多生命參數(shù)監(jiān)護儀用呼吸檢測電路

摘 要： 介紹了一種用于多生命參數(shù)病人監(jiān)護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)護儀正廣泛應(yīng)用于臨床監(jiān)護中。傳統(tǒng)的監(jiān)護儀由于監(jiān)護參數(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，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)護儀，它能長時間實時監(jiān)護病人的心電（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)計算機通訊，并逐步實現(xiàn)多臺病人監(jiān)護儀的網(wǎng)絡(luò)化，以滿足所有臨床科室的應(yīng)用需要。

１ 監(jiān)護儀用呼吸檢測電路原理

監(jiān)護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。

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)護儀用要求。在該監(jiān)護儀中，將RESP信號經(jīng)過整形后送入80C196單片機的片內(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)護要求。