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(jì)算出呼吸頻率，同時(shí)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(jià)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(shí)間實(shí)時(shí)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(bào)警提醒醫(yī)生注意。同時(shí)，該設(shè)備還能通過RS232接口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)通訊，并逐步實(shí)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(lì)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(shí)，高頻激勵(lì)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(shí)，高頻激勵(lì)脈沖發(fā)生電路將高頻激勵(lì)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(lì)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(jì)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(lì)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(shí)，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(shí)沒有激勵(lì)電壓加于人體，當(dāng)需要檢測呼吸信號時(shí)，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(gè)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(gè)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(shí)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(diǎn)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(gè)Rb的變化周期內(nèi)，隨著Rb的變化引起的等效電路時(shí)間常數(shù)的微弱變化使得B1，B2點(diǎn)電位隨Rb的變化而變化，并且每一瞬間B1與B2點(diǎn)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(diǎn)，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(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，電壓VA＝－VI，此時(shí)整流電路輸出電壓VO＝VI；
當(dāng)VI＜0時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通，電壓VA＝0，此時(shí)，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(shí)，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(jì)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(shí)驗(yàn)證明，該電路能夠?qū)崟r(shí)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(jià)的優(yōu)點(diǎn)，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(jì)算出呼吸頻率，并與相應(yīng)的軟件相匹配實(shí)現(xiàn)儀器的人工智能，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)病人的呼吸信號，在LCD顯示器上實(shí)時(shí)顯示呼吸頻率以及在呼吸異常時(shí)實(shí)時(shí)報(bào)警等監(jiān)護(hù)要求。
參考文獻(xiàn)
1 沈德麟等.監(jiān)護(hù)儀用呼吸波檢測電路的研制.中國醫(yī)療器械，1996；20(2)：104
2 李光明等.生物阻抗測量技術(shù)的原理及應(yīng)用.世界醫(yī)療器械，1999；5(3)：51
3 張江波.多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的測量原理及其正確使用方法.世界醫(yī)療器械，1999；5(3)：30