【正文】 儀器面板上的按鈕、開關(guān)和按鍵，進(jìn)行儀器功能選用，設(shè)置工作參數(shù)，啟動或停止呼吸信號檢測的研究 15 儀器的工作等。（ 3）可以對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有選擇的進(jìn)行保存，實(shí)時的報(bào)告數(shù)據(jù)狀態(tài)。由于通過呼吸導(dǎo)管測得的呼吸壓力信號較小，監(jiān)測儀對呼吸信號檢測的精度需求較高。該儀器屬于便攜式的醫(yī)療儀器，希望能實(shí)現(xiàn)單芯片的解決方案，為了降低系統(tǒng)的功耗，簡化設(shè)計(jì)，應(yīng)該盡量選擇外圍電路簡單，內(nèi)部集成有信號放大補(bǔ)償調(diào)理電路的傳感器。該電阻有以下特點(diǎn)： ① 高可靠的疊層片式陶瓷結(jié)構(gòu)體積小 ,無引線 ,適合高密度表面貼裝。 ④ 優(yōu)良的耗散系數(shù) , 0402 系列約 2mw/176。 初級放大電路模塊 通過傳感器采集到的呼吸信號為非常微弱的交流小信號，幅值約為 5～ 10mV，無法直接進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換，必須經(jīng)過信號放大后才能進(jìn)行后續(xù)處理。不直接提高初級放大時的放大倍數(shù)，一個原因時放大器的放大倍數(shù)只有那么幾個值，比如 10 倍后面直接就是 20 倍，可能不是最好的放大倍數(shù)，還有個一原因是在初級放大器后在一個放大器可以對放大信號進(jìn)行調(diào)節(jié)使其達(dá)到最佳波形。 呼吸信號檢測的研究 21 次級放大電路原理圖如圖 35 所示，信號由 3IN 輸入，由 OUT 端口輸出，連接 單片機(jī) P20 腳（為單片機(jī) AD 轉(zhuǎn)換輸入管腳），由芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)圖可知，信號放大倍數(shù)與 R5， R6 兩個電阻大小有關(guān)，其大小為： ）R5/R6+1（ 。本系統(tǒng)選取 NEC 系列的 UPD78F9222 型單 片機(jī)，該型芯片只有 20 個管腳，其功能和特性包括： ：多達(dá) 17 個 IO 口； ； 電路： 4 路 12 位 ADC； ：一個全開雙工的 UART； 機(jī)制：具有一個復(fù)位資源。 串口通信模塊 經(jīng) AD 轉(zhuǎn)換后的 數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行數(shù)字處理，但不在單片機(jī)內(nèi)處理，而是傳到PC 機(jī)上處理，這需要通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)采用單片機(jī)的 TXD6 與 RXD6進(jìn)行串口通信。 單片機(jī) IO 口 P42 與 RS485芯片 RE 與 DE 兩個引腳相連。電感 L2 與L3 用于保護(hù)和提高電路的性能。 OUT 為電壓輸出端口，輸出穩(wěn)定的電壓，本系統(tǒng)輸出 穩(wěn)定電壓。采集到的壓力或頻率數(shù)據(jù)會顯示在相對應(yīng)的儀表控件、文本框、波形圖中。 串口配置利用 VISA Configure Serial Port 完成串口參數(shù)的配置 ，包括串口資源分配、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位、和流控等。發(fā)送數(shù)據(jù)使用 VISA寫入函數(shù)，接收數(shù)據(jù)使用 VISA 讀取函數(shù)，在接收數(shù)據(jù)之前需要使用 VISA Bytes at Serial Port 查詢當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，如果 VISA 讀取函數(shù)要讀取的字節(jié)數(shù)大于緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)， VISA 讀取函數(shù)操作將會一直等待，直到等呼吸信號檢測的研究 29 待超時或者傳沖去中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)達(dá)到要求的字節(jié)數(shù)。當(dāng)壓力頻率單選控件選擇是頻率時，該控件輸出為 2，條件結(jié)構(gòu)輸出字符串 “ 2” ，該字符串利用 VISA 寫入函數(shù)發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)根據(jù)接收到的字符串返回采集到的頻率數(shù)據(jù)。 呼吸信號檢測的研究 30 圖 46 字符串讀取程序 讀取完字符串后用 VISA 設(shè)備清零函數(shù)對設(shè)備的輸入和輸出緩沖區(qū)進(jìn)行清零，方便下次數(shù)據(jù)的寫入。利用搜索 /拆分函數(shù)，把偏移量設(shè)置為 1，即為把字符串的第一位拆分出來，在匹配之前的子字符串輸出接 口輸出，第一位之后的字符串在匹配 +剩余字符串輸出接口輸出。 圖 48 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序 呼吸信號檢測的研究 31 數(shù)據(jù)顯示 通過在 while 循環(huán)中的移位寄存器把上一次循環(huán)執(zhí)行結(jié)果的輸出作為這一次循環(huán)的輸入，使用創(chuàng)建數(shù)組函數(shù)把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)加到上一次讀取輸出的數(shù)組中去。同時采集到的代表壓力或頻率的字符串會顯示在對應(yīng)的字符串顯示控件中，經(jīng)過字符串到數(shù)值轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)也會顯示在儀表控件中，方便實(shí)時查看壓力和頻率數(shù)據(jù) 。上限 報(bào)警顯示界面如圖 412 所示。呼吸信號參數(shù)的檢測、處理及顯示系統(tǒng)是高端監(jiān)護(hù)儀和呼吸機(jī)的重要組成部分。所以，除單獨(dú)就信號采集做了簡單討論外，本文從系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)入手，從硬件方面提高了采樣信號的精度及可靠性；軟件部分則對采樣信號進(jìn)行信號正常與否的準(zhǔn)確判 定。 3．完成了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)、器件的選型和調(diào)試。 展望 因?yàn)槌杀締栴}，本課題選用了經(jīng)濟(jì)型的單片機(jī)芯片，但呼吸機(jī)需要更高精度和更高端的功能，通過檢測病人的呼吸信號來全方位的監(jiān)控病人的生理狀況是否有問題。 我要衷心地感謝我的導(dǎo)師林順英老師，在課題研究期間，始終得到林老師的悉心指教，許多思想都是在她的啟發(fā)和指導(dǎo)下得以付諸實(shí)現(xiàn)和完善。 最后，我要把所有的感激都送給我的家人，是他們的關(guān)心和鼓勵使我能夠安心完成學(xué)業(yè)，并向著更高的目標(biāo)奮斗。 。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。林老師豐 富的經(jīng)驗(yàn)給我留下了深刻的印象，在老師的嚴(yán)格要求、和無微不至的關(guān)懷下，我在研究生期間沒有絲毫的松懈，本論文的完成也凝聚了他的辛勤汗水和智慧。通過簡單而有效的數(shù)據(jù)顯示，讓我們能清楚的判斷病情。 4．完成 了系統(tǒng)的軟件編寫和調(diào)試。 2．在明確參數(shù)檢測的實(shí)現(xiàn)原理后，本文就呼吸壓力信號的測量，明確了系統(tǒng)應(yīng)具有的功能和達(dá)到的特性，并將系統(tǒng)分為硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)實(shí)兩部分。 本課題通過對呼吸信號參數(shù)特點(diǎn)的分析，完成了 A/D 采樣、 I/0 接口、串口通訊等單片機(jī)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)模擬測量開關(guān)、呼吸信號正常與否的判定。上限報(bào)警實(shí)現(xiàn)程序如圖 413 所示。 圖 49 波形圖顯示界面 呼吸信號檢測的研究 32 圖 410 壓力和頻率實(shí)時顯示界 面 圖 411 波形和數(shù)據(jù)、字符串顯示程序 上限報(bào)警 軟件能對采集到的壓力和頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果高于設(shè)定的壓力和頻率值時則會進(jìn)行報(bào)警，采集數(shù)據(jù)正常時 LED 顯示綠色，采集數(shù)據(jù)超過上限后 LED 顯示紅色。波形圖顯示界面如圖49 所示。把第一位之后的字符串用分?jǐn)?shù) /指數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換函數(shù)轉(zhuǎn)換成雙精度浮點(diǎn)數(shù)形式。 VISA 設(shè)備清零和關(guān)閉程序如圖 47 所示。 圖 45 字符串發(fā)送程序 字符串發(fā)送成功后需要等待 100 毫秒時間以便下位機(jī)獲取并上傳數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)， VISA Bytes at Serial Port 查詢當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)后賦值給VISA 讀取函數(shù)的字節(jié)總數(shù)輸入接口，當(dāng) VISA 讀取函數(shù)讀取滿字節(jié)總數(shù)輸入接口的字節(jié)數(shù)后就停止讀取，把讀取到的字符串輸出。在串口使用結(jié)束后使用 VISA 關(guān)閉函數(shù)關(guān)閉 VISA 資源。串口配置界面如圖 43 所示，程序框圖如圖 44 所示。系統(tǒng)前面板和程序如圖 41 和 42 所示。 C1 C14 為濾波電容，為輸入電壓濾波； C1 C12 和 C29 也為濾波電容，濾波輸出電壓中的干擾噪聲。 電源轉(zhuǎn)換模塊 本系統(tǒng)各個模塊采 用電源都為 +，而 USB 提供電源為 +5V，需要用一個模塊將其轉(zhuǎn)換為 +，為此選取了 REG102 電源轉(zhuǎn)換芯片，該芯片功能與特性如下： （ 1）可提供固定 、 、 、 、 ； （ 2）低噪聲： 28μVrms； （ 3）高精度：輸出電壓誤差低于 %； 呼吸信號檢測的研究 25 電源模塊原理圖如圖 38 所示，電感 L1 與 +5V 相連，濾除干擾噪聲，為芯片提供一個比較 “” 純凈 ” 的輸入和使能電壓，芯片 IN 腳為電壓輸入端口。任何時刻， “ 接收 ” 和 “ 發(fā)送 ”只能有一個處于工作狀態(tài)，在本系統(tǒng)中， RS485 模塊只處于發(fā)送狀態(tài)，由單片機(jī)向PC 機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。 RS485 電路模塊 單片機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)可以通過串口直接送入 PC 機(jī)，但在實(shí)際硬件環(huán)境中常會有 電氣噪聲影響傳輸線路，這會造成信號傳輸錯誤，為了消除這一影響，在串口與 PC機(jī)之間加一個 RS485 模塊。 圖 36 單片機(jī)模塊 1 腳 VSS 接地（模擬接地） ， 5 腳接電源（模擬電源），它通過一個電感 L13 與電源 VCC 連接，電感的作用是濾除電源 VCC 里的干擾信號，得到相對 “ 干凈 ” 的電源 VCC1；同理，通過電感 L4 連接 VCC1，模擬參考電壓端口 AVREF 接入更 “ 干凈 ” 的參考電源信號； RESET 為芯片復(fù)位管腳，與 X1， X2 一起作為程序下載口：P P31 和 P40 作為 IO 口控制 LTC69101 的放大總數(shù)；單片機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換端口 AIN0與次級放大器輸出端口相連；串口 RXD TXD6 和 P42 端口與 RS485 模塊相連，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)串口發(fā)送功能。 單片機(jī)模塊 單片機(jī)模塊是硬件系統(tǒng)的核心部分，將放大后的信號采集后進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換，使模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)行數(shù)字濾波處理后將信號通過串口發(fā)送至 RS485 電路，它還控制著初級放大電路的放大倍數(shù)。 LT6202 是一款低噪聲、低成本的運(yùn)算放大器芯片，其性能特性如下： （ 1）工作電壓： ～ ； （ 2）輸入偏移電壓： ； （ 3）輸入 噪聲： 8nV/ Hz； （ 4）的電源電壓敏感度； （ 5）偏置電壓： 本系統(tǒng)所用的 LT6202 芯片的 5 管腳 SOT 封裝。單片機(jī)通過輸入不同數(shù)字信號可以調(diào)節(jié)放大器放大倍數(shù)，理想放大器供電為 ，根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況，放大倍數(shù)設(shè)為 10 倍為宜，處理呼吸信號時，放大倍數(shù)設(shè)為 20 倍為最佳。 在本設(shè)計(jì)中我們用的是直流單臂電橋接法，如圖 所示，其中一個電阻為傳感器 ,我們將此電橋叫單臂電橋，現(xiàn) 假定 R1不感受應(yīng)變時，可調(diào)整某一個固定電阻使其輸出為零（必然滿足 R1R3=R2R4）。 ③ 分布容量低，可應(yīng)用于高頻領(lǐng)域。本文選擇 HoneywenSursenseDC010NDC4 作為采集呼吸壓力信號的傳感器，傳感器的實(shí)物圖如圖 31 所示。呼吸信號屬于低壓差信號，所以對傳感器的靈敏度有一定的要求，只有靈敏度越高， 輸出信號的振幅越大，提高了信號的信噪比，方便了儀器的數(shù)字信號處理和算法的設(shè)計(jì)。 呼吸信號檢測的研究 16 第三章 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 呼吸信號檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 傳感器模塊 傳感器模塊分為兩部分，分別是檢測呼吸壓力和呼吸頻率。其主要優(yōu)越性如下：（ 1）在此圖形操作環(huán)境下拋棄了繁瑣的傳統(tǒng)菜單，窗口標(biāo)題下不再出現(xiàn)菜單欄，方便用戶使用。 LabVIEW 簡介 為了簡化操作和提高開發(fā)及操作效率，本系統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理軟件采用虛擬儀器LabVIEW 來開發(fā)。經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)由 LabVIEW 的實(shí)時趨勢圖控件（ WaveformChart）顯示出信號曲線。操作簡單還擁有如此強(qiáng)大的功能使得 Protel 99 SE 軟件滿足了絕大多數(shù)電子電路設(shè)計(jì)者的需求。一部分是電路圖設(shè)計(jì)，另外一部分則是電路仿真和 PLD設(shè)計(jì)。 呼吸信號檢測的研究 13 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 硬件部分 硬件電路系統(tǒng)組成 圖 21 呼吸信號硬件總體框架圖 本文設(shè)計(jì)的呼吸信號檢測硬件系統(tǒng)，具有準(zhǔn)確性較高、成本低、體積始終的特點(diǎn)。呼吸力學(xué)參數(shù)的測量是肺功能評價和手術(shù)病人麻醉過程中對呼吸功能評價的重要方法，也是對呼吸機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)提供動態(tài)監(jiān)測的方法，這些在臨床上都具有重要的實(shí)際意義 [8]。而通過吸氣流量傳感器的空氧混合氣體，是干燥氣體，其加熱電阻沒被通電，所以就不會有熱的感覺 [7]。在主通道上加有金屬網(wǎng)，這樣當(dāng)有氣體流過時，就會產(chǎn)生一定的阻力迫使部分氣體通過測量孔，產(chǎn)生一定的壓力，從而使晶體傾斜，引起晶體兩端電阻偏移。 德國西門子公司研制的 900C 呼吸機(jī) 呼吸信號檢測的研究 10 圖 110 900C 呼吸機(jī) 900C 呼吸機(jī)以控制精確度高、性能穩(wěn)定、故障率低而聞名，因而在各大醫(yī)院應(yīng)用也較為廣泛。 電路系統(tǒng)的作用 是接受用戶對呼吸參數(shù)的輸入，控制氣路系統(tǒng)的工作和監(jiān)測患者的呼吸參數(shù)。 國外的呼吸檢測儀器 美國泰科公司研制的 PB760 呼吸機(jī) 呼吸信號檢測的研究 9 圖 19 Puritan Bent? 760 呼吸機(jī) 其具有標(biāo)準(zhǔn)化的流量觸發(fā)及精確的氣體傳輸，采用先進(jìn)的無摩擦伺服閥作為氣體輸送系統(tǒng)，使呼吸機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)速度快，并且操作界面直觀方便。主機(jī)內(nèi)置溫度傳感器，自動測量氣體溫度，實(shí)現(xiàn)溫度自動補(bǔ)償，保證流量測量精度。 圖 17 PF300 型呼吸機(jī)質(zhì)量檢測儀 呼吸信號檢測的研究 8 測試軟件 FlowLab 提供全參數(shù)數(shù)值監(jiān)測、圖表式精細(xì)化分析以及趨勢記錄功能。實(shí) 時描記各種呼吸曲線、呼吸環(huán)，且每個呼吸環(huán)可存儲、對比，幫助醫(yī)生判斷病情發(fā)展的治療效果。通氣模式為常用的基本通氣模式，基本上能夠滿足臨床使用要求。 1971年制成電動時間切換定容呼吸機(jī)。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 發(fā)展歷程 第 1 代源于 19～ 20 世紀(jì)中葉，結(jié)構(gòu)和功能均較簡單，如鐵肺、胸甲呼吸機(jī)和壓差室呼吸機(jī)。 Corbishlev 等提出了一個微型的、可穿戴的呼吸監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將拾音器放置在衣領(lǐng)處獲取呼吸聲音。 另一種是壓力應(yīng)變感應(yīng)式流量傳感器， 它是在呼吸回路中分出一個很小的并行支氣