如何实现智能健康监护仪的设计？

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程傍纯

2022-1-24 11:19:25

简介

本智能健康监护仪可对多项人体生理参数（体温、血压、脉搏、心电、心音）进行采集和分析，从中得到关于用户健康状况的信息。同时，本系统还可通过多种接口将信息传送至PC，并可以通过3G网络将信息发送至手机等移动式设备。本产品扩展性强、便携、易用，在个人保健等方面有较好的发展前景。
本文研发的智能健康监护仪克服了传统监护仪体积大、附件多、有线检测传输方式、组网不方便、检测参数单一等缺点。其主要功能包括人体血压、心率、体温、脉搏、心音等生理参数的检测和显示，并提供无线接口，用户可以转发监护仪上传的健康数据。
设计方案

本系统由血压、心音、脉搏、心电、温度传感器、模拟信号处理部分、数字信号处理部分、数据通信部分、语音告警及LCD显示等六部分组成，除完成对血压、体温、脉搏、心电、心音进行检测监护外，还有语音告警、蓝牙传输、数据储存等功能。该系统可对生理参数的实时采集和处理，并将生理参数和处理结果无失真的传送到医院服务器。医院服务器将智能终端传送来的数据存储并显示，供医生进一步分析诊断。医生可将诊断结果和意见通过网络发送给智能终端。诊断结果可在终端上显示，供病人或监护对象参考。多参数检测系统由腕带和附着在腕带上的监测盒组成，采用双微处理器，MCU-2完成各项生命指征信号采集和分析，MCU-1完成人机交互和数据通信。
智能健康监护仪检测终端的整体设计方案如图2-1、图2-2所示：

硬件设计

本系统的主机MPU采用Samsung公司生产S3C2410处理器，S3C2410处理器为ARM920T内核CPU，最高支持的频率达200M，并具有MMU虚拟内存管理单元，可以轻松的运行起嵌入式Linux，同时拥有丰富的片内外设，具有很高的性价比。图2-3为硬件系统总体框图，由于S3C2410芯片内部己经包含了UART、LCD、网卡、SDRAM、FLASH等驱动控制器，这样就大大简化了主机的外围电路，而且采集卡利用了ATmega8单片机上集成的A/D采集和串口通信，只要设计了生理信号调理电路就能完成采集卡的电路设计，总体电路简洁，可以实现监护仪的小型化要求。

心电信号采集及调理模块电路设计

心电信号波形及特点

心脏各部分兴奋过程中出现的电位变化的方向、途径、次序和时间等均有一定规律。由于人体为一个容积导体，这种电位变化亦必然扩布到身体的表面。鉴于心脏在同一时间内产生大量电信号，将心脏产生的电位变化以时间为函数记录下来，这记录曲线称为心电图(ECG)。图3-1所示为典型心电波形图。心电图反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。

正常心电图波形包括:
1.P波:一般为钝形，有时有轻度切迹但波峰间距小于0.03秒。VIVZ导联顶部尖。宽度:0.06-0.115，高度:小于O.25mV。
2.PR间期:0.12-0.205，不同导联测量的P-R间期可略有差别。
3.QRS波群:正常时有些导联可出现小Q波，但其深度小于0.25R，宽度小于0.045。宽度:0.06-0.105，高度:V1的R波小于10mV，VS的R波小于25mV。
4.ST段:正常人的ST段下移不超过0.05mV，ST段上升不超过0.lmV。而V1-V3上升不超过0.3mV。
5.T波:波形平滑不对称，上升慢而下降快。高度:QRS主波向上的导联T波不应低于同导联R波的1/10。
6.QT间期:正常人当心率在60-100次/分时，QT间期正常值为0.32-0.445。因此心电信号是由P、QRS、T波和静息期组成，各波频率特性不尽相同。它是一种非平稳信号，在采样过程中，常常掺杂各种噪声和干扰。心电信号的主要特点是:
微弱:mv级;
超低频:心电的主要成分 <50Hz;
信噪比低，对放大器要求严格;
心电信号采集及调理电路具体实现

心电数据采集及调理模块包括前端放大和右腿驱动电路、高通滤波电路和二级放大电路、二阶低通滤波电路、双T有源陷波器、电平提升电路等。总体设计框图如图3-2所示。

1.前端放大、右腿驱动电路设计
由于心电信号的微弱、干扰大、低频等特性，所以在进行心电前级放大电路的设计中，对放大器的选择有严格的要求，如:高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声，低漂移等特性。为了满足这些要求，本设计中选择ADI公司生产的仪用放大器AD620A作前级放大芯片。AD62OA是一款低价格、高精度的仪用放大器，有非常优良的性能，是生物放大器设计中的经典之作。由于AD620A的低功耗、低电压和小封装使其在便携式仪器应用中非常有用;同时，低偏置电流、低电流噪声和低电压噪声等优良性能增强了它的动态性能。
一般来说，共模抑制比(CMRR)随增益(G)增大而有所提高，但考虑到前置级对整个放大电路噪声的贡献，放大器的噪声性能一般随第一级增益的提高而明显变差，特别是集成器件噪声性能一般比分立元件差。因此第一级增益不宜取值过度，一般G<20为宜。本文将前置放大增益设置为7。由式3-1可确定R。(RS)的值为8.25K。

另外为增加人体和仪器在使用时的安全性，在左右手的导联输入与前置放大器之间增加了由二级管Dl、D2、D3、D4组成保护电路。当正常情况下的工频共模干扰可达300mV左右，而两个反向并联的硅二极管的导通电压为士600mV左右，因此在正常情况下二极管是处于截止状态，不会影响心电信号的采集，只有当两个输入导联的电压超过保护电压的闭值时，二极管才处于导通状态，保护人体和仪器不受损坏。
为提高前置放大器的共模抑制效果，本文采用了右腿驱动电路取代直接接地，它是心电信号提取中非常有用的方法，这种方法能够使50Hz共模工频干扰电压降低到1%以下。而且不会损失心电信号中的50Hz的有用信号成分，与右腿接地的方法比较，右腿驱动技术对抑制交流干扰的效果更好，但由于存在交流干扰电压的反馈环路，经过人体形成不安全因素，因此在使用时需外接限流电阻R z，本文R z取220K。图3-3为前置放大、右腿驱动电路。

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