多生命参数监护仪用呼吸检测电路

    摘 要： 介绍了一种用于多生命参数病人监护仪中的呼吸检测电路。它采用呼吸阻抗法原理，利用心电电极采集呼吸波信号，并将呼吸波信号送入80c196单片机内的A/D转换为数字信号，计算出呼吸频率，同时在LCD上显示。

    关键词： 呼吸阻抗法 呼吸信号 调制解调

    随着传感技术和电子技术的发展，病人监护仪正广泛应用于临床监护中。传统的监护仪由于监护参数单一，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，我们开发了一套小型化、低功耗的多生命参数病人监护仪，它能长时间实时监护病人的心电（ECG）、呼吸（RESP）、血氧饱和度（SPO2）、血压（BP）和体温（Temp)。异常情况下，如导联脱落，能自动报警提醒医生注意。同时，该设备还能通过RS232接口实现计算机通讯，并逐步实现多台病人监护仪的网络化，以满足所有临床科室的应用需要。

    １ 监护仪用呼吸检测电路原理

    监护仪用呼吸检测电路是利用呼吸阻抗法原理。它借用测量心电的胸部监护电极，采用高频激励脉冲使呼吸波信号调制在其之上，然后对被调制信号进行解调、放大、滤波，获得清晰、稳定的呼吸曲线，电路原理框图如图１所示。

    图1中的LL和RA分别代表心电电极中的左腹部电极和右上胸电极。EN是控制信号，由80C196C单片机控制。当EN是低电平时，高频激励脉冲发生电路不产生脉冲，本电路不工作；当EN为高电平时，高频激励脉冲发生电路将高频激励电压通过心电电极LL和RA加在人体上，注入安全电流，而两电极之间由于呼吸产生的阻抗变化所引起的电信号就调制在高频激励脉冲之上。该调制信号经过解调、放大、滤波以后所得到呼吸波信号RESP。最后将RESP信号送入CPU，由CPU计算出呼吸频率。为了保证病人的电气安全，该电路采用高能电池供电，故不需要光电隔离电路耦合。

    ２ 高频激励电压发生电路原理

    如图２所示，EN是控制系统送来的呼吸测量使能信号，当不需要检测呼吸信号时，控制系统将EN置为低电平，D触发器不工作，输出Q和Q保持高或低电平，由于电容C的隔直作用，此时没有激励电压加于人体，当需要检测呼吸信号时，EN置为高电平，D触发器对振荡器产生的125kHz方波进行二分频，得到5V（或-5V）的62.5kHz的方波。在方波的每个周期中，C3,C4通过LL和RA之间的人体电阻即呼吸阻抗Rb及R3,R4两个固定电阻充放电，其等效电路图如图３所示。

    图中Rb为人体阻抗，由生物阻抗的频散理论可知，在62.5kHz附近频带，人体阻抗呈近似纯电阻特性，几乎无膜电容影响，10Ω～10kΩ量级。取Ｒ3=Ｒ4=30kΩ，C3=C4=1000pf。这样，流经人体的最大电流约为0.08mA，属于安全电流范围，并且该电路的时间常数τ约为32μs，而方波周期Ｔ约为16μs。故每次充放电都不完全，A1、B1二点电位，其波形图见图4。

    由于呼吸使胸廓扩张使得Rb按呼吸频率变化，其变化范围0.1～0.3Ω，相对Q来说为慢变信号，则在每个Rb的变化周期内，随着Rb的变化引起的等效电路时间常数的微弱变化使得B1，B2点电位随Rb的变化而变化，并且每一瞬间B1与Ｂ２点的电位差的绝对值Ub(t)与Ｒｂ成正比。这样呼吸信号Ub(t)就相当于调制在62.5kHz的载波上，调制方式为调幅。从而与电频的心电信号相区别。只要能够获取Ub(t)的波形，就可以得到呼吸波信号。

    ３ 前置放大器

    如前所述，心电信号和调制有呼吸信息的高频脉冲信号均从心电电极（LL和RA）上提取。由于心电信号和呼吸信号都非常微小，因此在解调和滤波之前应先将小信号放大，以便于解调和滤波。这部分工作由前置放大器完成。

    根据心电信号和呼吸信号的特点，要求前置放大器应具有低噪声、低漂移、低功耗、高共模抑制比的性能。为此，笔者选用了AD620作为前置放大器。如图5所示。

    ４ 解调处理电路

    经过AD620前置放大输出的信号中，含有呼吸信号经调幅调制后的信号。为了获得人体呼吸阻抗的信息，需要将该信号解调。这一部分的工作就由解调处理电路来完成。解调电路采用二极管检波电路。

    图6为全波整流电路，也称绝对值电路。它由半波整流电路和加法电路组成。其调幅检波是利用二极管的单向导通性。

    当VI＞0时，D1导通，D2截止，电压VA=-VI，此时整流电路输出电压Vo=VI；

    当VI＜0时，D1截止，D2导通，电压VA=0，此时，整流过程与A1无关，整流电路的输出电压Vo=-VI＞0。

    由此可见，该电路的输出Vo=|Vi|，可单边检出调制信号。

    ５ 放大滤波电路

    含有人体呼吸阻抗信息的信号经解调后，含有大量的直流分量和高频噪声，需要进行高通和低通滤波。同时，经解调后的信号仅为毫伏级，故需进一步放大处理。为此，该部分设计框图如图７所示。

    滤波电路采用了无源RC高通和BUTTERWEALTH二阶低通。放大采用了两级放大。

    以上介绍的多参数监护仪用呼吸检测电路已经与心电检测电路相级联，经过对4组不同年龄、性别的样本实验证明，该电路能够实时显示出清晰，稳定的呼吸波RESP信号，并且同心电信号部分互不干扰。该电路具有低功耗、便携、廉价的优点，完全满足多参数生命监护仪用要求。在该监护仪中，将RESP信号经过整形后送入80C196单片机的片内A/D转换器转换为数字信号，计算出呼吸频率，并与相应的软件相匹配实现仪器的人工智能，从而实现实时监护病人的呼吸信号，在LCD显示器上实时显示呼吸频率以及在呼吸异常时实时报警等监护要求。