便攜式多功能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

　　心電

　　由于心電信號非常微弱，頻率在0.1~20Hz幅值在1mv左右，屬于一種低頻低幅信號。我們選擇的是INA331，具有高信噪比，高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲低漂移的儀表放大器。由于工頻干擾通過差模形式進(jìn)入放大器，所以其中夾雜著較大的50Hz工頻干擾，需要增加50Hz陷波器。50Hz陷波器通過雙T網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，實現(xiàn)對50Hz信號大于30dB的衰減并且對20Hz以下的低頻信號無衰減。由于其中混雜著高頻干擾信號，需要經(jīng)過二階低通濾波器對20Hz以上的信號進(jìn)行濾波。以100Hz的速度進(jìn)行采樣，再通過數(shù)字濾波算法調(diào)整基值及數(shù)字濾波，再將處理過的信號通過點陣式LCD屏幕顯示。電路結(jié)構(gòu)如圖5。

　　心電信號屬于低頻小信號，幅值小于1mV。需要前置放大電路有較高的增益，高輸入阻抗(2M以上)和高共模抑制比(60dB以上)和很低的噪聲(10mVpp以下)及低漂移和合適的通頻帶寬度和動態(tài)范圍。極化電壓是由于電極和皮膚接觸形成的半電池產(chǎn)生的直流電壓，其幅值約為幾毫伏至幾百毫伏不等。國標(biāo)中對極化電壓的要求為小于300mV，遠(yuǎn)大于心電信號，由于極化電壓的存在導(dǎo)致前級放大倍數(shù)不能太高以防止飽和，而差分儀表放大器的共模抑制比是和放大倍數(shù)有關(guān)的，所以導(dǎo)致心電信號的前級放大電路需要增益和共模抑制比之間做出平衡。如圖6所示，LA為左臂導(dǎo)聯(lián)信號，RA為右臂導(dǎo)聯(lián)信號。LL為左腿導(dǎo)聯(lián)信號，左腿驅(qū)動電路可以有效防止位移電流的干擾。人體的位移電流將不再流入地，而是流向輔助放大器的輸出。當(dāng)患者和地之間存在很高的電壓時導(dǎo)致放大器飽和以防止患者受傷。當(dāng)輸入的信號幅值過大超過Vref時，放大器停止工作。經(jīng)過差分放大后還需要經(jīng)過二級放大濾波，提取出較好的心電信號。

　　血氧

　　采用光譜法進(jìn)行無創(chuàng)血氧的測量和計算，人體中的氧主要集中在血紅細(xì)胞中，由于含氧血紅細(xì)胞和還原血紅細(xì)胞對紅光和紅外光的吸光度差別很大，由于人體靜脈和體表在同一位置對光的吸收度一定，所以通過手指的紅光和紅外光會存在直流分量，由于動脈血的流動出現(xiàn)交流分量。由于光電池受到光刺激轉(zhuǎn)換成的是電流信號，需要增加跨導(dǎo)放大器將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。再經(jīng)過工頻陷波器和二階低通濾波器，得到完整性較好的血氧信號。將波長660nm紅光和940nm的紅外光以1ms的速度切換，中間間隔1ms的時間使紅光和紅外光管都不發(fā)光，將采樣數(shù)據(jù)存儲起來，在計算時將數(shù)組序號除以4取余，將與為1的點提取出來組成紅光的波形，再將余為3的點提取出來組成紅外光的波形，將余為0和2的點取出來，分別讓紅光波形與紅外光的波形減去余為0和2組成的新數(shù)組，以減小外部光源對信號的干擾。經(jīng)過處理分析將接收端的直流量和交流量分別算出，計算出吸光度R，通過最小二乘法和曲線擬合法來確定血樣計算公式中的各個系數(shù)。電路如圖7所示。

　　驅(qū)動電路由四個三極管組成，I/O1和I/O2分別為占空比百分之二十五，相位相差180度的方波信號，分別控制紅光和紅外光二極管發(fā)光。DAC1和DAC2起著控制電流的作用，根據(jù)發(fā)光管的額定工作電流確定驅(qū)動電流的大小。一般為20多個毫安。通過產(chǎn)生1KHz的方波信號。時序是紅光開紅光關(guān)紅外光開紅外光關(guān)。

　　血氧探頭中的光接收器是由光電池完成的，光電池可以有效的把接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電流信號。將轉(zhuǎn)換的電流通過跨導(dǎo)放大器將電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，需要采用低噪放大器。反饋電阻和反饋電容的值的大小需要根據(jù)發(fā)光二極管的內(nèi)阻和內(nèi)電容來確定。將放大之后的信號含有1V左右的直流信號和30MV左右的交流信號，將信號通過ADC轉(zhuǎn)換器輸入系統(tǒng)，并經(jīng)過數(shù)字直流跟隨濾波器提取直流分量輸入系統(tǒng)。電路圖如圖8所示。

　　其他單元

　　呼吸：目前對呼吸的測量最常用的是阻抗測量法。在呼吸過程中，胸腔的阻抗會隨著呼吸的變化而變化。將高頻脈沖信號加到胸腔上，由于呼吸的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于脈沖的頻率，使得高頻脈沖的幅值隨著胸腔阻抗的改變而改變。將被高頻信號調(diào)制之后的呼吸信號經(jīng)過帶通濾波器，濾除不在0.05Hz到10Hz內(nèi)的干擾信號，再通過的ADC采進(jìn)系統(tǒng)，得到呼吸信號的原型。將幅值變化的包絡(luò)線計算出來，進(jìn)而可以計算出胸腔阻抗的變化。

　　體溫：體溫信號相比于其他生理參數(shù)，其干擾較少，波形平滑且易于處理，所以采用傳感器DS18B20可通過一根數(shù)據(jù)線獲得與溫度相關(guān)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，采進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行處理，獲得被測體征的溫度參數(shù)。