向前發(fā)展。醫(yī)療領(lǐng)域也不例外，在醫(yī)療機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用的醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀是傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)，通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等綜合技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域成功應(yīng)用的體現(xiàn)。監(jiān)護(hù)儀是醫(yī)院不可缺

13、少的重要設(shè)備，它實(shí)時(shí)、連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間地監(jiān)測(cè)病人的重要生命特征參數(shù)，并將獲得的數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)護(hù)人員，以供醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行分析，使得醫(yī)護(hù)人員能夠?qū)Σ∪水?dāng)前的狀態(tài)做出正確判斷，從而對(duì)病人做出正確地處理。醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀的出現(xiàn)，不僅減輕了醫(yī)護(hù)人員的勞動(dòng)量、提高了護(hù)理工作的效率，更重要的是使醫(yī)生能夠隨時(shí)了解病情，當(dāng)出現(xiàn)危機(jī)情況時(shí)可及時(shí)進(jìn)行處理，提高護(hù)理質(zhì)量，從而大大降低病人的死亡率，基于這些突出作用，醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀已經(jīng)成為醫(yī)護(hù)人員診斷、治療和搶救病人的重要設(shè)備1。目前，在監(jiān)護(hù)儀的研制生產(chǎn)中占主要地位的是以美國(guó)、德國(guó)為主的發(fā)達(dá)國(guó)家，相對(duì)而言國(guó)內(nèi)的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的科研、生產(chǎn)與國(guó)際先進(jìn)水平相比還存在一定的差距，產(chǎn)品還不能滿足日益增長(zhǎng)

14、的市場(chǎng)需要。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的監(jiān)護(hù)儀大部分是床旁監(jiān)護(hù)儀，體積大，操作復(fù)雜，只能在醫(yī)院內(nèi)床旁監(jiān)護(hù)，不能移動(dòng)；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，將多臺(tái)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)連接成小型的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)護(hù)，已經(jīng)成為現(xiàn)代化醫(yī)院的一個(gè)重要標(biāo)志。這樣的中央監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，不僅可以顯著減少醫(yī)護(hù)人員數(shù)目，還便于病人資料的匯總和統(tǒng)一管理。尤其是隨著醫(yī)院信息管理的網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的到來(lái)，中央監(jiān)護(hù)系統(tǒng)將成為醫(yī)院信息管理系統(tǒng)的一個(gè)站點(diǎn)2。1.2 監(jiān)護(hù)儀概述及分類(lèi) 醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀能夠?qū)θ梭w的生理參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測(cè)，并且能夠?qū)z測(cè)結(jié)果進(jìn)行儲(chǔ)存、顯示、分析、和控制，出現(xiàn)異常情況時(shí)能夠發(fā)出報(bào)警提醒醫(yī)護(hù)人員及時(shí)進(jìn)行處理。從不同的角度可以對(duì)醫(yī)

15、用監(jiān)護(hù)儀做出不同的分類(lèi)：（1）按儀器構(gòu)造功能分類(lèi)可分為一體式監(jiān)護(hù)儀和插件式監(jiān)護(hù)儀。一體式監(jiān)護(hù)儀具有專(zhuān)用的監(jiān)護(hù)參數(shù)，通過(guò)連線或其它連接管接入每臺(tái)監(jiān)護(hù)儀之中，它所監(jiān)護(hù)的參數(shù)是固定的。而插件式監(jiān)護(hù)儀每個(gè)監(jiān)護(hù)參數(shù)或每組監(jiān)護(hù)參數(shù)各有其一個(gè)插件，使監(jiān)護(hù)儀功能擴(kuò)展與升級(jí)快速、方便。這類(lèi)插件可以根據(jù)臨床實(shí)際的監(jiān)測(cè)需要與每臺(tái)醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀的主機(jī)進(jìn)行任意組合。同時(shí)也可在同一型號(hào)的監(jiān)護(hù)儀之中相互調(diào)換使用。（2）按儀器接收方式分類(lèi)可分為有線監(jiān)護(hù)儀和無(wú)線遙測(cè)監(jiān)護(hù)儀。有線監(jiān)護(hù)儀是通過(guò)導(dǎo)線和導(dǎo)管將所監(jiān)測(cè)病人的數(shù)據(jù)與主機(jī)相連接,而無(wú)線遙測(cè)醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀是對(duì)病人監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)發(fā)射和接收使主機(jī)獲得數(shù)據(jù)。（3）按功能分類(lèi)可分為通用監(jiān)護(hù)儀和

16、專(zhuān)用醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀。通用監(jiān)護(hù)儀就是床邊監(jiān)護(hù)儀，它在醫(yī)院ccu和icu病房中應(yīng)用廣泛，它只有幾個(gè)最常用的監(jiān)測(cè)參數(shù)如心率、心電以及無(wú)創(chuàng)血壓。專(zhuān)用醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀是具有特殊功能的醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀，它主要針對(duì)某些疾病或是某些場(chǎng)所而設(shè)計(jì)和使用的醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀，如手術(shù)監(jiān)護(hù)儀、冠心病監(jiān)護(hù)儀、心臟除顫監(jiān)護(hù)儀、麻醉監(jiān)護(hù)儀腦電監(jiān)護(hù)儀、睡眠監(jiān)護(hù)儀、危重病人監(jiān)護(hù)儀、放射線治療室監(jiān)護(hù)儀、高壓氧倉(cāng)監(jiān)護(hù)儀、24小時(shí)動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀、24小時(shí)動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)護(hù)儀等。（4）按使用范圍分類(lèi)可分為床邊監(jiān)護(hù)儀、中央監(jiān)護(hù)儀和離院監(jiān)護(hù)儀。床邊監(jiān)護(hù)儀將床邊的監(jiān)護(hù)儀與病人連接在一起,對(duì)病人的生理和生化參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并能顯示報(bào)警或記錄。中央監(jiān)護(hù)儀則是由一個(gè)主監(jiān)護(hù)儀與數(shù)臺(tái)

17、床邊監(jiān)護(hù)儀組成，對(duì)多個(gè)被檢測(cè)的對(duì)象的情況進(jìn)行同時(shí)監(jiān)護(hù)。離院監(jiān)護(hù)儀一般是病人可以隨身攜帶的小型電子監(jiān)護(hù)儀，可以醫(yī)院內(nèi)外對(duì)病人的某種生理參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)護(hù)。（5）按監(jiān)護(hù)儀的作用分類(lèi)可分為純監(jiān)護(hù)儀和搶救、治療用監(jiān)護(hù)儀。純監(jiān)護(hù)儀只有監(jiān)護(hù)功能，而搶救、治療用監(jiān)護(hù)儀不僅具有監(jiān)護(hù)功能，還具有搶救和治療功能的監(jiān)護(hù)儀3。1.3 監(jiān)護(hù)儀的發(fā)展現(xiàn)狀及出現(xiàn)的問(wèn)題1.3.1 監(jiān)護(hù)儀的發(fā)展現(xiàn)狀自從1903年發(fā)明第一臺(tái)弦線型心電監(jiān)護(hù)儀后，人們逐漸認(rèn)識(shí)到監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域的重要意義，對(duì)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究開(kāi)始為世界各國(guó)醫(yī)學(xué)界所重視。自20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)出單一功能的監(jiān)護(hù)設(shè)備以來(lái)，監(jiān)護(hù)系統(tǒng)得到了臨床廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入90年代，

18、傳感技術(shù)和電子技術(shù)迅猛發(fā)展，科技的發(fā)展推動(dòng)了各領(lǐng)域科技產(chǎn)品的不斷創(chuàng)新，監(jiān)護(hù)儀也由過(guò)去的單一參數(shù)監(jiān)護(hù)發(fā)展為多參數(shù)監(jiān)護(hù)，并且監(jiān)護(hù)方式也由有線的床邊監(jiān)護(hù)向無(wú)接觸的無(wú)線方式發(fā)展。歐美和日本等國(guó)研制、生產(chǎn)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的歷史較長(zhǎng)，不僅有先進(jìn)的電子設(shè)備為基礎(chǔ)，還投入了大量資金，積累了豐富的臨床應(yīng)用技術(shù)，現(xiàn)在也開(kāi)始向更加智能化和人性化的方向發(fā)展。歐洲和美國(guó)各有一個(gè)研究小組正致力于基于生物信號(hào)綜合解釋方法的臨床數(shù)據(jù)庫(kù)和專(zhuān)家系統(tǒng)的研究，把病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生的連續(xù)數(shù)據(jù)流、化驗(yàn)室的化驗(yàn)結(jié)果、患者的既往病史、當(dāng)前的監(jiān)護(hù)計(jì)劃和藥物療法等眾多信息綜合起來(lái)分析解釋2。1.3.2 存在的主要問(wèn)題醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀在醫(yī)療系統(tǒng)中的作用極為重

19、要，但是有線醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀在實(shí)際應(yīng)用中也存在著很大局限性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)儀大多是有線的床邊監(jiān)護(hù)，這就要求醫(yī)生必須在病人的身邊進(jìn)行監(jiān)護(hù)。在對(duì)病人進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)護(hù)時(shí)，要求病人必須在監(jiān)護(hù)病房?jī)?nèi)且不能自由走動(dòng)，如果病人不是重癥患者，或者正處于恢復(fù)期，本來(lái)可以自由活動(dòng)，卻因?yàn)檫@種傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)方式受到了本不應(yīng)該受到的限制，為其帶來(lái)很大的不便。(2)傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)儀大都功能單一，一般都是監(jiān)測(cè)某一項(xiàng)生命體征，如果要監(jiān)測(cè)病人的多項(xiàng)生命參數(shù)，就必須使用多臺(tái)不同監(jiān)護(hù)儀分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這在臨床應(yīng)用過(guò)程中，也會(huì)帶來(lái)諸多不便。還有，傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀由于體積龐大、攜帶不便、功耗大等點(diǎn)也使得手術(shù)過(guò)程和病房的監(jiān)護(hù)受

20、到局限。(3)國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀設(shè)備技術(shù)較落后，設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性較差。所以，傳統(tǒng)的病房式監(jiān)護(hù)手段已經(jīng)越來(lái)越不能適應(yīng)當(dāng)今多元化、信息化、個(gè)性化的醫(yī)療監(jiān)護(hù)需求7。1.4 課題的研究意義及工作安排對(duì)多參數(shù)無(wú)線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研究也就具有多方面積極的意義。首先，它可以保證醫(yī)護(hù)人員對(duì)患者進(jìn)行監(jiān)護(hù)時(shí)，不必與其近距離接觸，從而使得在對(duì)傳染病患者進(jìn)行監(jiān)護(hù)時(shí)，大大降低了醫(yī)務(wù)人員被傳染的可能性；其次，當(dāng)系統(tǒng)正在對(duì)一些非重癥或處于恢復(fù)期的患者進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)監(jiān)護(hù)時(shí)，患者可以在有效范圍內(nèi)自由活動(dòng)，因而為其帶來(lái)很大方便；還有，系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)患者的多項(xiàng)生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這更加方便對(duì)其進(jìn)行及時(shí)有效的治療處理；此外

21、，從發(fā)展的角度來(lái)看，醫(yī)療監(jiān)護(hù)產(chǎn)品的無(wú)線化、網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展趨勢(shì)，移動(dòng)型和具備無(wú)線聯(lián)網(wǎng)功能的監(jiān)護(hù)產(chǎn)品也將成為未來(lái)市場(chǎng)的主流13。本課題針對(duì)以上需求，旨在研究并設(shè)計(jì)出一種功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多功能自動(dòng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。本文要完成的工作主要有：第1章，緒論，介紹了多功能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究背景、分類(lèi)以及發(fā)展現(xiàn)狀和存在問(wèn)題。第2章，多參數(shù)無(wú)線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，介紹了各模塊的電路設(shè)計(jì)過(guò)程。第3章，無(wú)限通信模塊設(shè)計(jì)，介紹了美國(guó)ieee工作組針對(duì)于lr-wpan(低速個(gè)人無(wú)線區(qū)域網(wǎng))制定的ieee802.15.4 協(xié)議，zigbee標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，cc2420芯片的介紹以及發(fā)送和接收模塊電路的設(shè)計(jì)。最后，

22、在結(jié)論中對(duì)本文設(shè)計(jì)做出總結(jié)，并對(duì)未來(lái)做出了展望。第2章 多功能自動(dòng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要由多生理參數(shù)數(shù)據(jù)采集與處理單元、無(wú)線數(shù)據(jù)通信單元、中央控制和顯示單元組成。系統(tǒng)整體組成框圖如圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)整體組成框圖2.2 心電模塊的設(shè)計(jì)2.2.1 心電信號(hào)的生理意義在正常人體內(nèi)，由竇房結(jié)發(fā)出的一次興奮按一定的途徑和時(shí)程以此傳向心房和心室，引起整個(gè)心臟的興奮。因此，每一個(gè)心動(dòng)周期中，心臟各部分興奮過(guò)程中出現(xiàn)的生物電變化的方向、途徑、次序和時(shí)間都有一定的規(guī)律。這種生物電變化通過(guò)心臟周?chē)膶?dǎo)電組織和體液反映到身體表面上來(lái)，使身體各部位在每一心動(dòng)周期中葉發(fā)生有規(guī)律的生

23、物電變化，即為心電位。若把測(cè)量電極放置在人體表面的一定部位，記錄出來(lái)的心臟電位變化曲線即為臨床常規(guī)心電圖（electrocardiogram，ecg）.隨著心臟的搏動(dòng)，心電圖上出現(xiàn)一組特征性的波形(p，qrs，t及u)，這些波形對(duì)應(yīng)著心臟的基本電活動(dòng)。圖2-2所示是一個(gè)正常狀況下的典型的完整心電波形。圖2-2 典型心電圖心電圖的各個(gè)波、段和間期都有其特殊的生理意義，可作為臨床分析心臟疾病的重要參考資料：p波：是由心房激動(dòng)所致,心臟激動(dòng)源于竇房結(jié)，最先傳到心房，使之激動(dòng)。前一半主要由右心房所產(chǎn)生，后一半主要由左心房產(chǎn)生。是心電中最先出現(xiàn)的波動(dòng)。正常人的p波寬度不超過(guò)0.01 s，最高幅度不超過(guò)2

24、.5 mm。p-r間期：從p波起點(diǎn)到qrs波群起點(diǎn)之間的相隔時(shí)間，代表心房開(kāi)始興奮直到心室開(kāi)始興奮的時(shí)間。p-r 期間隨著年齡的增加而有加大的趨勢(shì)，成人正常范圍在0.12-0.2 s，嬰兒心跳較快者，p-r 間期可能較短。qrs波群：反映左、右心室的電激動(dòng)過(guò)程，稱qrs波群的寬度為qrs時(shí)限。代表全部心室肌激動(dòng)過(guò)程所需要的時(shí)間，正常人最多不超過(guò)0.10 s。s-t段：從qrs波群的終點(diǎn)到t波起點(diǎn)的一段，代表心室肌復(fù)極化緩慢進(jìn)行的階段，正常人的s-t段是接近基線的，與基線的距離通常不超過(guò)0.05mm。t波：代表心室肌復(fù)極化過(guò)程的電位變化。在以r波為主的心電圖上，t波不應(yīng)低于r波的1/10。q-t

25、間期：從q波起點(diǎn)至t波的終點(diǎn)所占的時(shí)間，代表心室去極化和復(fù)極化總共經(jīng)歷的時(shí)間，正常人q-t間期為0.36-0.4 s。 u波：是在t波之后一個(gè)較低的波，u波的方向一般均與t波一致，均是向上的。時(shí)間為0.16-0.2 s3。2.2.2 心電模塊的電路設(shè)計(jì)心電采集調(diào)理電路的主要任務(wù)是將心電信號(hào)從存在強(qiáng)噪聲的背景下提取出來(lái)，并將其放大到適當(dāng)?shù)碾娖教峁┙oa/d 轉(zhuǎn)換電路。該模塊主要包括前置級(jí)放大電路、右腿驅(qū)動(dòng)電路、濾波電路以及末級(jí)放大電路。1、前置級(jí)放大電路心電信號(hào)很微弱，而且在檢測(cè)過(guò)程中存在工頻50hz和極化電壓等多種干擾，均以共模形式存在，幅值可達(dá)心電信號(hào)的十倍甚至數(shù)十倍，因此在設(shè)計(jì)前置放大電路時(shí)

26、，要考慮以下幾個(gè)因素。(1)高輸入阻抗。前級(jí)放大電路的輸入阻抗要大于5m。(2)高共模抑制比。共模抑制比(cmrr)是差動(dòng)放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)。為抑制信號(hào)中所攜帶的共模干擾，生物電放大器的共模抑制比一般要達(dá)到60db到80db。(3)低噪聲、低漂移。高阻抗信號(hào)源本身具有較高的熱噪聲，而輸入信號(hào)的幅值僅在毫伏級(jí)。所以，為了獲得較好的信噪比輸出信號(hào)，應(yīng)選擇低噪聲和低漂移性能較好的運(yùn)算放大器。理想的生物信號(hào)放大器能將外界干擾減弱到放大器固有噪聲的同一數(shù)量級(jí)7。傳統(tǒng)方案采用三運(yùn)放儀表放大器作為生物電信號(hào)的前置放大電路，原理圖如圖2-3所示。圖2-3 三運(yùn)放前置放大電路結(jié)構(gòu)圖a1、a2組成同相并聯(lián)輸入

27、第一級(jí)放大，以提高放大器的輸入阻抗。a3為差動(dòng)放大，作為放大器的第二級(jí)。設(shè)差動(dòng)輸入，第一級(jí)輸出分別為uo1和uo2，根據(jù)a1、a2、a3的理想特性，rf、rw中的電流相等，得到 （2-1）從而導(dǎo)出 （2-2） （2-3）以上兩式相加，得到第一級(jí)放大的輸出電壓 （2-4）第一級(jí)電壓增益為 （2-5）第一級(jí)電路具有完全對(duì)稱形式，這種對(duì)稱結(jié)構(gòu)有利于克服失調(diào)、漂移的影響。選擇a1、a2的性能參數(shù)，使之彼此精確匹配，就可以充分發(fā)揮對(duì)稱電路誤差電壓互相抵消的優(yōu)點(diǎn)。利用電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱、失調(diào)互補(bǔ)的原理，就能獲得低漂移的基本方法。從人體體表拾取的心電信號(hào)一般只有0.05-5mv，頻譜范圍為0.05-100hz。心

28、電信號(hào)正常輸出時(shí)，其幅值約為1mv，而a/d轉(zhuǎn)換器的輸入電平要求達(dá)到1v左右，即心電放大器的放大倍數(shù)約為1000倍，但是，為了提高心電信號(hào)的性能，前置放大電路的放大倍數(shù)不能選擇得太大（一般小于20），否則會(huì)有較大的干擾信號(hào)。所以心電信號(hào)前置放大電路使用了低噪聲、高輸入阻抗、高共模抑制比、高增益和抗干擾能力強(qiáng)的儀表運(yùn)算放大器ad620，以利于采集人體微弱的心電信號(hào)。ad620的外觀圖如圖2-4所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2-5所示。圖2-4 ad620外觀圖 圖2-5 ad620內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ad620的增益是通過(guò)1腳和8腳之間的電阻rg來(lái)調(diào)節(jié)的，可在1-1000倍可調(diào)。增益的計(jì)算公式為:g=49.4k/r

29、g+1為保證患者不受可能的傷害并且前置放大器不工作在截止區(qū)，前置放大器的增益不能過(guò)大，因此設(shè)計(jì)了第一級(jí)的放大倍數(shù)為7倍左右。由ad620構(gòu)成的前置級(jí)放大電路帶右腿驅(qū)動(dòng)電路如圖2-6所示圖2-6 前置級(jí)放大電路帶右腿驅(qū)動(dòng)電路2、右腿驅(qū)動(dòng)電路右腿驅(qū)動(dòng)電路一般從前置級(jí)放大電路的增益調(diào)節(jié)電阻處提取反饋信號(hào)，并將反饋信號(hào)輸入反相放大器的負(fù)端，放大后接到人體右腿。右腿驅(qū)動(dòng)電路可等效為以人體為相加點(diǎn)的共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路，它可以大大降低人體共模電壓的影響，使共模干擾降低到1以下，而不會(huì)損失心電信號(hào)中的有效信號(hào)。典型右腿驅(qū)動(dòng)電路原理電路如圖2-7所示。圖2-7 典型右腿驅(qū)動(dòng)電路原理電路右腿驅(qū)動(dòng)電路的等效

30、電路如圖2-8所示。圖2-8 右腿驅(qū)動(dòng)電路的等效電路從圖2-7等效電路可以求出輔助放大器不飽和時(shí)的共模電壓。高阻輸入級(jí)的共模增益為1，故輔助放大器a3的反相端輸入為 （2-6）由此得 （2-7）因?yàn)?，將式?-7）代入得由此可見(jiàn)，若要使|ucm|盡可能小，即id在等效電阻上壓降小，可以增大2rf/ra值。由于r0在ucm大時(shí)必須起保護(hù)作用，所以其值較大。3、高通濾波電路人體心電信號(hào)頻率為0.03-100 hz，其實(shí)在進(jìn)入主放大電路的不單單是心電信號(hào)，不僅有50 hz 的工頻干擾和高頻干擾信號(hào)還有低頻和直流分量嚴(yán)重影響心電信號(hào)的質(zhì)量，低頻分量和直流分量不僅影響心電信號(hào)的基線漂移，而且影響信號(hào)的后

31、續(xù)處理。為了抑制低頻和直流分量在電路中放大，本課題在進(jìn)入主放大前設(shè)計(jì)了一階高通濾波器，其截止頻率為0.03 hz。本文設(shè)計(jì)的高通濾波電路如圖2-9所示。圖2-9 高通濾波電路其傳遞函數(shù)為： （2-8）參數(shù)的計(jì)算公式為： （2-9） （2-10） （2-11）將數(shù)值代入計(jì)算可得，通帶截止頻率=0.3hz，品質(zhì)因數(shù)q=0.707。通過(guò)electronics workbench 軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，濾波特性如圖2-10 所示。 幅頻特性曲線 相頻特性曲線圖2-10 高通濾波特性圖4、低通濾波電路由于近年來(lái)電磁輻射干擾越來(lái)越嚴(yán)重，所以心電信號(hào)在采集過(guò)程中不僅有50 hz 的工頻干擾和低頻、直流分量的干擾

32、，還有高于100 hz 高頻諧波的嚴(yán)重污染。所以為了得到高質(zhì)量的心電信號(hào)進(jìn)行低通濾波是十分必要的。本設(shè)計(jì)中采用的是二階低通有源濾波器，具體電路如圖2-11 所示。其傳遞函數(shù)為： （2-12）參數(shù)的計(jì)算公式為： （2-13）圖2-11 二階低通濾波電路 （2-14） （2-15）將數(shù)值代入計(jì)算可得，通帶截止頻率=100.2hz，品質(zhì)因數(shù)q=0.71。通過(guò)electronics workbench 軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，濾波特性如圖2-12 所示。 幅頻特性曲線 相頻特性曲線圖2-12 高通濾波特性圖5、雙t陷波電路在心電采集系統(tǒng)中，盡管前置放大電路具有較高的共模干擾抑制能力，但有些工頻干擾是以差模形

33、式進(jìn)入放大器的；還由于包含電極在內(nèi)的輸入回路的不穩(wěn)定等因素，所以前置放大電路輸出的心電信號(hào)中仍然不可避免地混有較強(qiáng)的工頻干擾，為了解決50 hz工頻干擾，在本設(shè)計(jì)中采用的是雙t型的陷波電路，具體的電路如圖2-13 所示。 圖2-13 雙t型的陷波電路雙t有源陷波器的帶阻特性主要取決于兩支路的r、c的對(duì)稱程度，它決定雙t陷波器的陷波點(diǎn)所能衰減到的最低限度。只有保持r、r和r/2之間以及c、c和2c之間的嚴(yán)格對(duì)稱關(guān)系，才能使陷波點(diǎn)頻率處的信號(hào)相互抵消，衰減到零。陷波頻率。此電路是在雙t型有源網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行隔離，使其陷波性能得到明顯改善。同時(shí)，雙t型有源網(wǎng)絡(luò)的r3 和c3 沒(méi)有接

34、地，而是接在輸出端的部分反饋上，適當(dāng)增加q值，不會(huì)影響陷波的穩(wěn)定性,從而改善頻率的選擇性，能把50 hz的工頻干擾抑制。此時(shí)a1、a2都接成跟隨器，所以電路的反饋系數(shù)為： （2-16）可證明陷波器q值為： （2-17）代入數(shù)值得：f=0.95，q=5通過(guò)electronics workbench 軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，特性曲線如圖2-14 所示。圖2-14 頻率響應(yīng)曲線6、末級(jí)放大電路心電信號(hào)的幅度為0.01-5 mv，而前置放大的增益又不能太大，若太大會(huì)使低頻和直流成分放大。因此，在濾除低頻成分的基礎(chǔ)上，心電信號(hào)進(jìn)行再次放大，它的放大倍數(shù)遠(yuǎn)大于前置放大。使其放大倍數(shù)與前置放大倍數(shù)相乘高于1000

35、倍，才能達(dá)到a/d 轉(zhuǎn)換的要求。前置級(jí)放大電路放大倍數(shù)為7，則后級(jí)放大電路放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為143，末級(jí)放大電路如圖2-15所示。圖2-15 末級(jí)放大電路通過(guò)electronics workbench 軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真曲線如圖2-16 所示。圖2-16 仿真曲線2.3 血氧飽和度模塊的設(shè)計(jì)2.3.1 血氧飽和度的生理意義氧是所有生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，血氧飽和度是反映血液含氧量的重要參數(shù)。人體的血液通過(guò)心臟的收縮和舒張脈動(dòng)地流過(guò)肺部，一定含量的還原血紅蛋白(hb)與從肺泡攝取的氧氣結(jié)合變成了氧合血紅蛋白(hbo2)，約98的氧與血紅蛋白結(jié)合成氧合血紅蛋白(hbo2)后進(jìn)入組織。這些氧通過(guò)動(dòng)脈系統(tǒng)

36、一直到達(dá)毛細(xì)血管，然后將氧釋放，維持組織細(xì)胞的新陳代謝。能否充分吸入氧氣，使動(dòng)脈血液中溶入足夠的氧，對(duì)維持生命是至關(guān)重要的。及時(shí)檢測(cè)動(dòng)脈中氧含量是否充分，又是判斷人體呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)是否出現(xiàn)障礙或者周?chē)h(huán)境是否缺氧的重要指標(biāo)7。表示全身氧合狀況的參數(shù)主要有兩種:一為血氧飽和度，二為動(dòng)脈氧分壓。血氧飽和度是血液中氧合血紅蛋白(hbo2)的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白容量的百分比，即血液中血氧的濃度。一般用血液中氧合血紅蛋白(hbo2)占總血紅蛋白的百分比來(lái)表示，即：血氧飽和度與氧分壓有著非常緊密的聯(lián)系。當(dāng)氧分壓在10kpa以下時(shí)，血氧飽和度可較靈敏地反映氧分壓的變化；特別在缺氧情況下氧分壓在8k

37、pa以下時(shí)，氧解離曲線在陡直部，血氧飽和度急劇下降，較氧分壓的下降更為靈敏。因此，監(jiān)測(cè)血氧飽和度可更加迅速而準(zhǔn)確地診斷低血氧癥。2.3.2 血氧飽和度模塊的電路設(shè)計(jì)1、測(cè)量原理血液中的血紅蛋白主要以氧合血紅蛋白(hbo2)和還原血紅蛋白(hb)兩種形式存在，被氧結(jié)合的hb容量占全部可結(jié)合的hb容量的百分比，稱為sp02(血氧飽和度)。血液的光學(xué)特性研究表明，在波長(zhǎng)為600-1000nm的連續(xù)光譜中，hbo2和hb的光吸收系數(shù)存在顯著的差異，如圖2-17所示。圖2-17 hbo2和hb的吸光曲線當(dāng)一定波長(zhǎng)的光束照射到皮膚表面時(shí)，光束將通過(guò)透射或反射方式傳送到光電接收器。在此過(guò)程中由于受到皮膚肌肉

38、和血液的吸收衰減作用，監(jiān)測(cè)器檢測(cè)到的光強(qiáng)度將減弱。皮膚中的非血液成分如脂肪、肌肉、骨骼等由于在心循環(huán)中基本保持不變，所以它對(duì)光的吸收(散射)和衰減作用也保持恒定不變。皮膚中的動(dòng)脈血?jiǎng)t在心循環(huán)中呈周期性脈動(dòng)變化，心臟收縮時(shí)外周血容量最多，動(dòng)脈充盈，光吸收量最大，檢測(cè)到的光強(qiáng)度也最?。欢呐K舒張時(shí)，正好相反，動(dòng)脈收縮，檢測(cè)到的光強(qiáng)度最大。其光吸收如圖2-18所示。血氧飽和度的測(cè)量是以朗伯比爾定律和光散射理論為基礎(chǔ)的，透過(guò)一定濃度溶液的透射光的強(qiáng)度和入射光的強(qiáng)度關(guān)系如下： (2-18)或 (2-19)其中：io、i分別表示發(fā)射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)，c表示某物質(zhì)溶液的濃度，d表示光穿過(guò)溶液的路徑長(zhǎng)度，表示某

39、物質(zhì)的光吸收系數(shù)，d稱為吸光度，顯然只要測(cè)出入射光強(qiáng)io和投射光強(qiáng)i就能方便的得出物質(zhì)濃度c。 圖2-18 光吸收示意圖電路接收的信號(hào)中包含有兩種成分，分別以直流（dc）和交流（ac）的形式存在。根據(jù)朗伯比爾定律，當(dāng)紅光和紅外光通過(guò)手指尖時(shí)，由于心臟搏動(dòng)引起血管舒張，光程路徑d 產(chǎn)生一個(gè)d 的變化量從而引起紅光和紅外光的透射光i 產(chǎn)生一個(gè)i 的變化，所以它們吸光度的變化量d為： (2-20)考慮到透射光中交流成分占直流量的百分比遠(yuǎn)小于1，則 (2-21)設(shè)d1、d2分別是波長(zhǎng)為1、2的光通過(guò)物質(zhì)時(shí)的吸光度，cj（j=1,2）為物質(zhì)的濃度，ji表示物質(zhì)j對(duì)于i的吸收系數(shù)，當(dāng)22=21時(shí)有 (2-

40、22)將式（2-21）代入（2-22）得： (2-23)該模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-19所示。圖2-19結(jié)構(gòu)框圖2、光源驅(qū)動(dòng)電路光源驅(qū)動(dòng)電路如圖2-20所示：圖2-20 光源驅(qū)動(dòng)電路由單片機(jī)控制發(fā)出高低電平的輸入，當(dāng)u1為高電平u2為低電平時(shí)led1發(fā)光led2不亮，當(dāng)u2為高電平u1為低電平時(shí)led2放光led1不亮。3、電壓電流轉(zhuǎn)換電路光敏二極管的特性是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流，而隨后的a/d轉(zhuǎn)換電路是以電壓為檢測(cè)對(duì)象。因此，接收電路中應(yīng)采用電流電壓變換電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。光敏二極管受光照產(chǎn)生的光生電流i與普通二極管的電流方向相反，i與受光光強(qiáng)的變化成正比，光敏管工作在零偏狀態(tài)下。運(yùn)算放

41、大器與電阻r形成電流電壓變換電路，如圖2-21所示13。圖2-21光敏二極管的電壓電流轉(zhuǎn)換電路電容c的作用是改變相移、防止自激，同時(shí)r和c又形成低通濾波器，抑制高頻干擾。光敏電流的頻率為100 hz，為保證rc組成的濾波電路不會(huì)造成電流信號(hào)的失真，其截止頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于100hz。綜合考慮系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)要求，這里r1=51k，c=0.01u，截至頻率為312hz。2.4 血壓模塊的設(shè)計(jì)2.4.1 血壓的生理意義血壓是人體重要的生理指標(biāo)之一，人體依靠心臟向全身輸送血液來(lái)維持生命。為此，心臟將反復(fù)地收縮和舒張，這時(shí)從心臟送出的血液的壓力即為“血壓”。在心臟的每一次收縮與舒張過(guò)程中，血流對(duì)血管壁的壓力也

42、隨之變化，分別以收縮壓和舒張壓表示。當(dāng)心室收縮向動(dòng)脈泵血時(shí)，血壓升高，其最高值為收縮壓。，心室舒張時(shí)，血壓降低，其最低值為舒張壓。正常人在運(yùn)動(dòng)和情緒激動(dòng)時(shí)血壓會(huì)有一定限度的升高。一般來(lái)講收縮壓高低主要與心輸出量多少有關(guān)，運(yùn)動(dòng)時(shí)心輸出量增加，收縮壓升高。舒張壓則主要與血流阻力，特別是與小動(dòng)脈口徑有關(guān)。如果小動(dòng)脈收縮，口徑縮小，血流阻力就加大，則舒張壓升高。正常情況下成人的收縮壓為90130mmhg，舒張壓為6090mmhg，脈壓差為3040 mmhg，平均壓為舒張壓+1/3(收縮壓-舒張壓)：血壓過(guò)低或過(guò)高都是疾病的征象。動(dòng)脈血壓是估計(jì)心血管功能的最常用方法，與心排除量和外周血管阻力有直接關(guān)系，

43、及時(shí)和準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)動(dòng)脈血壓，對(duì)于了解病情、指導(dǎo)心血管疾病的治療和保障危重病人的安全具有重要的意義。2.4.2 血壓模塊的電路設(shè)計(jì)目前，可用于構(gòu)成無(wú)創(chuàng)自動(dòng)血壓測(cè)量的方法有好幾種，如柯氏音法、測(cè)振法和光電法等。與其它方法相比，測(cè)振法有較強(qiáng)的抗干擾能力，能比較可靠地測(cè)定血壓值，因此是目前世界上自動(dòng)血壓測(cè)量?jī)x器中使用得較普遍的一種無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量方法。它能同時(shí)檢測(cè)出收縮壓、舒張壓、平均動(dòng)脈壓和脈率。我們采用的血壓模塊采用了測(cè)振法。該模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-22所示。圖2-22 血壓模塊結(jié)構(gòu)框圖氣路部分由一個(gè)氣泵電路和一個(gè)氣閥電路組成，主要完成對(duì)袖帶的充氣(加壓)及放氣(減壓)工作。氣泵電路如圖2-23所示。圖

44、2-23 氣泵控制電路測(cè)試時(shí)，由單片機(jī)控制下的氣泵電路和氣閥電路快速充氣，臺(tái)階放氣，最后再快速放氣。袖套內(nèi)的壓力是靜壓和脈搏波信號(hào)的疊加，壓力傳感器把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后送放大器，輸出端電壓在0-5 v之間。路經(jīng)過(guò)低通濾波器后作為袖套靜壓信號(hào)，這是一個(gè)接近直流的信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換，并根據(jù)放氣過(guò)程中脈搏波的振幅變化確定平均壓，再確定收縮壓和舒張壓，測(cè)試結(jié)果超出報(bào)警限度時(shí)，由揚(yáng)聲器發(fā)出聲報(bào)警。2.5 呼吸模塊的設(shè)計(jì)2.5.1 呼吸的生理意義人體與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的總過(guò)程，稱為呼吸。通過(guò)呼吸，人體不斷地從外界環(huán)境攝取氧，以氧化體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，供應(yīng)能量和維持體溫；同時(shí)將氧化過(guò)程中產(chǎn)生的co2

45、排出體外，以免co2過(guò)多擾亂人體機(jī)能，從而保證新陳代謝的正常進(jìn)行。所以，呼吸是人體重要的生理過(guò)程，對(duì)人體呼吸的監(jiān)護(hù)檢測(cè)也是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。呼吸信號(hào)不僅僅局限于呼吸頻率、呼吸節(jié)律、動(dòng)脈血?dú)庖约捌胀ㄐ仄瘸Ｒ?guī)項(xiàng)目，更受到重視的是，能確切反映患者通氣/氧合狀況并能指導(dǎo)機(jī)械通氣治療參數(shù)調(diào)節(jié)和臨床用藥的指標(biāo)。2.5.2 呼吸模塊的電路設(shè)計(jì)在呼吸模塊的設(shè)計(jì)中采用熱敏電阻測(cè)呼吸的方法，用熱敏電阻做傳感器，直接測(cè)量呼吸氣流，檢測(cè)電路比較簡(jiǎn)單，將熱敏電阻置于鼻孔下方，根據(jù)熱敏電阻的阻值變化，就可以得到鼻部呼吸存在與否的開(kāi)關(guān)信號(hào)。測(cè)量電路圖如圖2-24所示。圖2-24 呼吸測(cè)量電路圖電路由一個(gè)

46、電橋和一個(gè)運(yùn)放組成，當(dāng)呼吸氣流流過(guò)熱敏電阻時(shí)改變了傳熱條件，使熱敏電阻的溫度隨呼吸氣流周期放生變化，從而使熱敏電阻的組織發(fā)生周期性的變化。經(jīng)過(guò)電橋又將這一變化轉(zhuǎn)化成與呼吸周期同步的電壓信號(hào)，經(jīng)放大給后期的處理電路。圖中r3、r4為標(biāo)準(zhǔn)電阻，且r3=r4；r2為調(diào)零電阻，使用前調(diào)解r4使它與熱敏電阻值相等，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出為零。r1是用來(lái)調(diào)整電橋靈敏度的。2.6 本章總結(jié)本章重點(diǎn)討論了各生理信號(hào)的生理意義進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對(duì)生理參數(shù)的測(cè)量模塊進(jìn)行了分析研究，給出了各模塊的硬件電路并用electronics workbench 軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，本文取得了較好的測(cè)量結(jié)果，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)

47、。第3章 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)3.1 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 2000年12月ieee(美國(guó)電氣與電子工程師學(xué)會(huì))成立了ieee802.15.4工作組，致力于定義一種適用于固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的復(fù)雜度低、成本低和功耗低的低速率無(wú)線連接技術(shù)zigbee技術(shù)。zigbee是一種低速率、低功耗、短距離無(wú)線接入技術(shù)，是為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。與其他無(wú)線協(xié)議相比，zigbee無(wú)線協(xié)議實(shí)現(xiàn)了低復(fù)雜性和減縮資源的要求，并且提供了一組標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。它提供了三個(gè)工作頻帶，以及一些網(wǎng)絡(luò)配置和可選的安全性能，是為低速率控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。zigbee技術(shù)并不是完全獨(dú)有的全新標(biāo)準(zhǔn)，它的物理層、介

48、質(zhì)層和鏈路層采用了ieee802.15.4(無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng))協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和發(fā)展。此外它的網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會(huì)聚層和高層應(yīng)用規(guī)范(api)由zigbee聯(lián)盟進(jìn)行了制定14。3.1.1 zigbee協(xié)議概述 隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們提出了在自身附近幾米范圍內(nèi)通信的要求，這樣就出現(xiàn)了個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(personal area network，pan)和無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(wireless personal area network wpan)的概念。wpan網(wǎng)為近距離范圍內(nèi)的設(shè)備建立無(wú)線連接，把幾米到幾十米范圍內(nèi)的多個(gè)設(shè)備通過(guò)無(wú)線方式連接在一起，使他們可以相互通信甚至接入lan或者in

49、ternet，2001年8月成立的zigbee聯(lián)盟就是一個(gè)針對(duì)wpan網(wǎng)絡(luò)而成立的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。該聯(lián)盟致力于近距離、低速率，低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。他們開(kāi)發(fā)的技術(shù)被稱為zigbee技術(shù)，該技術(shù)希望被部署到商用電子、住宅及建筑自動(dòng)化、工業(yè)設(shè)備監(jiān)測(cè)、pc外設(shè)、醫(yī)療傳感設(shè)備，玩具以及游戲等其他無(wú)線傳感和控制領(lǐng)域當(dāng)中。zigbee聯(lián)盟已于2005年6月27日公布了第一份zigbee規(guī)范“zigbee specificationv1.0”，這標(biāo)準(zhǔn)定義了在ieee802.15.4物理層和標(biāo)準(zhǔn)媒體接入控制層上的網(wǎng)絡(luò)層及支持的應(yīng)用服務(wù)。zigbee聯(lián)盟的長(zhǎng)期目標(biāo)是能夠建立基于互操作平臺(tái)和配置文件的可伸縮和低成本嵌入

50、式基礎(chǔ)架構(gòu)。在wpan中有三種網(wǎng)絡(luò)角色：pan網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器和設(shè)備，這三種角色在zigbee規(guī)范中分別對(duì)應(yīng)zigbee協(xié)調(diào)器、zigbee路由器和設(shè)備。pan網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以看作是一個(gè)pan的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。它是網(wǎng)絡(luò)建立的起點(diǎn)，負(fù)責(zé)pan網(wǎng)絡(luò)的初始化，確定pan的id號(hào)和pan操作的物理信道并統(tǒng)籌短地址分配。協(xié)調(diào)器在加入網(wǎng)絡(luò)之后獲得一定的短地址空間。在這個(gè)空間內(nèi)，他有能力允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并分配短地址。當(dāng)然協(xié)調(diào)器還具備路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。pan協(xié)調(diào)器和協(xié)調(diào)器按周期發(fā)出信標(biāo)幀(beacon frame)，pan協(xié)調(diào)器必須是全功能設(shè)備(ffd)。精簡(jiǎn)功能(rfd)設(shè)備是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的子結(jié)點(diǎn)，它只能與

51、它的父節(jié)點(diǎn)通信，也沒(méi)有加入其他任何節(jié)點(diǎn)的能力。節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以是全功能設(shè)備(ffd)或精簡(jiǎn)功能設(shè)備(rfd)，隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，許多本來(lái)存在的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)逐漸走向成熟?？傊?，zigbee技術(shù)是一種低速率無(wú)線傳輸技術(shù)，它基于ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率為868 mhz、915 mhz和2.4 ghz，其中2.4 ghz是一個(gè)開(kāi)放的頻率。由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低并且采用了休眠模式，zigbee技術(shù)可以確保用兩節(jié)五號(hào)電池支持節(jié)點(diǎn)工作長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的時(shí)間。當(dāng)然不同的應(yīng)用功耗是不同的，該技術(shù)的突出特點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)單，電池壽命長(zhǎng)，有組網(wǎng)能力，可靠性高以及成本低；由于采用了碰撞避免機(jī)

52、制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。mac層可以采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。3.1.2 zigbee 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層需要提供保證mac子層正確操作的函數(shù)，并為應(yīng)用層提供服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層為應(yīng)用層提供了兩種服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)實(shí)體(nlde)和管理實(shí)體(nlme)的接口。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體(nwk layer data entity，nlme)通過(guò)nlde-sap提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體通過(guò)nlme-sap提供管理服務(wù)。同時(shí)，nlme利用nlde來(lái)完成一些管理任務(wù)，同時(shí)它負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)庫(kù)(nib)。nwk層

53、是位于mac層之上與apl層交互的一個(gè)協(xié)議層。網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)是通過(guò)正確操作鏈路層提供的功能來(lái)向應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了與應(yīng)用層交互，網(wǎng)絡(luò)層邏輯上包含兩個(gè)服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體(nlde)和管理服務(wù)實(shí)體(nlme)。zigbee規(guī)范定義的nwk層協(xié)議，提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)(nlde)和管理服務(wù)(nlme)。其中nlme-sap是nwk層提供給apl的數(shù)據(jù)打包成應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元，并將其傳輸給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的nwk層；或者將接收到的應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元進(jìn)行解包，并將解包后得到的數(shù)據(jù)傳送給本節(jié)點(diǎn)的apl層。也就是說(shuō)nlde-sap實(shí)現(xiàn)兩個(gè)apl層之間的數(shù)據(jù)傳輸。nlme-sap是nwk層給apl層提供的管理服務(wù)接口；nlde-sap是nwk層提供給apl層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口。mcps-sap 是由mac層提供給nwk層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口；mlme-sap是mac層提供給nwk層的管理服務(wù)接口。nlde需要提供一種數(shù)據(jù)服務(wù)來(lái)滿足應(yīng)用程序在兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備間傳輸應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)。這些設(shè)備必須屬于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)16。3.1.3 ieee802.15.4 簡(jiǎn)介ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)低速無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(low-rate wireless personal area network，lr-wpan)，把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)，旨在為個(gè)人或