【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 問(wèn)題頗多，呼吸監(jiān)護(hù)同樣面臨這樣的困難。它已經(jīng)不僅僅局限于對(duì)呼吸頻率、呼吸節(jié)律、動(dòng)脈血?dú)庖约捌胀ㄐ仄瘸Ｒ?guī)項(xiàng)目的檢查， 能確切反映患者通氣 /氧合狀況并能指導(dǎo)機(jī)械通氣治療參數(shù)調(diào)節(jié)和臨 床用藥的指標(biāo)更加受到重視。但在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，要實(shí)現(xiàn)用便攜式呼吸監(jiān)護(hù)設(shè)備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)護(hù)這一系列的生理參數(shù)， 是非常困難的。呼吸頻率是呼吸行為一項(xiàng)重要的參數(shù)，通過(guò)對(duì)呼吸率的研究分析，可以獲得許多隱藏在其背后的內(nèi)在的生理信息，并且對(duì)它的檢測(cè)也較易實(shí)現(xiàn)，所以現(xiàn)有的呼吸監(jiān)護(hù)設(shè)備主要監(jiān)測(cè)的就是呼吸頻率。 呼吸測(cè)量原理 呼吸系統(tǒng)功能的監(jiān)測(cè)是臨床監(jiān)護(hù)的一個(gè)重要方面。要進(jìn)行全面的呼吸功能監(jiān)測(cè)，需要肺活量計(jì)、氣道壓力表、氣體質(zhì)譜儀及血?dú)夥治鰞x等儀器監(jiān)測(cè)肺活量、潮氣量、氣道阻力、血氧及二氧化碳。 呼吸頻率是 監(jiān)測(cè)呼吸系統(tǒng)功能的一個(gè)基本指標(biāo)。呼吸頻率的檢測(cè)技術(shù)手段很多，有熱敏元件檢測(cè)法，阻抗技術(shù)檢測(cè)法、呼吸流速儀法、監(jiān)測(cè)由呼吸運(yùn)動(dòng)引起的胸部物理變形的方法等。本文主要討論利用熱敏法原理監(jiān)測(cè)呼吸頻率。 熱敏電阻的主要特點(diǎn)是：①靈敏度高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大 10～ 100倍以上，能檢測(cè)出 6℃ 內(nèi)的溫度變化 [10]；②工作溫度范圍寬，常溫期間使用于一55～ 315℃ ，高溫期間適用溫度高于 315℃ (目前最高可以達(dá)到 2020℃ )，低溫器件適用于 一 273～ 55℃ ；③體積小，能夠測(cè)量其他溫度計(jì)無(wú)法測(cè)量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫 度；④使用方便，電阻值可在 0． 1～ 100KQ 間任意選擇；⑤易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；⑥穩(wěn)定性好、過(guò)濾能力強(qiáng)。由溫度傳感器、直流電橋電路、放大電路等組成橋式電路通過(guò)熱敏電阻感知呼吸氣體的溫度與環(huán)境溫度是否相同來(lái)提供輸出的微弱的模擬信號(hào) (電壓 )。經(jīng)運(yùn)算放大電路放大，再送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 熱敏法原理：熱敏元件監(jiān)測(cè)法監(jiān)測(cè)呼吸頻率的原理是人體呼吸時(shí)呼吸氣流溫度發(fā)生變化，熱敏元件將溫度變化轉(zhuǎn)為電信號(hào)，從而獲得呼吸氣流溫度變化信號(hào)，通過(guò)對(duì)氣流溫度信號(hào)變化的識(shí)別，識(shí)別出呼吸狀態(tài)的改變，進(jìn)一步得到單位時(shí)間內(nèi)呼吸次數(shù)，即 呼吸頻率。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，測(cè)試簡(jiǎn)單易行，便于重復(fù)使用，而且不受病人身體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生干擾的影響，特別適用于監(jiān)測(cè)處于轉(zhuǎn)移和運(yùn)輸途中的病員的呼吸頻率。 心率測(cè)量模塊心率 便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 10 人體心率 心率 (Heart Rate)：用來(lái)描述心動(dòng)周期的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，是指心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)，以第一聲音為準(zhǔn)。正常成年人安靜時(shí)的心率有顯著的個(gè)體差異，平均在 75 次/分左右 (60— 100 次 /分之間 )。心率可因年齡、性別及其它生理情況而不同。初生兒的心率很快，可達(dá) 130 次 /分以上。在成年人中，女性的心率一般比男性稍快。同一個(gè)人 ，在安靜或睡眠時(shí)心率減慢，運(yùn)動(dòng)時(shí)或情緒激動(dòng)時(shí)心率加快，在某些藥物或神經(jīng)體液因素的影響下，會(huì)使心率發(fā)生加快或減慢。經(jīng)常進(jìn)行體力勞動(dòng)和體育鍛煉的人，平時(shí)心率較慢。近年，國(guó)內(nèi)大樣本健康人群調(diào)查發(fā)現(xiàn)：國(guó)人男性心率的正常范圍為 50— 95 次 /分，女性為 55— 95 次 /分。所以，心率隨年齡，性別和健康狀況變化而變化。 心臟是人體的重要器官，是血液循環(huán)的動(dòng)力裝置，每時(shí)每刻按著一定的速率和節(jié)律跳動(dòng)，它的狀況好壞直接關(guān)系著人們的身體健康。心臟每次跳動(dòng)之前，首先產(chǎn)生電激動(dòng)，電激動(dòng)始于竇房結(jié)，并沿心臟的特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)下傳，先后興奮心房 和心室，使心臟收縮執(zhí)行泵血功能。這種先后有序的電興奮的傳播，可經(jīng)人體組織傳到體表，產(chǎn)生一系列的電位改變，并被記錄下來(lái)用于反應(yīng)心臟活動(dòng)，這就是心電圖。 圖 典型的心電信號(hào)圖 隨著心臟的搏動(dòng)，心電圖上出現(xiàn)一組特征性的波形 (P， QRS， T 及 U 波 )， 這些波形對(duì)應(yīng)著心臟的基本電活動(dòng)。圖 所示是一個(gè)正常狀況下的典型的完整心電波形。心電圖的各個(gè)波、段和間期都有其特殊的生理意義，可作為臨床分析心臟便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 11 疾病的重要參考資料： P 波，最早出現(xiàn)，幅度最小，是代表心房肌去極化過(guò)程的電位變化。其起點(diǎn)表示竇房結(jié)的激動(dòng)已到達(dá)心房，使心房開(kāi)始去極化；其重點(diǎn)表示兩心房全部去極化完畢。因竇房結(jié)的激動(dòng)先傳導(dǎo)到右心房，后傳導(dǎo)到左心房，故 P 波的前半部代表右心房的激動(dòng)，后半部代表左心房的激動(dòng)。 PR 間期，是從 P 波起點(diǎn)到 QRS 波群起點(diǎn)的時(shí)間間隔，反映心房去極化開(kāi)始到 心室去極化開(kāi)始的間隔時(shí)間，正常為 ～ 秒，若 PR 間期延長(zhǎng)，則表示房室傳導(dǎo)受阻。 QRS綜合波，是心電圖中幅度最大的波群，反映心室去極化的全過(guò)程， QRS綜合波形狀以及激動(dòng)在心室內(nèi)傳播的途徑與束支的分布有關(guān)。由于心室各部的肌肉厚度不一，故 QRS綜合波反映的是幾個(gè)去極化過(guò)程所產(chǎn)生的電位變化的綜合情況，因此稱(chēng)為 QRS綜合波。其持續(xù)時(shí)間的正常值約為 ～ 。 ST段指 QRS綜合波終點(diǎn)到 T波起點(diǎn)的一段，表示心室去極化結(jié)束至復(fù)極化開(kāi)始的一段時(shí)間。正常人 ST段光滑，凹面 向上，在心率緩慢時(shí)， ST段呈水平直線，但大多數(shù)情況 ST段與 T波相連不易分開(kāi)。 T波， QRS綜合波后向上或向下的一個(gè)圓鈍波，代表心室肌復(fù)極化時(shí)的電位變化。復(fù)極化的電位一般比去極化電位低，因此復(fù)極化過(guò)程慢，所占時(shí)間也比較長(zhǎng)。 QT間期， QRS綜合波起點(diǎn)到 T波終點(diǎn)，是心室開(kāi)始去極化到復(fù)極全部完成所需的時(shí)間，正常值為 ～ 。 U波，在 T波之后約 ～ ，一般較寬而低。危、急重病人 ECG監(jiān)測(cè)，是對(duì)心臟節(jié)律監(jiān)測(cè)最有效的手段。通過(guò)監(jiān)測(cè)，可發(fā)現(xiàn)心臟節(jié)律異常，各種心律紊亂，如房 性、室性旱搏，心肌供血情況、電解質(zhì)紊亂等。 心率測(cè)量原理 目前脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)有以下幾種檢測(cè)方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應(yīng)變式脈搏傳感器。近年來(lái)光電檢測(cè)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快，這主要是由于光能避開(kāi)強(qiáng)烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測(cè)病人各種癥狀信息。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了指套式的透射型光電傳感器，實(shí)現(xiàn)了光電隔離，減少了對(duì)后級(jí)模擬電路的干擾。傳感器是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。所用光電式傳感 器由發(fā)光二級(jí)管和光敏二極管組成，其工作原理是：發(fā)光二極管發(fā)出的光透射過(guò)手指，經(jīng)過(guò)手指組織的血液吸收和衰減，由光敏二極管接收。由于手指動(dòng)脈血在血液循環(huán)過(guò)程中呈周期性的脈動(dòng)變化，所以它對(duì)光的吸便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 12 收和衰減也是周期性脈動(dòng)的，于是光敏二極管輸出信號(hào)的變化也就反映了動(dòng)脈血的脈動(dòng)變化。 本章小結(jié) 本章主要講述了四個(gè)生理參數(shù)的基本知識(shí)及測(cè)量器件的選擇和測(cè)量原理，為下面的軟件流程圖的設(shè)計(jì)坐下鋪墊。只有對(duì)每個(gè)模塊的參數(shù)認(rèn)識(shí)到位和測(cè)量器件選擇準(zhǔn)確才能準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出系統(tǒng)流程圖，才能完成軟件的編程。 便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 13 3 多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89C51 單片機(jī)介紹 AT89C51 是一種帶 4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中 ATMEL的 AT89C51是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本 [11]。 AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 圖 單片機(jī) 89C51 結(jié)構(gòu)框圖 CPU 串行通訊口 RAM 輸入輸出接口 計(jì)數(shù)器 定時(shí)器 時(shí)鐘 FLASH 便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 14 圖 單片機(jī) 89C51 引腳圖 1． 主要特性 ： （ 1） 與 MCS51 兼容 （ 2） 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 （ 3）壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) （ 4） 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 （ 5）全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz （ 6）三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 （ 7） 128*8 位內(nèi)部 RAM （ 8） 32 可編程 I/O 線 （ 9）兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 （ 10） 5 個(gè)中斷源 （ 11）可編程串行通道 （ 13）低功耗的閑置和掉電模式 （ 14）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 單片機(jī) C 語(yǔ)言簡(jiǎn)介 用于單片機(jī)軟件編程 [12]的語(yǔ)言有面向單片機(jī)的 C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言。 C是一種源于編寫(xiě) uNIx操作系統(tǒng)的語(yǔ)言，它是一種結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言．可產(chǎn)生緊湊代碼，可以進(jìn)行許多機(jī)器級(jí)函數(shù)控制。匯編語(yǔ)言是用操作內(nèi)容的英文詞的縮寫(xiě) 符號(hào)代替二進(jìn)制編碼，用符號(hào)代替地址或操作的數(shù)據(jù)。與匯編相比 ， C語(yǔ)言有如下特點(diǎn)： 便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 15 1. 對(duì)單片機(jī)的指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求對(duì)控制器的存儲(chǔ)器有初步了解； 2．寄存器分配，不同存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)類(lèi)型等細(xì)節(jié)可由編譯器管理； 3．程序有規(guī)范的結(jié)構(gòu)，可分為不同的函數(shù)，這種方式可使程序結(jié)構(gòu)化； 4．具有將可變的選擇與特殊操作結(jié)合在一起的能力，改善了程序的可讀性； 5．關(guān)鍵字與運(yùn)算函數(shù)可用近似人的思維過(guò)程方式使用； 6．編程與程序調(diào)試時(shí)間顯著縮短，從而提高效率； 7．提供的庫(kù)包含許多標(biāo)準(zhǔn)子程序，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能 力； 8．已編好程序可容易的植入新程序，因?yàn)樗哂蟹奖愕哪K化編程技術(shù)。 因此，用 C語(yǔ)言進(jìn)行 MSP430程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的必然趨勢(shì)。單片機(jī)教學(xué)中的程序設(shè)計(jì)也應(yīng)該以 C語(yǔ)言為主，匯編語(yǔ)言為輔 [13]。對(duì)匯編語(yǔ)言掌握到只要可以讀懂程序，在時(shí)間要求比較嚴(yán)格的模塊中進(jìn)行程序的優(yōu)化即可。采用 C語(yǔ)言也不必對(duì)單片機(jī)和硬件接口的結(jié)構(gòu)有很深入的了解，編譯器可以自動(dòng)完成變量的存貯單元的分配，編譯者就可以專(zhuān)注于應(yīng)用軟件部分的設(shè)計(jì)，大大加快了軟件的開(kāi)發(fā)速度。 Keil C51 開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 Keil C51 是 美國(guó) Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng) ]，與匯編相比， C 語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部分組合在一起。運(yùn)行 Keil 軟件需要 WIN9 NT、 WIN20 WINXP 等操作系統(tǒng)。如果你使用 C 語(yǔ)言編程，那么 Keil 幾乎就是你的不二之選，即使不使用 C 語(yǔ)言而僅用匯編語(yǔ)言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng) 大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)令你事半功倍。 Keil使用中幾個(gè)重要步驟： 其一：輸入源程序。在新的文本編輯窗中輸入源程序，可以輸入 C語(yǔ)言程序，也可以輸入?yún)R編語(yǔ)言程序。在文本編輯窗中輸入源程序并保存，文本保存的名稱(chēng)為 。 便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 16 圖 輸入源程序 其二： 新建立 Keil 工程。點(diǎn)擊 工程 → 新建工程 命令，將出現(xiàn)保存對(duì)話框 。 圖 新建工程 其三： 加入源程序到工程中。 圖 添加文件到工程命令 便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 17 其四： 工程目標(biāo)屬性設(shè)置。 圖 進(jìn)入工程目標(biāo)屬性設(shè)置 其五： 源程序的編譯與目標(biāo)文件的獲得 。 圖 編譯源程序 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的整個(gè)程序上基本上采用 C51編程，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用 [14]。根據(jù)前面幾個(gè)章節(jié)所述內(nèi)容，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能： 便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 18 1．溫度信號(hào)的采集處理 通過(guò)溫度傳感器 DS18B20進(jìn)行溫度的采集并通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理，存儲(chǔ)和顯示。 2．血壓信號(hào)的采集處理 通過(guò) 1620型血壓計(jì)壓力傳感器對(duì)血壓信號(hào)的采集并通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理。 3．呼吸信 號(hào)采集 用熱敏電阻法對(duì)呼吸信號(hào)的采集處理 4．心率信號(hào)的采集 利用 光電式傳感器采集心率信號(hào)通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理。 設(shè)計(jì)方