医院里做手术、ICU、急救都离不开多参数监护仪,就是那台床边的机器,屏幕上跳着心电波形,显示着心率、血压、血氧饱和度、呼吸率这些数字,数值异常还会报警。很多人好奇这些参数是怎么测出来的,毕竟没有抽血、没有插管,就贴几个电极片、夹个手指夹、绑个袖带,数据就出来了。今天就聊聊多参数监护仪的基本工作原理,每个参数的测量方法,以及背后的电子电路是怎么设计的。
先看整体结构,多参数监护仪虽然型号很多,但核心模块大同小异。首先是各个参数的前端采集模块:心电(ECG)采集模块、血氧(SpO2)采集模块、无创血压(NIBP)测量模块、呼吸(RESP)采集模块、体温(TEMP)采集模块,高端的还会有有创血压、心输出量、呼末二氧化碳这些模块。采集到的模拟信号先经过放大、滤波、AD转换成数字信号,然后送到主控MCU或MPU做数字信号处理,算出血率、血氧值、血压值这些参数,最后送到显示屏显示,异常时驱动蜂鸣器报警,数据还可以存到内部存储器或者通过网络传到护士站。电源部分一般用开关电源供电,同时备有可充电锂电池,断电后还能工作几个小时。
心电(ECG)是最基础也是最核心的参数,原理是心肌细胞电活动的变化会传到体表,通过贴在皮肤上的电极片采集微弱的电压信号(一般是毫伏级,0.5mV到5mV左右)。电极一般用的是银/氯化银电极,能减小皮肤接触的极化电压。由于心电信号非常微弱,前端电路要求非常高:首先是仪表放大器(Instrumentation Amplifier,比如AD8221、INA321),它的输入阻抗极高(几百兆欧以上)、共模抑制比(CMRR)极高(100dB以上),能把微弱的心电差分信号放大,同时抑制掉50Hz工频干扰和皮肤接触的共模干扰。放大之后再经过高通滤波(去掉直流漂移和呼吸的低频干扰,一般0.05Hz截止)和低通滤波(去掉高频肌电干扰,一般100Hz到150Hz截止),然后用12位以上的ADC采样,采样率一般250Hz到500Hz足够了。数字信号处理部分主要是做QRS波群检测,找到R波的位置,计算R-R间期就是心率,还能分析心律失常(比如早搏、心动过速、心动过缓)。
血氧饱和度(SpO2)测量用的是光电法,也就是大家熟悉的手指夹,原理其实很巧妙:去氧血红蛋白(Hb)和氧合血红蛋白(HbO2)对不同波长的光吸收程度不一样——Hb对660nm的红光吸收比较多,HbO2对940nm的红外光吸收比较多。指夹里一边是两个发光管,交替发出660nm红光和940nm红外光,另一边是光电二极管,接收透过手指的光强信号。心脏收缩时手指里的动脉血增多,光吸收量会有周期性的变化(跟脉搏同步),而静脉血、皮肤、肌肉这些组织的吸收量是不变的(直流分量)。通过测量红光和红外光在交流分量和直流分量的比值,代入公式就能算出血氧饱和度。这个方法叫"脉搏血氧法"(Pulse Oximetry),不用抽血,无创,几秒就能出结果。SpO2采集模块的电路设计重点:LED的恒流驱动(保证光强稳定)、光电二极管的前置放大(跨阻放大器)、锁相放大或同步检测(因为两个LED是交替亮的,要把红光和红外光的信号分开)、环境光干扰的抑制。
无创血压(NIBP)就是大家熟悉的袖带法,用的是柯氏音法或者示波法,监护仪一般用示波法,不用听诊器,自动测量。原理是:给绑在胳膊上的袖带充气,把压力加到高于收缩压,把肱动脉压闭,然后慢慢放气,袖带压力逐渐下降。当袖带压力降到收缩压以下时,动脉开始有血流通过,会产生小的压力搏动(跟脉搏同步),这个搏动的幅度会随着袖带压力变化——压力降到平均动脉压时搏动幅度最大,再继续降压搏幅又变小。通过传感器检测袖带内压力的变化曲线和搏动幅度的变化,用算法就能算出收缩压、舒张压和平均动脉压。NIBP模块的硬件:主要是一个微型充气泵、两个电磁阀(一个快速放气、一个微调放气)、一个压力传感器(一般用差分硅压阻式传感器,量程0到300mmHg),还有相应的驱动和放大电路。压力传感器的信号非常小,需要用仪表放大器放大,然后ADC采样,MCU控制充气和放气的过程,同时用算法计算血压值。测量过程一般30秒到1分钟出结果。
呼吸(RESP)测量一般是通过心电电极来做的,不用额外的传感器,原理是"阻抗法":呼吸的时候胸廓起伏,两个电极之间的人体阻抗会有微小的变化(胸廓扩大时阻抗变大,缩小时变小),给两个电极通一个高频的小电流(几十KHz、几十微安,对人安全),测量电极之间的电压变化,经过解调就能得到呼吸的波形和呼吸率。体温(TEMP)测量就简单了,用热敏电阻或者热电偶,通过测量探头的阻值或者电压转换成温度,一般是腋下或者体腔探头,精度要求±0.1°C。多参数监护仪的电路设计难点在于安全和抗干扰:医疗设备必须严格遵守安规(比如GB9706.1医用电气设备安全标准),对隔离要求特别高,患者接触的电极、探头必须跟电源之间严格隔离(双重绝缘或加强绝缘,隔离耐压4000V以上),防止触电;抗干扰方面,医院里的电磁环境复杂,要做完善的EMC设计,50Hz工频、电刀、除颤器的干扰都得抑制,不能影响测量精度。
下一篇:没有了