摘 要
多参数生理信号采集系统是综合监测多个生理参数并将其信息整合,提供给临床监护和诊
断的仪器。近年来,随着科学技术和计算机技术的飞速发展,对于采集系统的模块化已得到越
来越多的重视。
本文主要以 Labview 为软件开发平台,设计一个对心电、呼吸、肌电、温度等生理信号参数
进行实时采集的系统。系统主要由硬件和软件两大部分组成。
硬件部分分成四个模块:心电模块、肌电模块、温度模块、呼吸模块,具体电路由前置放
大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、陷波电路、二级放大电路等组成,四大模块分别使用
硬件电路采集生理信号,输出电压控制在 2.5V 左右,通过数据采集卡和 PC 机相连。
软件部分采用 Labview 图形化编程环境,实现对心电、呼吸、温度、肌电波形的实时显示,
并对各个信号进行识别,自动计算出特征参数值,同时设置了存储和自动报警系统,软件部分
主要有丁祥中同学完成。
本系统基本实现了设计要求,操作简单,可扩展性强,对多参数生理信号采集系统的发展
提供了参考,具有一定的应用价值。
关键字:Labview; 虚拟仪器; 心电信号; 呼吸信号
ABSTRACT
第 1 章 绪论
1.1 研究背景
1、市场和国内的需求
市场的需求大大刺激了各国在此领域的投入和发展,国际市场每年都以 10%以上的增长率
增长。预计本研究应用于生产,年增产值将在 500 万美元以上,并能为更多的患者提供医疗服
务。医疗器械发展迅速,但就目前所处的发展阶段而言,开发的主要焦点在于多参数检测技术
的整合,如果集中科研力量,即能够很快在这一领域实现与国内外同类产品的同步发展。
2、医护人员以及病人的需求
当前,随着我国医疗卫生事业的蓬勃发展,医疗保障体系的日趋完善,使得各级医院对生
理信号采集系统的需求也在不断地增长,同时也对其性能和功能提出了越来越高的要求。另外
人们物质文化生活水平日益提高,人们的健康保健意识不断增强,开发一种比传统的监护仪更
高效、便捷、小型化、智能化的采集系统已经成为医学仪器市场的主流。多参数生理信号采集
系统可以不间断,连续地监测病人的心电、呼吸、体温、肌电等重要生命体征参数,可以准确
的进行数据分析以及判断,可以为医生提供病人的各项生理参数,为医生正确诊断提供基本依
据,帮助医护人员对患者病情进行检测和防护,避免病情恶化,减少死亡率,多参数生理信号
已经成为医护人员诊断、治疗和抢救病人的重要设备。利用多参数生理信号采集系统可以准确
的监护病人的生理状况,当有突发情况时,可以得到很好的解决。以前通过临床症状来采取措
施,在使用多参数采集系统后,提高了护理工作中的科学性,故能减少并发症。通过多年来多
参数采集系统的应用,认为多参数采集系统可为各种疾病病人的治疗、护理,提供可靠的数字、
图形依据,提高了抢救成功率,这种方法方便、快捷,而且能长时间监测。
总之,传统的监护手段己经越来越不能适应当今多元化、信息化、个性化的医疗监护需求,
多参数生理信号系统的研制开发己经势在必行。
1.2 研究内容
本系统研究的内容是以 Labview 图形化编程语言为软件开发平台,结合生物传感器技术、电
子电路技术及计算机软件等技术,研制一台多参数生理信号采集系统,实现对心电、呼吸、体
温等多个生理参数的检测、控制及综合分析,得到信号的各种特征参数,最后建立相关数据库
将各个信号的数据、特征参数分别存档。同时系统具备使用方便、分析准确、界面友好等特点,
能大大提高临床医生的诊断及监护的效率。多参数生理信号采集系统主要由硬件体系和软件编
程两大部分构成。
硬件体系主要有模拟信号调理部分、信号采集部分组成。模拟信号的调理部分主要由生物
传感器,放大、滤波等电路构成,完成心电、呼吸、肌电等人体生理参数的模拟电路调理,使
其转换成适合采集的电信号,信号采集部分主要由数据采集卡将各个生理参数采集到 PC 机,为上
位机提供基础数据。本文主要研究的就是硬件部分,软件部分由丁祥中完成。
1.3 选题的意义
1、取代传统的监护手段以迫在眉睫
随着传感技术和电子技术的发展,病人生理信号采集系统正广泛应用于临床监护中,传统
的信号采集系统由于采集参数单一,功能简单,体积较大而仅局限于手术过程和 ICU 病房的监护,
限制了其使用价值,不能满足所有临床科室的使用。为此,本文研究开发了一套小型化、低功
耗的多参数生理信号采集系统,它能长时间实时监护病人的心电、呼吸、和体温等参数。
2、可以提高医护人员的工作效率
医护人员可以不在使用老式的采集仪器(比如体温计、听诊器),可以不需要等待那么长的
时间来收集采集结果,通过多参数生理信号采集系统可以实时、快速的采集和检测病人的生理
情况,大大提高了医护人员的工作效率。
1.4 各章节安排
第一章介绍了多参数生理信号采集系统的研究背景、内容和意义。
第二章介绍了生物医学信号的特点,包括温度,呼吸,心电,肌电信号的原理与特点。
第三章介绍了系统的总体结构,硬件部分和软件部分的总体实现。
第四章介绍了本系统具体硬件的连接电路,对于心电、呼吸、肌电信号的采集、放大、
滤波电路,做了详细的说明和一些数值计算。
第五章主要介绍了 4 大模块的调试与采集结果。
第六章对本文的工作进行了总结,并对未来的工作进行了展望。
第 2 章 生物医学信号检测基础
2.1 生物医学信号的特点
生物医学信号包括心电、呼吸、肌电等生理信号,它的特点如下:
(1)信号弱:直接从人体中检测到的生理电信号其幅值一般比较小。如从母体腹部取到的胎儿
心电信号仅为 10-50 V,脑干听觉诱发响应信号小于 1 V,自发脑电信号约 5-150 V,体表心电
信号相对较大,最大可达 5mV。因此,在处理各种生理信号之前要配置各种高性能的放大器。
(2)噪声强:噪声是指其它信号对所研究对象信号的干扰。如电生理信号总是伴随着由于肢体
动作、精神紧张等带来的干扰,而且常混有较强的工频干扰。这给信号的检测与处理带来了困
难,因此要求采用一系列的有效的去除噪声的算法。
(3)频率范围一般较低:经频谱分析可知,除声音信号频谱成分较高外,其它电生理信号的频
谱一般较低。如心电的频谱为 0.01-35Hz,脑电的频谱分布在 1-30Hz 之间。因此在信号的获取、
放大、处理时要充分考虑对信号的频率响应特性。
(4)随机性强:生物医学信号是随机信号,一般不能用确定的数学函数来描述,它的规律主要
从大量统计结果中呈现出来,必须借助统计处理技术来检测、辨识随机信号和估计它的特征。
而且它往往是非平稳的,即信号的统计特征(如均值、方差等)随时间的变化而改变。这给生物医
学信号的处理带来了困难。
可见要在复杂的噪声背景下将有用的生理信号检测出来,则对生理信号的检测电路提出了
特殊的要求。
2.2 体温测量方法与技术
2.2.1 体温测量的意义及正常体温范围
1、体温测量的意义
体温保持相对稳定对人体至关重要。一旦体温过高或者过低,那么人将危在旦夕。很多疾
病将引起体温的变化,而体温的变化又会引发相应的疾病,如婴幼儿如果发高烧则可能引发急
性脑膜炎,严重危及到婴幼儿的生命健康。可以说体温就是人体的晴雨表,是人体健康的重要
指标。因此,对体温进行检测是发现以及预防疾病的重要方法。
2、正常体温范围
临床上一般采取从腋窝、口腔或直肠内测量体温的办法。正常人体的直肠温度平均为 37.
3 ,接近于深部的血液温度。口腔温度比直肠温度低 0. 1- 0. 3 ,平均约为 37 。腋窝温度比
口腔温度又低 0. 3-0. 5 ,平均约为 36.7 ,详细如体温幅度范围如图 2.1。
图2.1 正常体温范围
幅度范围
36.7
37.7
36.0
37.4
36.9
37.9
35.0
42.0
生理参量
口腔
腋窝
直肠
体
温
体温测量范围
2.2.2 体温测量的方法
体温测量方法比较多,常用的有:
1、水银体温计
水银体温计有成本低、测量准确、使用简单的优点。但是由于含有有毒物质水银,因此必
须小心防止摔坏,而且使用水银体温计测量体温需要时间长,影响到人的正常活动。
2、红外测量
红外测温因其非接触的特性,它具有安全、快速、可靠、方便等优势,己在电力、石油、
化工、交通机械、医疗等许多领域和公共场所得到广泛的应用。但是,红外测量是一种非接触
式的测量,因此必然会存在误差。而且当环境温度越高目标温度越低,则产生的误差越大。此
外,环境的湿度和灰尘也将影响到红外测量的准确性。
3、热敏电阻测量
热敏电阻是一种半导体感温元件,在一定范围内,其温度与阻值成近似线性关系,具有体
积小、灵敏度高、热惯性小、寿命长和价格低等诸多优点。最为常见的热敏电阻有 NTC 和 PTC
两种。NTC 热敏电阻是氧化物的烧结体,NTC 热敏电阻的优点是灵敏度高、结构简单而且比金属
热电阻温度系数大,适于动态测量,但是存在严重的热电非线性。