多床位心电监护仪设计与实现

摘要：为了实现对多个床位患者心电的监护，提出多床位心电监护仪设计思想，解决传统心电采集过程中对单床位患者心电的监护，实现医生集中监护病房中患者心脏跳动的目的。上位机采用Visual C++6．0开发监护控制软件，采用USB 2．0接口接收下位机上传的心电数据；下位机用MCS-51单片机采集患者的心电数据。
关键词：心电监护；上位机；信号放大；心电采集

0 引言
为了适应现代医疗业的迅速发展，心电监护仪是临床诊疗的一种必备检查设备。心电监护仪种类较多，如临床使用的基于PC平台的心电监护仪，家用便携式心电监护仪，随时携带便携式心电监护仪等。
调查表明，心血管疾病已经成为目前威胁人类生命的主要疾病之一，导致此类疾病的主要原因是人们生活节奏加快、人口逐渐老龄化以及生活不规律性。心血管疾病的主要特点是突发性、短暂性和危险性。如果不能及时发现并进行治疗，将会导致患者死亡的严重后果。
心电监护仪是检查、诊断和预防该类疾病的重要手段和依据，是监护患者心脏状态的一个重要仪器；对于心肌梗塞、心律失常等症状，心电监护仪的使用贯穿于治疗、康复的整个过程。由于传统的基于PC机平台的心电监护仪，价格昂贵，体积庞大，不便于移动且主要集中在大医院，给医生和患者带来了很大的不便。采用一台PC机设计一种新型多床位心电监护仪。它利用上位机来远程监视多位患者的心电，不但可以降低成本、缩小体积，而且还可以同时监护多位患者，方便医生随时查看被检查床位患者的病情。

1 心电波形知识
1．1 心电波形组成
心电波形是由一系列的波组所构成，每个波组代表着每一个心动周期。一个波组包括P波、QRS波群、T波和U波，如图1所示。

(1)P波。P波由心房除极所产生，是每一波组中的第一波，心脏的激动发源于窦房结，然后传导到达心房，它反映了左、右心房的除极过程。前半部分代表右房，后半部分代表左房。
P波呈钝圆形，可有轻度切迹；P波时小于0．11 s，双峰间距小于0．04 s。
(2)QRS波群。典型的QRS波群包括三个紧密相连的波，第一个向下的波称为Q波，继Q波后的一个高尖的直立波称为R波，R波后向下的波称为S波。因其紧密相连，且反映了心室电激动过程，故统称为QRS波群。这个波反映了左、右两心室的除极过程。
QRS时限小于0.11s。
(3)T波。T波位于S-T段之后，是一个比较低且占时较长的波，它是心室复极所产生的。T波在24 h振幅变化较大。
T波钝圆，占时较长，从基线开始缓慢上升，然后较快下降，形成前肢较长、后肢较短的波形；T波方向常和QRS波群的主波方向一致；T波的振幅不应低于同导联R波的1／10。
(4)U波。U波位于T波之后，比较低小，其发生机理未完全明确；一般认为是心肌激动的“激后电位”。
1．2 心电信号的特性
一般电信号有三大特征：幅度、频谱和信号源阻抗。作为生物电的心电信号也是如此：
(1)微弱性。心电信号是自人体体表特定点处拾取的生物电信号，信号通常十分微弱，其幅度一般不超过5mV。
(2)低频特性。通常心电信号的频率较低，其频谱范围一般为0．05～100 Hz，频谱能量主要集中在0．25～35Hz之间。
(3)高阻抗特性。作为心电的信号源，人体源阻抗一般较大，可达几千欧到几十千欧，它将给心电测量带来误差和失真。
(4)不稳定性和随机性。人体是在内环境与外环境相适应的条件下维持其新陈代谢和生命。为适应各种外环境的变化，人体内各种系统的功能活动都在相互影响中不同地变化调整着，以在内环境保持平衡。同时遗传等因素也造成人体的个体差异。由于人体所处内外界环境在时空上的复杂多变性和个体差异，使得人体心电信号表现出不稳定性和随机性。

2 多床位心电监护仪的设计方案
2．1 总体功能目标
开发多床位心电监护仪主要实现以下功能目标：
(1)对所监护每一床位实现监护、动态显示心电波形和打印功能；
(2)对所监护每一床位患者的心电数据存储，并具有查看重显功能；
(3)监护软件可以自动计算心率、并能显示心率数值；
(4)实现上位机的床位选择功能，显示多个床位的心电画面，重点患者心电波形可置顶显示；
(5)实现上位机与下位机的通信功能；
(6)实现下位机的心电数据采集功能；
(7)实现上位机USB接口和串口RS 232的转换设计；
(8)患者心率为0时，实现上位机的报警功能；
2．2 系统总体结构
根据多床位心电监护仪所要完成的功能和特点，建立该系统的主要结构如图2所示。

图2中，PC主控机主要安装有多床位心电监护仪控制软件，完成1～8个床位的监护工作，同时要具备计算心率和心电报警的任务；8051单片机主要用来接收A／D转换后的心电数字信号；A／D转换完成心电的模拟信号转换为单片机要接收的数字信号；光电隔离电路用于心电信号进行去噪、滤波；心电采集和放大器完成对患者心电信号的采集并放大采集信号；心电导联主要连接患者身体的检测部位，采集患者的心电信号。
2．3 多床位心电监护仪控制系统
多床位心电监护仪控制系统是基于Visual C++6．0开发的上位机监控系统，主要完成的功能有开始监护、停止监护、重显、心率显示、取图(波形显示和波形采集)、网格图纸显示、存储、打印、报警、时间和日期，以及利用Visual C++编写USB驱动程序。
系统软件结构框图如图3所示。