心脏监护仪范小明.pdf

心脏监护系统设计

——TheDesignofCardiacMonitor

一：开题

在医院或者大型诊所，心电图机可以为患者提供心电描述和心脏的病情诊

断。较完整的心电描迹和自我判断功能为心电图机在医疗行业获得了很好的应

用。

可是，更多的患者需要更为轻巧、成本更为低廉的小型心脏监护仪（Cardiac

Monitor），期望它能够随时检测患者的心率，并给出一定的警示功能。而这些是

大型心电图机所不能满足的。基于上述的优点，小型心脏监护仪可以在家庭、野

外、出差时随时监测患者的心率变化情况。

期待中的心脏监护仪应该具备以下的功能和优点：

一：较为准确的心率监测和显示系统

二：能够实时判断患者的心率正常与否

三：体积小，重量轻，能够随身携带

四：成本不能太高

实现设计的难点在于心电信号的采集、处理和单片机心率的计数。这些构成

了心电监护仪的核心内容。

二：心电信号的特点

所检测心电信号的特点：

1：频率较低，不大于250Hz（主要频率集中在100Hz以下）

2：P波幅度不超过0.25mVR波幅度在1~4mV之间

3：信号采集时若采用导联方式，两根输入线的信号有较大的共模电压信号

4：常人心跳每分钟约60～100次/分，当心率=50次/分时属于心率过缓,

心率=120次/分时属于心率过快

三：方案的理论设计

I：信号采集端：（方案比较一）

采集心电信号有多种方法，但目前比较有实用价值并且容易产品化的有脉搏

检测和导联输入两种。

1、脉搏检测采用光电式脉搏传感器的工作方式。

人体肌肉组织容易透射光线，但由于血液对光线的吸收作用，光照在一般人

体组织中穿透性要比在血液中大几十倍。

如左图所示：测量时将拇指放入光电传感器内，

光源发出的光透射过拇指时，由于手指血管容积会随

着心脏搏动而变化，致使光敏二极管的电流作周期性

变化，从而通过电流达到测量心率的目的。

可是，脉搏式传感器的工作方式决定了它的缺陷。过于依靠手指血管的容积来获得

周期性的电流容易造成误差，并且相对于导联采集所用的器材来说，光电脉搏传感器价

格昂贵效果却不一定好。

2、导联输入方式

现在是国际上通用的心电信号获取方式，自创立以来百余年发展很快，已经成为

医院的心电图机和心电仪信号采集的主要方式。相对于光电式脉搏传感器而言，它直接

获取心电信号，结构简单，容易操作，误差较小，成本低廉。

鉴于此，本设计方案的心电信号的提取采用导联输入法。

II:心率计的软硬件实现方法（方案比较二）

1、阈值比较输出高低电平法（教材P265）

心电信号经过阈值检测器形成0和1的高低电平之后，通过单稳态多谐振荡器延时

措施实现有“信号时间”加倍，再通过高频的时钟脉冲求与，使心动周期间隔中产生“密

集”的时钟脉冲，再而计算脉冲数即可以导出心动周期。接着将数字信号通过可变阻的

数模转换器和电流/电压转换器形成与心率成正比的电压输出，这样的一系列过程可以

产生较好的心率计数器。

但是，对于轻便的心脏监护仪来说，这样的硬件流程也存在一些不足之处。最重要

的一点是硬件环节颇多，调试困难。同时，还可以看到，在通过阈值检测器时直接将信

号转化成单一的高低电平注定了要产生较大的误差。因为采集信号的过程中，QRS波并

非理想状况，很可能在QR波段上升和RS波段下降过程中产生回降的现象，如下图所

示：

由于QRS波段持续时间是0.06～0.10s，即60000us～100000us.而阈值检测器

产生的高电平时间仅仅持续10us。若出现波段回降现象，很可能造成10us高电平过后

不久（同一个QRS波段）又产生一个高电平段从而对心动周期和输出电压的计算产生