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1、1,数字化医疗仪器,第五章 数字化医学仪器应用实例,2,5.1 传感采集接口的设计,5.1.1 数据传感采集接口概述 人体的各种物理量（生物电位，心音，体温，血压等）需用传感器将其变成电信号，经由诸如放大，滤波，干扰抑制，多路转换等信号检测及预处理电路，将模拟量的电压或电流送 A/D 转换，变成数字量，供计算机处理。,传感器采集接口框图,3,5.1.2 信号源与数据采集电路间的接口电路,一、心电信号放大器 1.保护电路,4,氖管NH0-10将输入电压限制在6070V范围，再有稳压管限制在67V范围。形成二级保护。 1000PF 为高频旁路电容,10K电阻为限流电阻。 2.抗共模干扰电路 共模干
2、扰就是同时叠加在两条被测信号线上的外界干扰信号，因屏蔽引线的分布电容不完全相等而引起。 抑制共模干扰的措施： （1）利用双端输入的运放作为前置放大器，抑制共模干扰。 （2）利用隔离放大器，变压器或光电耦合器将信号源和仪器 隔离，使两个地之间没有直接的导通回路。 （3）利用浮地输入双层屏蔽放大器。,5,数字电压表的共模干扰,6,数字电压表的串模干扰,7,串模干扰 它是有外界条件引起的，叠加在被测电压上的干扰信号，并通过测量仪器的输入端，与被测信号一起进入测量仪器而引起的测量误差。串模干扰主要来自于高压输电线所产生的空间电磁场。 抑制串模干扰的措施： （1）采用滤波器 双T滤波器，低通滤波器等。
3、（2）选择器件 采用双积分型的 A/D 器件。积分周期要等于工频周期的整数倍。 （3）电磁屏蔽 除进行电磁屏蔽外，应选用带有屏蔽层的双绞线或同轴电缆作信号线。,8,3.三运放输入电路,9,公式计算： 设 R1=R2；R3=R4；R5=R6 Vo1-Vo2=IG（2R1+RG）； Vi1-Vi2=IGRG； 故 Vo1-Vo2= （Vi1-Vi2)(2R1+RG)/RG AV1=(2R1+RG)/RG=1+2R1/RG 而AV2= - R5/R3 所以总差模增益 AV=AV1*AV2= - (1+2R1/RG)R5)/R3 AV= - 60 而总共模增益AVM=AVM1*AVM2=1*0=0 三
4、运放电路特点为: 高输入阻抗; 高共模抑制比CMRR; 改变RG 可调节放大倍数。,10,4.中间级放大电路,11,运放 A5 提供整个电路输出信号幅度的足够增益。 1uF 的隔直电容可消除极化电压。 还设置了一个幅度超越时能自动闭锁的开关。 RW1为增益调节,RW2为基线位置调整. 5.双 T 50Hz 陷波电路 消除心电信号中工频 50Hz 的干扰。 陷波频率f=1/2RC,12,6.低通滤波器,电路为二阶有源低通滤波器。滤除高频干扰。 fH= 100 Hz 7.跟随器输出电路 降低放大器的输出阻抗，便于后级A/D转换器的匹配连接。,13,跟随器输出电路与限幅比较器,14,8.限幅比较器,
5、双向超限时都能进行检出，所限幅值由分压决定。 VMAX = 2V 9.闭锁电路 由单稳触发器构成。 10.无效信号检出电路 当信号超限时，为系统提供一个识别状态。,15,闭锁电路与无效信号检出电路,16,二、光电耦合接口电路,在病人与仪器设备之间必须有良好的隔离措施，以免病人受到仪器漏电时的强电危害以及使用除颤器时设备受到高电压冲击的损伤。因此，隔离放大器是必不可少的。 目前用于这种隔离的器件有许多种，例如光电耦合器、变压器、光敏电阻、磁敏电阻或霍尔效应器件等。 下图为接口电路的工作原理,17,光电耦合接口电路,18,电路中的电容是为了扩大放大器工作的频率范围而设置的。 由于电路具有线性和宽带
6、等特点，常串接在生物电放大器的前置输入和主放大器之间，有效地避免了触电危险和设备损伤的可能，抑制了微机系统与生物电放大器之间共地而产生的回流干扰。 两组电源也需要隔离。,19,5.2 智能携带式动态心电监护仪(Holter),智能Holter机是一种采用微型计算机对DCG进行实时分析,判断并有选择记录, 发现重症及时报警的携带式监护记录仪。 动态心电图-DCG。 5.2.1 智能携带式动态心电监护仪的结构及其功能 1. 功能 根据心电波的RR间期、QRS波宽、幅度大小等特征量进行实时分析，判断并有选择地存储记录。可以诊断室颤、心动过缓、漏博、停博、早博、RonT等10多种心律失常病症。 2.
7、组成结构 (见下图),20,智能动态心电监护仪硬件结构,21,5.2.2 智能Holter的算法及其程序设计 智能动态心电监护仪系统工作流程见下页框图 1.数字滤波 在心电信号的拾取，放大及变换过程中，会引起各种干扰。用数字滤波对经过A/D转换后的心电信号进行滤波和平整。 抑制50Hz工频干扰采用5点对称数字滤波器，即: 其中X、Y分别是心电信号原始采样序列及经过滤波后的信号序列。,22,智能动态心电监护仪系统工作流程图,23,滤波器的频率响应 对于的采样频率，在处滤波器增益为零，如滤波器的幅频特性曲线图(a)所示，但在高频率端信号的特性变差， 此需进行平滑滤波。平滑滤波器的方程为,24,级联
8、后的滤波器差分方程为 级联后的滤波器频率应为 频率特性曲线如下图滤波器的幅频特性曲线 (b)所示，由图可知通频带大约在左右。这会使QRS波的高频成分有所下降。但QRS波的主要频率成分在，大于的高频成分所占的比重不大，已能满足对心律失常识别的要求。,25,滤波器的幅频特性曲线图,26,2. QRS波检测 （1） 技术处理 求出绝对微分数据的形式: 为了便于设计识别区分点的程序，把上式修改成求绝对微分数据的形式：,27,（2）QRS波检测 先求出400个微分数据的最大值。 由最大值定出 阈值1，应保证能识别每一个QRS波群超过阈值1的时刻作为R波的代表点，表明已进入QRS波群。 然后逆方向（P波方
9、向）求微分值小于某一值（阈值2）的点，将在0.015s（相当于3个采样点）期间内连续小于阈值2的那些点的最后一点作为QRS波的起点。 QRS波终点的识别与起点相似。起点与终点的间期定义为 QRS波的宽度。,28,QRS波的处理,29,（3）R波检测 在原始心电图中，从识别出的QRS波起点开始，求200ms内数据为最大值的点作为 R 波顶点，两个相邻 R 波顶点之间的间隔即为 R-R 间隔。 3. R 波高度的补偿 因为A/D 采样不一定正好采到 R 波的峰值上，故需对 R 波进行高度补偿。设R波上升和下降斜率基本相同，而计算机对R波采样高度为 a 。见下图 (1) 采样点正落在R波的峰值上,
10、a-a-1 =a-a+1,则 VR=a. (2) 采样点在R波上升沿, a-a-1 a-a+1，则VR=a+|a+1-a-1|/2 (3) 采样点在R波下降沿, a-a-1 a-a+1，则VR=a+|a+1-a-1|/2 (4) 采样点在R波下降沿, a-a-1=0,则VR=a+(a-1-a-2)/2 (5) 采样点在R波上升沿, a-a+1=0，则VR=a+(a+1-a+2)/2,30,R波的高度补偿示意图,31,4. QRS 波模板匹配技术 系统软件通过自学习,建立一个正常的QRS 波模板. 根据数学准则,系统判断以后的实时心电信号是否与模板匹配(各项特征参数大致相等否)。若匹配就说明此Q
11、RS波与模板是同一类波形;否则就可以怀疑它是一个异常的QRS波,并将其存入内存作为另一类模板。如此反复,建立一个QRS波模板集。 5. 心电数据压缩算法 目的: 减少数据量,而又不至于使主要信息失真。 转折点算法: 它分析采样点的趋势,并在两想邻的点中只存储一个, 这样就可以压缩数据一半。 基本方法: X0作为参考点,在随后的X1和X2两点之中选择一 点。见下表:,32,心电数据压缩算法表,33,数学算法: 其中若: (X2 - X1)*(X1 - X0) 0 , 则 X0 = X1 ; 若: (X2 - X1)*(X1 - X0)0 , 则 X0 = X2 。 优点: 简便迅速. 缺点: 连
12、用两次后,失真显著。,34,35,5.3 病房监护技术,医疗监护技术最重要的应用是在医院对住院危重病人的监护。这类监护是在医院病房进行的，所以称为住院患者的监护，简称病房监护。这类监护的对象都是危重病人，又称为危重症患者监护。 冠心病监护病房（Coronary Care Unit，CCU）、加强监护病房（Intensive Care Unit，ICU）、新生儿监护病房、手术监护及其他各种专科监护病房。,36,5.3.1 生理参数的多路实时监护,对住院危重症患者，通常需要对下列重要生理参数进行连续或间断连续监测： (1)血压 无创间接法测动脉血压(收缩压、舒张压和平均压)或有创直接检测动静脉血压
13、，一般情况下应尽可能采用无创监测。 (2)心电图和心律 通常用导联对心电图进行连续监测，对冠心病患者，往往还需要同时监测V5导联和导联I的心电图，以便不仅能了解心搏情况，而且可以对心肌缺血、心肌梗塞、各种心律失常(如室颤、房颤、早搏、停博等)作出正确的分析和判断。,37,(3)体温 由于体温变化相对较慢，也可采取间断采样测量的方式(05h、1h或2h测一次)；观察一昼夜体温变化情况，对掌握病情变化是十分重要的。 (4)呼吸 监测呼吸次数、呼吸质量，包括呼吸量、呼出二氧化碳含量等，以判定是否存在呼吸障碍(如痰阻塞)及肺气交换功能是否正常。,38,属于因病情而异所增减的监测项目通常有： (1)血气
14、参数 对于伴有呼吸功能衰弱、呼吸障碍、肺功能衰竭的患者，通常必须监测血气参数，包括动脉血液的pH值、血氧饱和度、二氧化碳饱和度等。 (2)脑电图 对于意识不清、各种脑损伤(缺血、缺氧、溢血、血栓)等所造成的脑损伤患者，需要监测其脑电图，以便观察大脑的生理活动能力，判定病情变化趋势。通常只需单道或双导(左、右侧)记录。 (3)肝功能、肾功能、电解质平衡，包括血糖、尿液分析和血红蛋白测定等。这些参数通常没有连续的监测仪器，因而采用间断式采样分析，由护士操作，也可以说是针对病情的常规测试项目 。,39,每一个生理参数都由其专用传感器将信号提取出来，例如，心电信号(ECG)或脑电信号(EEG)由贴片电
15、极提取；与呼吸有关的参数由气体流量计、气样采集与分析变换器提取；体温用热电偶或半导体温度计取得；血压可由微型压力传感器从动、静脉取得(直接测量法)，或者用气囊式或袖套式通过测振法或柯氏音法取得。,40,各种被测生理参数就其参数性质而言，可分为两大类。一类是电信号，通常直接用电极提取；另一类是非电信号，如血压、呼吸等，需通过不同的变换器(传感器)取得。 凡是需要连续监测的信号都必须转换成电信号，再经过放大和预处理(滤波去噪、平均叠加等)，然后再变换成数字信号，以便能用计算机进行信号处理与分析。,41,多路生理信号采集监护系统原理框图,42,监护仪一般都有自检测装置，通过硬件和软件检测系统是否处于
16、正常工作状态、导联电极是否脱落等。当系统不正常时，如电源断电、电极松动或脱落时，即发出报警信号。 几乎所有的监护仪都有超限报警装置，即当所监测的参数超出设定的正常范围一定时间后，即发出声、光报警信号。此报警信号应与设备工作不正常的报警信号有所不同。,43,多参数生理信息的采集和监护中需要解决的关键技术主要有：,(1)信号的隔离 由于监护仪的主电源都是交流供电的，而测量电极有的直接置入血管内，有的虽置于体表但靠近心脏，交流漏电可能导致病人生命危险，必须有良好的电源和信号隔离。 (2)不同信号间的串扰与交叉调制 各路信号间可能会通过公共地线、电源内阻、空间电磁耦合而发生串扰和交叉调制，这就要求各路信号放大器之间有良好的隔离和屏蔽。,44,(3)不同采样率和采样精度间的协调 根据不同生理参数特性调整选择合适的电位动态放大措施及采样频率。如心电和脑电的采样频率可设为:250500Hz。 (4)实时自动分析技术 实现对反映病情的各关键生理参数的自动监护，如分析心率失常严重性、心肌梗塞和心肌缺血程度等。 (5)
