多床位心電監護儀設計與實現

摘要：為了實現對多個床位患者心電的監護，提出多床位心電監護儀設計思想，解決傳統心電采集過程中對單床位患者心電的監護，實現醫生集中監護病房中患者心臟跳動的目的。上位機采用Visual C++6．0開發監護控制軟件，采用USB 2．0接口接收下位機上傳的心電數據；下位機用MCS-51單片機采集患者的心電數據。
關鍵詞：心電監護；上位機；信號放大；心電采集

0 引言
為了適應現代醫療業的迅速發展，心電監護儀是臨床診療的一種必備檢查設備。心電監護儀種類較多，如臨床使用的基于PC平臺的心電監護儀，家用便攜式心電監護儀，隨時攜帶便攜式心電監護儀等。
調查表明，心血管疾病已經成為目前威脅人類生命的主要疾病之一，導致此類疾病的主要原因是人們生活節奏加快、人口逐漸老齡化以及生活不規律性。心血管疾病的主要特點是突發性、短暫性和危險性。如果不能及時發現并進行治療，將會導致患者死亡的嚴重后果。
心電監護儀是檢查、診斷和預防該類疾病的重要手段和依據，是監護患者心臟狀態的一個重要儀器；對于心肌梗塞、心律失常等癥狀，心電監護儀的使用貫穿于治療、康復的整個過程。由于傳統的基于PC機平臺的心電監護儀，價格昂貴，體積龐大，不便于移動且主要集中在大醫院，給醫生和患者帶來了很大的不便。采用一臺PC機設計一種新型多床位心電監護儀。它利用上位機來遠程監視多位患者的心電，不但可以降低成本、縮小體積，而且還可以同時監護多位患者，方便醫生隨時查看被檢查床位患者的病情。

1 心電波形知識
1．1 心電波形組成
心電波形是由一系列的波組所構成，每個波組代表著每一個心動周期。一個波組包括P波、QRS波群、T波和U波，如圖1所示。

(1)P波。P波由心房除極所產生，是每一波組中的第一波，心臟的激動發源于竇房結，然后傳導到達心房，它反映了左、右心房的除極過程。前半部分代表右房，后半部分代表左房。
P波呈鈍圓形，可有輕度切跡；P波時小于0．11 s，雙峰間距小于0．04 s。
(2)QRS波群。典型的QRS波群包括三個緊密相連的波，第一個向下的波稱為Q波，繼Q波后的一個高尖的直立波稱為R波，R波后向下的波稱為S波。因其緊密相連，且反映了心室電激動過程，故統稱為QRS波群。這個波反映了左、右兩心室的除極過程。
QRS時限小于0.11s。
(3)T波。T波位于S-T段之后，是一個比較低且占時較長的波，它是心室復極所產生的。T波在24 h振幅變化較大。
T波鈍圓，占時較長，從基線開始緩慢上升，然后較快下降，形成前肢較長、后肢較短的波形；T波方向常和QRS波群的主波方向一致；T波的振幅不應低于同導聯R波的1／10。
(4)U波。U波位于T波之后，比較低小，其發生機理未完全明確；一般認為是心肌激動的“激后電位”。
1．2 心電信號的特性
一般電信號有三大特征：幅度、頻譜和信號源阻抗。作為生物電的心電信號也是如此：
(1)微弱性。心電信號是自人體體表特定點處拾取的生物電信號，信號通常十分微弱，其幅度一般不超過5mV。
(2)低頻特性。通常心電信號的頻率較低，其頻譜范圍一般為0．05～100 Hz，頻譜能量主要集中在0．25～35Hz之間。
(3)高阻抗特性。作為心電的信號源，人體源阻抗一般較大，可達幾千歐到幾十千歐，它將給心電測量帶來誤差和失真。
(4)不穩定性和隨機性。人體是在內環境與外環境相適應的條件下維持其新陳代謝和生命。為適應各種外環境的變化，人體內各種系統的功能活動都在相互影響中不同地變化調整著，以在內環境保持平衡。同時遺傳等因素也造成人體的個體差異。由于人體所處內外界環境在時空上的復雜多變性和個體差異，使得人體心電信號表現出不穩定性和隨機性。

2 多床位心電監護儀的設計方案
2．1 總體功能目標
開發多床位心電監護儀主要實現以下功能目標：
(1)對所監護每一床位實現監護、動態顯示心電波形和打印功能；
(2)對所監護每一床位患者的心電數據存儲，并具有查看重顯功能；
(3)監護軟件可以自動計算心率、并能顯示心率數值；
(4)實現上位機的床位選擇功能，顯示多個床位的心電畫面，重點患者心電波形可置頂顯示；
(5)實現上位機與下位機的通信功能；
(6)實現下位機的心電數據采集功能；
(7)實現上位機USB接口和串口RS 232的轉換設計；
(8)患者心率為0時，實現上位機的報警功能；
2．2 系統總體結構
根據多床位心電監護儀所要完成的功能和特點，建立該系統的主要結構如圖2所示。

圖2中，PC主控機主要安裝有多床位心電監護儀控制軟件，完成1～8個床位的監護工作，同時要具備計算心率和心電報警的任務；8051單片機主要用來接收A／D轉換后的心電數字信號；A／D轉換完成心電的模擬信號轉換為單片機要接收的數字信號；光電隔離電路用于心電信號進行去噪、濾波；心電采集和放大器完成對患者心電信號的采集并放大采集信號；心電導聯主要連接患者身體的檢測部位，采集患者的心電信號。
2．3 多床位心電監護儀控制系統
多床位心電監護儀控制系統是基于Visual C++6．0開發的上位機監控系統，主要完成的功能有開始監護、停止監護、重顯、心率顯示、取圖(波形顯示和波形采集)、網格圖紙顯示、存儲、打印、報警、時間和日期，以及利用Visual C++編寫USB驅動程序。
系統軟件結構框圖如圖3所示。