心臟監(jiān)護儀范小明

心臟監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計——TheDesignofCardiacMonitor：開題在醫(yī)院或者大型診所，心電圖機可以為患者提供心電描述和心臟的病情診斷。較完整的心電描跡和自我判斷功能為心電圖機在醫(yī)療行業(yè)獲得了很好的應(yīng)用?？墒?，更多的患者需要更為輕巧、成本更為低廉的小型心臟監(jiān)護儀（CardiacMonitor）,期望它能夠隨時檢測患者的心率，并給出一定的警示功能。而這些是大型心電圖機所不能滿足的?；谏鲜龅膬?yōu)點，小型心臟監(jiān)護儀可以在家庭、野外、出差時隨時監(jiān)測患者的心率變化情況。期待中的心臟監(jiān)護儀應(yīng)該具備以下的功能和優(yōu)點：一：較為準(zhǔn)確的心率監(jiān)測和顯示系統(tǒng)二：能夠?qū)崟r判斷患者的心率正常與否三：體積小，重量輕，能夠隨身攜帶四：成本不能太高實現(xiàn)設(shè)計的難點在于心電信號的采集、處理和單片機心率的計數(shù)。這些構(gòu)成了心電監(jiān)護儀的核心內(nèi)容。二：心電信號的特點所檢測心電信號的特點：1：頻率較低，不大于250Hz（主要頻率集中在100Hz以下）2：P波幅度不超過0.25mVR波幅度在1?4mV之間3：信號采集時若采用導(dǎo)聯(lián)方式，兩根輸入線的信號有較大的共模電壓信號4：常人心跳每分鐘約60?100次/分，當(dāng)心率v=50次/分時屬于心率過緩，心率＞=120次/分時屬于心率過快三：方案的理論設(shè)計I：信號采集端：（方案比較一）采集心電信號有多種方法，但目前比較有實用價值并且容易產(chǎn)品化的有脈搏檢測和導(dǎo)聯(lián)輸入兩種。1、脈搏檢測采用光電式脈搏傳感器的工作方式。人體肌肉組織容易透射光線，但由于血液對光線的吸收作用，光照在一般人體組織中穿透性要比在血液中大幾十倍。

如左圖所示：測量時將拇指放入光電傳感器內(nèi)，光源發(fā)出的光透射過拇指時，由于手指血管容積會隨著心臟搏動而變化，致使光敏二極管的電流作周期性變化，從而通過電流達(dá)到測量心率的目的。S2光電式脈押推感韜療理囲可是，脈搏式傳感器的工作方式?jīng)Q定了它的缺陷。過于依靠手指血管的容積來獲得周期性的電流容易造成誤差，并且相對于導(dǎo)聯(lián)采集所用的器材來說，光電脈搏傳感器價格昂貴效果卻不一定好。2、導(dǎo)聯(lián)輸入方式現(xiàn)在是國際上通用的心電信號獲取方式，自創(chuàng)立以來百余年發(fā)展很快，已經(jīng)成為醫(yī)院的心電圖機和心電儀信號采集的主要方式。相對于光電式脈搏傳感器而言，它直接獲取心電信號，結(jié)構(gòu)簡單，容易操作，誤差較小，成本低廉。鑒于此，本設(shè)計方案的心電信號的提取采用導(dǎo)聯(lián)輸入法。II:心率計的軟硬件實現(xiàn)方法（方案比較二）1、閾值比較輸出高低電平法 （教材P265）心電信號經(jīng)過閾值檢測器形成0和1的高低電平之后，通過單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器延時措施實現(xiàn)“有信號時間”加倍，再通過高頻的時鐘脈沖求與，使心動周期間隔中產(chǎn)生“密集”的時鐘脈沖，再而計算脈沖數(shù)即可以導(dǎo)出心動周期。接著將數(shù)字信號通過可變阻的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和電流/電壓轉(zhuǎn)換器形成與心率成正比的電壓輸出，這樣的一系列過程可以產(chǎn)生較好的心率計數(shù)器。但是，對于輕便的心臟監(jiān)護儀來說，這樣的硬件流程也存在一些不足之處。最重要的一點是硬件環(huán)節(jié)頗多，調(diào)試?yán)щy。同時，還可以看到，在通過閾值檢測器時直接將信號轉(zhuǎn)化成單一的高低電平注定了要產(chǎn)生較大的誤差。因為采集信號的過程中，QRS波并非理想狀況，很可能在QR波段上升和RS波段下降過程中產(chǎn)生回降的現(xiàn)象，如下圖所示：由于QRS波段持續(xù)時間是0.06?0.10s,即60000us-100000us.而閾值檢測器產(chǎn)生的高電平時間僅僅持續(xù)10us。若出現(xiàn)波段回降現(xiàn)象，很可能造成10us高電平過后不久(同一個QRS波段)又產(chǎn)生一個高電平段從而對心動周期和輸出電壓的計算產(chǎn)生誤差。對于此種心電現(xiàn)象，國際計算機醫(yī)學(xué)領(lǐng)域構(gòu)想了很多種的軟件算法來判斷QRS波段。對于小型心電監(jiān)護儀來說僅作參考，我們列述于后。2、單片機和ADC實現(xiàn)法放大后的心電信號通過ADC0809的采樣通道進入模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。與閾值檢測不同的是，產(chǎn)生的數(shù)字信號由00H(0V)?FFH(5V)的256個離散數(shù)字描述，判斷QRS波峰精確度高，可以直接存儲在51系列單片機內(nèi)存中。相對于前一種方案，單片機實現(xiàn)法芯片集成化，電路構(gòu)造簡單、容易調(diào)試，性價比高；數(shù)據(jù)存取方便、軟件算法多變，基本滿足各種QRS波段的檢測算法。對于心臟監(jiān)護儀來說，無疑是最合適的。四：硬件線路設(shè)計硬件流程圖:信號采集—前置放—、高通、放大 低通、二級放大 &ADC轉(zhuǎn)換一＞CPUA.前端信號采集環(huán)節(jié)教材已經(jīng)證明，差動輸入和三運放的儀用放大器具有較高的共模抑制比，并且滿足低噪聲、較低放大倍數(shù)、輸入阻抗高的優(yōu)點。前置放大器(PreAmplifier)作為信號采集端，電子線路連接如圖所示：參數(shù)特點：1參數(shù)特點：1、增益 25.42、共模抑制比86dBA、高通濾波和一級放大環(huán)節(jié)設(shè)計特點：1、高通截止頻率： 0.5Hz 2、一級放大增益：7.23、高通濾波時采取兩級RC無源濾波網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的目的在于使得高通濾波更可靠和徹底B、低通濾波和二級放大環(huán)節(jié)心電信號頻譜比較寬，從直流到250Hz都有可能存在頻譜。但是，常人正常情況下的P波、QRS波、T波等的頻率卻在100Hz以下，因此，為了濾得較為干凈的心電信號同時排除噪聲，低通濾波的截止頻率定在100Hz。有源濾波器

較之RC濾波網(wǎng)絡(luò)而言，衰減速率較快，因此采取了有源濾波的方式。放大器增到此為止，模擬電路設(shè)計部分完成。心電信號經(jīng)過這些環(huán)節(jié)之后在進入益7.2。53BC211V-0.p3.3uLM324ti1k.Fjf.Wr-&.2k4益7.2。53BC211V-0.p3.3uLM324ti1k.Fjf.Wr-&.2k4----U-1OAC.1.II—0\1u-51k—vw-14.7kAD轉(zhuǎn)換之前頻率位于0.5Hz?100Hz之間，幅度放大倍數(shù)約1200倍，即幅值在1.2V?4.8V之間正好滿足AD轉(zhuǎn)化的電壓值。D：心率計算和處理環(huán)節(jié)的軟硬件實現(xiàn)數(shù)碼管顯示AECG^=> ADC080951系列ECG^=> ADC080951系列CPU警告裝置ADC0809轉(zhuǎn)換器分辨率8位，典型轉(zhuǎn)換時間100us,單一+5V供電，輸入范圍0?5V。將模擬通道的電壓輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸入后，通過EOC信號通知CPU并請求中斷。當(dāng)將心電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進入CPU后，利用T0（T1）作為計數(shù)器開始計算時間。信號處理過程和算法如下：首先是如何判定QRS波峰的到來以確定新周期的開始。采用的方法是:預(yù)先在8051的某個地址如R7中設(shè)定某個值閾作為判定波峰到來的依據(jù)，若此刻從ADC轉(zhuǎn)換輸入的信號值（暫存于R0）低于設(shè)定值，則認(rèn)為心電信號正在持續(xù)，若出現(xiàn)一個高于閾值的信號，則判定此刻出現(xiàn)了QRS波峰，一個周期開始到來。使某個計數(shù)單元（R1）值加一。由于波形有升有降，以后0.1s左右的時間內(nèi)（QRS波持續(xù)時間）波值必定一直大于閾值，因此判定完第一個信號后調(diào)用延時子程序使判斷的主程序停頓0.1s左右，然后再進行判斷新周期的信號。這樣就避免了在QRS波期間反復(fù)計數(shù)造成周期計數(shù)嚴(yán)重錯誤。當(dāng)計到第三個周期到來后，利用中值法計算心率：三個周期時間花費時間為t（單位轉(zhuǎn)化成sec），則依據(jù)這段時間內(nèi)的心率可以推斷一分鐘內(nèi)心率為：f=180/t次/分。將計算出來的結(jié)果與兩個設(shè)定值進行比較，低于50次/分為心率過緩，高于120次/分為心跳過速。根據(jù)情況由CPU發(fā)出不同的警告信息如（紅、綠燈亮，或者蜂鳴器警告聲響。） +Vcc -TLTLTL：：q：：：：： Q2N3.904

一次處理完畢之后，將有關(guān)地址值清零開始新一輪的計時、判斷和計數(shù)。當(dāng)然如果需要可以將數(shù)據(jù)保存或者數(shù)字示波器顯示波形，這都是很容易做到的，在此我們略過不表。如下為軟件流程圖：8051CPU軟件流程圖如下:（計BJST0）（計BJST0）單元初始化:〔周期累加地址R1>通過IQ口發(fā)送-劇轉(zhuǎn)換值，存于〔周期累加地址R1>通過IQ口發(fā)送-劇轉(zhuǎn)換值，存于RD A.低頻骯沖至蜂鳴器（與闌值瞬一二、 z<CR0>FO<FL?〔心率過低嗎？）（波峰到來）Y〔心率過高嗎？）（波峰到來）Y〔心率過高嗎？）一―YFO>FH?R1+1（周期數(shù)累加）延時子程序Rl=3?R1+1（周期數(shù)累加）延時子程序Rl=3?讀取TD值，計算心率FO通過IQ口發(fā)送高頻脈沖至蜂鳴器（連續(xù)三個周期）發(fā)送至數(shù)碼管顯示五：項目總結(jié)和心得經(jīng)過了方案比較、電路設(shè)計和軟件算法的構(gòu)思后，整個項目的輪廓顯現(xiàn)出來。已經(jīng)設(shè)計好的部分是未來產(chǎn)品的核心，我們盡了最大努力來完成這個目標(biāo)，可以說具備相當(dāng)多的優(yōu)點。我們也一直在接近這個目標(biāo)：由學(xué)生能夠完成產(chǎn)品化的設(shè)計——這也是我們項目的最大優(yōu)點，依照同學(xué)們現(xiàn)有的知識，完全可以作出成功的產(chǎn)品。當(dāng)然，在設(shè)計過程中，我們也有意識地回避了一些問題，但是可以明白的是，這些不是重點，比如說數(shù)碼管的顯示，只不過為了保證設(shè)計的核心性跳過不講罷了，完全很容易實現(xiàn)，還有諸如8051與ADC0809的連接問題、延時子程序的實現(xiàn)等。到此為止，小型心電監(jiān)護儀的理論設(shè)計完成，這是小組成員在已有的電