人體基本參數(shù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)
研究的是一臺(tái)人體基本參數(shù)測(cè)試儀，可以測(cè)量體溫、脈搏和呼吸間隔等參數(shù)。這些參數(shù)與記錄是應(yīng)用最多的基礎(chǔ)護(hù)理技術(shù)操作，各項(xiàng)技術(shù)比較成熟。但普通便攜式設(shè)備大多功能單一，精度不高，且僅能作為臨時(shí)測(cè)量使用，無法跟蹤病人的整個(gè)治療過程：醫(yī)院里使用的大型醫(yī)療設(shè)備能夠提供很高的精度，且功能全面，但過于專業(yè)的使用方法以及高昂的價(jià)格導(dǎo)致它們的市場(chǎng)需求不高。鑒于這些缺點(diǎn)，該系統(tǒng)的研究具有以下兩點(diǎn)意義：①通過一臺(tái)儀器將人體各項(xiàng)參數(shù)集中在一起進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，從而提高測(cè)量?jī)x器的集成度和便利性。②測(cè)量采用全自動(dòng)的方式，通過對(duì)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定門限，可以在測(cè)量后對(duì)超出門限的參數(shù)自動(dòng)給出相關(guān)說明。這部便攜、精準(zhǔn)和可記錄的人體參數(shù)測(cè)試儀具有很高的科學(xué)價(jià)值和社會(huì)意義。
2 設(shè)計(jì)方案比較分析
2．1 體溫測(cè)量
方案l：采用數(shù)字溫度傳感器。數(shù)字溫度傳感器內(nèi)部集成了溫度傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以把溫度直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送入微處理器。
方案2：采用模擬溫度傳感器。即采用輸出電壓可連續(xù)變化的模擬溫度傳感器，再通過高精度的A／D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。
方案1實(shí)現(xiàn)起來較為簡(jiǎn)單．但想實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測(cè)量，成本較高。而方案2中由于傳感器的輸出電壓可以連續(xù)變化，只需提高A／D轉(zhuǎn)換器的精度就可以大幅度提高溫度測(cè)量的精度，故系統(tǒng)采用方案2。
2．2 呼吸間隔測(cè)量
方案1：人體胸部的起伏可以通過彈性材料的伸縮來反映，彈性材料的伸縮帶動(dòng)滑片在電阻絲上滑動(dòng)，改變其兩端電阻。通過電阻分壓的方法使電壓的變化與胸部起伏的變化規(guī)律相同，最終實(shí)現(xiàn)呼吸間隔的測(cè)量。此方案對(duì)彈性材料和電阻絲，以及捆綁方式都有嚴(yán)格要求。
方案2：采用壓力傳感器實(shí)現(xiàn)。其裝置如圖1所示。圖中的帶子選用長(zhǎng)度形變很小的線材制成，帶子上固定一個(gè)壓力傳感器，則胸腔的起伏引起壓力傳感器上壓力的變化，通過采集傳感器輸出的電信號(hào)在時(shí)間軸上捕捉胸腔起伏的趨勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)呼吸間隔時(shí)間的測(cè)量。該裝置簡(jiǎn)單，更適應(yīng)于便攜設(shè)備的要求。
綜上所述，系統(tǒng)選取方案2。
2．3 脈搏測(cè)量
方案1：采用光電傳感器實(shí)現(xiàn)。將手指尖放置在光源和光敏器件之間，當(dāng)手指中有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，血液的透光性發(fā)生變化，光敏器件接收的光強(qiáng)隨之變化。從而得到按脈搏跳動(dòng)規(guī)律變化的電信號(hào)，但提取的信號(hào)非常微弱。
方案2：采用壓電傳感器實(shí)現(xiàn)。在手腕處安裝靈敏度較高的壓電傳感器，將跳動(dòng)的脈搏產(chǎn)生的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)脈搏的測(cè)量。但是成本較高。
方案3：采用駐極體話筒實(shí)現(xiàn)。讓話筒緊貼脈搏，則跳動(dòng)的脈搏信號(hào)便可通過這一過程轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。該方案提取的電信號(hào)很明顯，測(cè)量精度很，且成本很低。
綜上所述，系統(tǒng)采取方案3。
3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，由提取體溫、脈搏次數(shù)和呼吸間隔的傳感器及相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理模塊、放大整形模塊、電源模塊、鍵盤控制模塊，以及LCD顯示模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)還包括一個(gè)可以與獨(dú)立監(jiān)測(cè)單片機(jī)進(jìn)行串行通訊的集中監(jiān)測(cè)機(jī)，用于對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理。系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。
4 理論分析
4．1 脈搏測(cè)量誤差分析
人的脈搏頻率一般為60～100次／min，以脈搏信號(hào)調(diào)整、整形后的信號(hào)為門限，在第一個(gè)上升沿開始對(duì)標(biāo)準(zhǔn)脈沖fo計(jì)數(shù)，第二個(gè)上升沿停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為N。這種在門限內(nèi)的填充計(jì)數(shù)存在誤差。脈沖頻率越小，計(jì)數(shù)值越大，此方法固有誤差的影響就越小。則脈搏頻率f=100次／min時(shí)，誤差最大。取fo=l kHz，此時(shí)理論上N=fo(60／100)=600次，而實(shí)際可能為599或者601。根據(jù)公式f=(60xfo)／N，可以得到f1=100．169次／min和99．833次／min。△fmax≤0.2次／min，精度很高。
4．2 溫度測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法分析
影響體溫測(cè)量的因素很多。為提高測(cè)量精度，適當(dāng)增加測(cè)量次數(shù)，利用補(bǔ)償?shù)姆椒p小隨機(jī)誤差的影響。為了獲得最可信賴的結(jié)果，利用最小二乘法，在殘余誤差平方和最小的條件下測(cè)得值最可信賴。
被測(cè)溫度和輸出電壓V成線性關(guān)系，即V=b+aT，則線性參數(shù)的誤差方程為
式中：vi為每次測(cè)試值和真值的誤差。
在等精度測(cè)量中，應(yīng)滿足最小二乘條件式
利用標(biāo)準(zhǔn)溫度值T1，T2…Tn帶入方程組中可以解得a和b的值，這樣，就完成了利用最小二乘法對(duì)載重和電壓進(jìn)行線性標(biāo)定的過程。
5 功能電路設(shè)計(jì)
5．1 溫度傳感器及后級(jí)放大電路
該電路采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LM35作為溫度傳感器，由于其輸出電壓較小，所以在后級(jí)加入了同相放大電路，運(yùn)放采用超低噪聲及失調(diào)電壓的LTCl047。如圖3所示。
5．2 脈搏信號(hào)提取電路
該電路由話筒及儀表放大器AD620組成。話筒將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，儀表放大器AD620采用單電源供電，電位器R3用于調(diào)節(jié)2引腳的直流偏置，使其與3引腳的輸入信號(hào)中的直流偏置相同，從而實(shí)現(xiàn)差分放大。其參考端5引腳通過電位器R4加上直流偏置，可以根據(jù)需要對(duì)輸入信號(hào)在較大范圍內(nèi)進(jìn)行放大，如圖4所示。
AD620的失調(diào)電壓和失調(diào)電流小、共模抑制比高，其最大失調(diào)電壓為50μV，最大失調(diào)電流為10 nA，最小共模抑制比為100 dB，所以對(duì)在微弱信號(hào)的處理，也就是放大和消除噪聲方面有著比較優(yōu)秀的品質(zhì)，在儀表放大中應(yīng)用較多，如簡(jiǎn)易心電儀、壓力傳感器、超聲儀等。AD620還有一個(gè)偏置端，可輸出帶偏置的信號(hào)，也可用于程控放大等場(chǎng)合。AD620最典型的應(yīng)用是心電信號(hào)檢測(cè)，圖5為心電信號(hào)檢測(cè)電路中的AD620電路，其輸入端(2、3引腳)接入的是一對(duì)差分信號(hào)。
6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
程序作為單片機(jī)的控制核心。完成基本的功能．應(yīng)有良好的用戶界面，還要考慮較好的適應(yīng)性、通用性，以最大限度地方便調(diào)試階段的修改與調(diào)整。故在程序的編制中應(yīng)注重結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，還要注重層次化設(shè)計(jì)。程序流程圖如圖6所示。
7 結(jié)語
人體參數(shù)測(cè)試儀體積小巧，對(duì)人體溫度、脈搏、呼吸間隔測(cè)量精度高，操作簡(jiǎn)單，采用單節(jié)電池供電．可作為便攜式儀器使用。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到各個(gè)參數(shù)的相對(duì)獨(dú)立性，實(shí)物中的各個(gè)測(cè)量模塊較為獨(dú)立，拆卸十分方便。并且系統(tǒng)具有語音提示及解說的功能。系統(tǒng)上集成了串行接口，可以隨時(shí)與其它相關(guān)儀器設(shè)備構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中測(cè)量和管理。該系統(tǒng)的研究具有重要的社會(huì)價(jià)值和實(shí)際意義。
下載文檔
