摘 要： 介紹了一種用于多生命參數(shù)病人監(jiān)護(hù)儀中的呼吸檢測電路。它采用呼吸阻抗法原理,，利用心電電極采集呼吸波信號,，并將呼吸波信號送入80C196單片機(jī)內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，計算出呼吸頻率,，同時在LCD上顯示。
關(guān)鍵詞： 呼吸阻抗法 呼吸信號 調(diào)制解調(diào)
隨著傳感技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展,，病人監(jiān)護(hù)儀正廣泛應(yīng)用于臨床監(jiān)護(hù)中,。傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)儀由于監(jiān)護(hù)參數(shù)單一，功能簡單,，體積較大而僅局限于手術(shù)過程和ICU病房的監(jiān)護(hù),，限制了其使用價值，不能滿足所有臨床科室的使用,。為此,，我們開發(fā)了一套小型化、低功耗的多生命參數(shù)病人監(jiān)護(hù)儀，它能長時間實時監(jiān)護(hù)病人的心電(ECG),、呼吸(RESP),、血氧飽和度(SPO2)、血壓(BP)和體溫(Temp),。異常情況下,，如導(dǎo)聯(lián)脫落，能自動報警提醒醫(yī)生注意,。同時,，該設(shè)備還能通過RS232接口實現(xiàn)計算機(jī)通訊，并逐步實現(xiàn)多臺病人監(jiān)護(hù)儀的網(wǎng)絡(luò)化,，以滿足所有臨床科室的應(yīng)用需要,。
1 監(jiān)護(hù)儀用呼吸檢測電路原理
監(jiān)護(hù)儀用呼吸檢測電路是利用呼吸阻抗法原理。它借用測量心電的胸部監(jiān)護(hù)電極,，采用高頻激勵脈沖使呼吸波信號調(diào)制在其之上,，然后對被調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)、放大,、濾波,，獲得清晰、穩(wěn)定的呼吸曲線,，電路原理框圖如圖1所示,。
圖1中的LL和RA分別代表心電電極中的左腹部電極和右上胸電極。EN是控制信號,，由80C196C單片機(jī)控制,。當(dāng)EN是低電平時，高頻激勵脈沖發(fā)生電路不產(chǎn)生脈沖,，本電路不工作,；當(dāng)EN為高電平時，高頻激勵脈沖發(fā)生電路將高頻激勵電壓通過心電電極LL和RA加在人體上,，注入安全電流,，而兩電極之間由于呼吸產(chǎn)生的阻抗變化所引起的電信號就調(diào)制在高頻激勵脈沖之上。該調(diào)制信號經(jīng)過解調(diào),、放大,、濾波以后所得到呼吸波信號RESP。最后將RESP信號送入CPU,，由CPU計算出呼吸頻率,。為了保證病人的電氣安全，該電路采用高能電池供電,，故不需要光電隔離電路耦合。
2 高頻激勵電壓發(fā)生電路原理
如圖2所示,，EN是控制系統(tǒng)送來的呼吸測量使能信號,，當(dāng)不需要檢測呼吸信號時,，控制系統(tǒng)將EN置為低電平，D觸發(fā)器不工作,，輸出Q和Q保持高或低電平,，由于電容C的隔直作用，此時沒有激勵電壓加于人體,，當(dāng)需要檢測呼吸信號時,，EN置為高電平，D觸發(fā)器對振蕩器產(chǎn)生的125kHz方波進(jìn)行二分頻,，得到5V(或－5V)的62.5kHz的方波,。在方波的每個周期中，C3,，C4通過LL和RA之間的人體電阻即呼吸阻抗Rb及R3,，R4兩個固定電阻充放電，其等效電路圖如圖3所示,。
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圖中Rb為人體阻抗,，由生物阻抗的頻散理論可知，在62.5kHz附近頻帶,，人體阻抗呈近似純電阻特性,，幾乎無膜電容影響，10Ω～10kΩ量級,。取R3＝R4＝30kΩ,，C3＝C4＝1000pf。這樣,，流經(jīng)人體的最大電流約為0.08mA,，屬于安全電流范圍，并且該電路的時間常數(shù)τ約為32μs,，而方波周期T約為16μs,。故每次充放電都不完全，A1,、B1二點電位,，其波形圖見圖4。
由于呼吸使胸廓擴(kuò)張使得Rb按呼吸頻率變化,，其變化范圍0.1～0.3Ω,，相對Q來說為慢變信號，則在每個Rb的變化周期內(nèi),，隨著Rb的變化引起的等效電路時間常數(shù)的微弱變化使得B1,，B2點電位隨Rb的變化而變化，并且每一瞬間B1與B2點的電位差的絕對值Ub(t)與Rb成正比。這樣呼吸信號Ub(t)就相當(dāng)于調(diào)制在62.5kHz的載波上,，調(diào)制方式為調(diào)幅,。從而與電頻的心電信號相區(qū)別。只要能夠獲取Ub(t)的波形,，就可以得到呼吸波信號,。
3 前置放大器
如前所述，心電信號和調(diào)制有呼吸信息的高頻脈沖信號均從心電電極(LL和RA)上提取,。由于心電信號和呼吸信號都非常微小,，因此在解調(diào)和濾波之前應(yīng)先將小信號放大，以便于解調(diào)和濾波,。這部分工作由前置放大器完成,。
根據(jù)心電信號和呼吸信號的特點，要求前置放大器應(yīng)具有低噪聲,、低漂移,、低功耗、高共模抑制比的性能,。為此,，筆者選用了AD620作為前置放大器。如圖5所示,。
4 解調(diào)處理電路
經(jīng)過AD620前置放大輸出的信號中,，含有呼吸信號經(jīng)調(diào)幅調(diào)制后的信號。為了獲得人體呼吸阻抗的信息,，需要將該信號解調(diào),。這一部分的工作就由解調(diào)處理電路來完成。解調(diào)電路采用二極管檢波電路,。
圖6為全波整流電路,，也稱絕對值電路。它由半波整流電路和加法電路組成,。其調(diào)幅檢波是利用二極管的單向?qū)ㄐ浴?/P>
當(dāng)VI＞0時,，D1導(dǎo)通，D2截止,，電壓VA＝－VI,，此時整流電路輸出電壓VO＝VI；
當(dāng)VI＜0時,，D1截止,，D2導(dǎo)通，電壓VA＝0,，此時,，整流過程與A1無關(guān),，整流電路的輸出電壓VO＝－VI＞0。
由此可見,，該電路的輸出VO＝｜Vi｜,，可單邊檢出調(diào)制信號。
5 放大濾波電路
含有人體呼吸阻抗信息的信號經(jīng)解調(diào)后,，含有大量的直流分量和高頻噪聲，需要進(jìn)行高通和低通濾波,。同時,，經(jīng)解調(diào)后的信號僅為毫伏級，故需進(jìn)一步放大處理,。為此,，該部分設(shè)計框圖如圖7所示。
濾波電路采用了無源RC高通和BUTTERWEALTH二階低通,。放大采用了兩級放大,。
以上介紹的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀用呼吸檢測電路已經(jīng)與心電檢測電路相級聯(lián)，經(jīng)過對4組不同年齡,、性別的樣本實驗證明,，該電路能夠?qū)崟r顯示出清晰，穩(wěn)定的呼吸波RESP信號,，并且同心電信號部分互不干擾,。該電路具有低功耗、便攜,、廉價的優(yōu)點,，完全滿足多參數(shù)生命監(jiān)護(hù)儀用要求。在該監(jiān)護(hù)儀中,，將RESP信號經(jīng)過整形后送入80C196單片機(jī)的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,，計算出呼吸頻率，并與相應(yīng)的軟件相匹配實現(xiàn)儀器的人工智能,，從而實現(xiàn)實時監(jiān)護(hù)病人的呼吸信號,，在LCD顯示器上實時顯示呼吸頻率以及在呼吸異常時實時報警等監(jiān)護(hù)要求。
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