多参数监护仪的设计
作者：周荷琴 蔡方辉 王恒良 冯焕清 刘 兵
单位：中国科技大学 (230026)
关键词：多参数监护仪；嵌入式工控卡；OEM模块
中国医疗器械杂志990402 提要 介绍测量心电、脉率、血压、呼吸率、体温和血氧饱和度的多参数监护仪的设计方法。仪器以嵌入式工控卡为主控模块，采用9″CRT显示器，心电、血压、血氧等参数的测量均选用OEM模块。这种设计方案有设计周期短，仪器性能可靠和易于维护等显著特点。
The Design of a Multi-Parameter Patient Monitor
Zhou Heqin Cai Fanghui Wang Hengliang Feng Huanqing Liu Bing
, 百拇医药
University of Science and Technology of China(USTC)
ABSTRACT This paper describes the software and hardware design of a multi-parameter patient monitor which is able to measure ECG,heart rate,blood pressure,breath rate,body temperature and oxygen saturation non-invasively.The instrument uses embedded industry control module as its main controller and 9″CRT as its display.Several OEM modules are utilized in the design,such as ECG module,blood pressure module and oximeter module.This design strategy has the features of reliable performance,easy maintenance,and short developing period.
, 百拇医药
KEY WORDS Multi-Parameter Patient Monitor Embedded Industry Control Module OEM module
多参数监护仪能自动采集和测量心电、血压、脉搏率、血氧饱和度、呼吸速率、体温、呼吸中的二氧化碳浓度等生理参数，是临床上广泛使用的医疗仪器。
除可靠、安全和便携等要求之外，多参数监护仪还应具备波形显示、操作便利等特点，因此设计中普遍采用CRT显示器或液晶显示屏。有人尝试用PC机来设计，界面漂亮，又便于存储数据，但失去了便携的特点。采用支持图形显示功能的高性能单片机，如TI34010，是一种常用方案，但编程难度大，需要昂贵的开发系统。
嵌入式工控卡具有工控机的主要优点，能经受恶劣环境的考验，而且采用开放式总线结构，体积紧凑，扩展方便。它们采用CMOS器件设计，功耗低，又支持电子盘，在固化BIOS和DOS的支持下，可使用PC机的软件资源，便于编制和实现复杂的算法。再加上使用无源底板、抗干扰的Watchdog电路等，使它们很适用于医疗仪器等嵌入式系统的设计。
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采用OEM模块设计多参数监护仪能简化设计，缩短开发周期，有利于提高仪器稳定性、可靠性和可维护性，还有人员投资少，能及时应用最新科技成果等显著优越性。
我们将上述两种新技术结合起来，采用心电、血压和血氧OEM模块，选用LMB340S工控卡，在较短时间里设计出了一台多参数监护仪。
1.工控卡
我们选用大众公司LEO LMB340S 工控卡，它以40MHz主频的80386SX为CPU，带标准的AMI ROM BIOS ，支持16MB内存，有3个可编程定时器，16级硬件中断。此外，卡上还有键盘插口和软、硬盘接口，可用在设计阶段调试程序。一对串、并口可用来驱动记录病案的热敏记录仪或打印机，另一串口留作日后连网构成中央监护系统。它具有与PC/AT兼容的总线插口，能通过无源底板与主要的PC外设接口，包括与CRT显示器连接，实现生理参数波形和测量结果的大屏幕显示。该工控卡最大的特点是支持1.5MB的电子盘，可使用EPROM、SRAM或快闪存储器。这样，设计时可以象在PC机上那样用C语言编制监护仪的主控程序，待成功之后固化进电子盘，并固化进DOS操作系统和简单的启动文件AUTOEXEC.BAT，在完成初始化后由CPU自动执行监护仪主控程序。
, 百拇医药
图1 多参数监护仪框图
2.OEM模块
仪器采用了3个生理参数测量OEM模块：心电、血压和血氧模块。
心电模块是我们自己研制的[1]，也可选用现成产品，如美国BCI公司的心电、心电/呼吸或心电/血氧模块。模块以MC68HC705C8单片机为CPU。它用三个电极检测标准，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ导心电，经多路开关切换后，取一路信号送隔离放大器放大。该放大器兼有DC/DC转换器功能，将输入电路浮地，以保证病人安全和提供高共模干扰抑制能力(CMRR>100dB)。同时，用光电隔离器传送定标和导联切换命令及导联脱落信号。放大了的信号经低通和50Hz陷波滤波后，由10位串行A/D以200Hz速率数字化。程序采用一种双阈值算法检测QRS和计算心率，将数据和模块状态打包后按一定的通信协议从串口送出，并从串口接受命令。
, 百拇医药 血氧模块是美国BCI公司的产品。它以64180单片机为核心，利用光电法和比尔定理，以周期选通的红光和红外光作光源，由光电管接收透过动脉血管的光强，可用指套式、包裹式或Y形探头，在手指、耳垂或婴幼儿脚跟等部位，无创测量动脉血液中的血氧饱和度，并通过串行口送出脉率、脉搏强度和血氧饱和度等参数[2]。
血压模块是深圳金科威公司的产品。它由80C31单片机控制，采用测振法测量血压和脉率[3]。袖袋，充气泵，电子阀门和压力传感器构成封闭的气路。由于采用了5个电子阀门阵列构成一个以气流为模拟量的D/A转换器，能精确控制充放气过程，并使用了过压保护电路，只需更换袖袋，就能对从初生儿到成人进行测量，甚至能在大腿上进行测量。此模块还设计成能从串口连接血氧模块，将血氧与血压参数打包后，从另一串口送给主控制器，简化主控程序的设计。呼吸和体温测量均采用热敏传感器，呼吸波形被转换成矩形波，由程序检测出每分呼吸次数，数字化的体温信号与校准得到的数据比较获得结果。
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3.仪器结构
仪器由工控卡、自行设计的通信接口卡以及9″绿色CRT显示器、心电、血压、血氧模块、电源模块及各种探头等组成，图1是结构框图。工控卡、显示卡和通信卡插在无源底板上，CRT用特制的支架固定，各模块分别固定在机箱底板或后板上，采用模块化的开关电源为仪器供电。
系统有3个测量模块，至少需用两个串口。为此我们在通信卡上用两片INS8250异步串行通信接口芯片和MAX232串口电平变换芯片，设计了两个串门COMM1和COMM2。MAX232是不需外接元件的双EIA/TTL电平变换器，传送速率高达120kHz，它使得串口电路非常简洁。COMM1编程为38400波特，与心电模块连接；COMM2为9600波特，与血压模块相连。这两个串口以中断方式(IRQ10和IRQ11)接受80386的控制，除提高了CPU效率外，还能有效避免各模块间传输的数据和命令的丢失，保证心电和脉搏波形的完好性和实时性，并能避免如此复杂的多CPU系统出错，提高可靠性。血氧模块与血压模块间则用TTL电平的串口连接，经血压模块与主控CPU交换命令和数据。
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选用一片74LS148 8—3线优先编码器设计键状态读入电路。在面板上仅安排了7个按键，其中6个作菜单操作键，与屏幕上的多层菜单配合实现复杂的控制功能，另一个为消声键，任何时刻按此键即实现报警器的消声/不消声功能切换。74LS148的优先编码功能保证同一时刻只处理压下的键中优先权最高的那个键。
用一片2KB的并行EEPROM AT28C16来记忆和保存仪器配置状态，如选定的心电导联、设定的心电波形增益和滚动速度、各参数的报警限、血压和体温单位、中英文选择及打印机类型等，使它们能长期保存，仪器断电也不丢失。
采用标准AAMI三导联测量心电，有lmV定标方波，能指示导联脱落。只需更换袖带，便能正确测量自初生儿到胳膊粗大的所有病人的收缩压、舒张压和平均压，读数稳定，重复测量误差小。有过压保护功能，当充气到规定压力后会自动放气，因而能安全用于婴儿。血压单位可选mmHg和kPa，能设置成手动、自动(间隔10秒～99分钟)和1～4分钟内连续测量等三种方式。用指套式探头测量血氧饱和度，测量范围1%～100%，脉搏音声调随血氧值而变，并用波形和条码形式显示脉搏强度。还可用鼻腔采气管长期测量呼吸速率，用贴在腋下的热敏探头监视病人体温。
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图2是仪器操作界面示意图，所有测量参数均可设定上、下报警限，任一参数越限时即能发出声、光报警。需要时能用消声键停止报警声，消声时间可调。能显示7个参数的15分钟到16小时趋势图，并能按时间顺序回忆测量结果。仪器能与具有标准并行接口的打印机连接，描记病人的心电图及各参数的测量时间与结果。为适应我国国情，屏幕显示可以在中/英文之间随意切换。
图2 监护仪操作界面示意图
4.主控程序
主控程序用BC3.1编写，部分子程序用8086汇编写成，共包含十多个子模块，程序经编译和与自己编写的三个中英文字符库连接后，能以EXE文件的格式在MS—DOS操作系统环境下运行。除主程序外，还包括定时中断服务程序、键扫描程序、心电模块串行中断服务程序、血压模块串行中断服务程序、数据存储与显示程序、波形显示程序、波形回顾程序、趋势图生成程序、并行EEPROM驱动程序、汉字显示驱动程序、报警声驱动程序、打印机控制程序等模块。图3是主控程序流程图。
, 百拇医药
仪器中有多个中断源，如2个OEM模块的串行通讯中断、一个准备用于连网的外部串行口(COM1)中断、面板键盘中断、电子盘操作中断、显示中断、并行打印机中断以及定时中断等，如果不能妥当地协调好这些多重中断源，则可能引起堆栈溢出，甚至死机，造成系统不稳定。尤其是与各模块交换数据的串行中断，需要频繁地传送测量结果数据、波形数据和模块工作状态信息给主模块。为此，除了将串口接收/发送中断的优先级设置得 较高外，还用一个5ms定时中断作为时间基准，以不同频率来控制心电波形数据查询、波形 显示、测量结果更新、键扫描、打印机驱动以及周期地调用各子程序。
图3 主控程序流程图
目前，仪器正在进行临床试用，将在质量监督部门检测合格后形成产品。
参 考 文 献
, 百拇医药
1 周荷琴等.基于68HCO5的心电OEM模块设计.中国科技大学学 报.1998；28(4):427-432.
2 周荷琴等.基于OEM模块的掌上型脉搏血氧仪.中国医疗器械杂志.1997；21( 2):67-70.
3 Yamakoshi k et al.New ociillometric method for indirect measurement of systolic
and mean arterial perssure in the human finger.Med.Biol.Eng.Compt..1 982;20:307.
(1998年11月6日收稿), 百拇医药
单位：中国科技大学 (230026)
关键词：多参数监护仪；嵌入式工控卡；OEM模块
中国医疗器械杂志990402 提要 介绍测量心电、脉率、血压、呼吸率、体温和血氧饱和度的多参数监护仪的设计方法。仪器以嵌入式工控卡为主控模块，采用9″CRT显示器，心电、血压、血氧等参数的测量均选用OEM模块。这种设计方案有设计周期短，仪器性能可靠和易于维护等显著特点。
The Design of a Multi-Parameter Patient Monitor
Zhou Heqin Cai Fanghui Wang Hengliang Feng Huanqing Liu Bing
, 百拇医药
University of Science and Technology of China(USTC)
ABSTRACT This paper describes the software and hardware design of a multi-parameter patient monitor which is able to measure ECG,heart rate,blood pressure,breath rate,body temperature and oxygen saturation non-invasively.The instrument uses embedded industry control module as its main controller and 9″CRT as its display.Several OEM modules are utilized in the design,such as ECG module,blood pressure module and oximeter module.This design strategy has the features of reliable performance,easy maintenance,and short developing period.
, 百拇医药
KEY WORDS Multi-Parameter Patient Monitor Embedded Industry Control Module OEM module
多参数监护仪能自动采集和测量心电、血压、脉搏率、血氧饱和度、呼吸速率、体温、呼吸中的二氧化碳浓度等生理参数，是临床上广泛使用的医疗仪器。
除可靠、安全和便携等要求之外，多参数监护仪还应具备波形显示、操作便利等特点，因此设计中普遍采用CRT显示器或液晶显示屏。有人尝试用PC机来设计，界面漂亮，又便于存储数据，但失去了便携的特点。采用支持图形显示功能的高性能单片机，如TI34010，是一种常用方案，但编程难度大，需要昂贵的开发系统。
嵌入式工控卡具有工控机的主要优点，能经受恶劣环境的考验，而且采用开放式总线结构，体积紧凑，扩展方便。它们采用CMOS器件设计，功耗低，又支持电子盘，在固化BIOS和DOS的支持下，可使用PC机的软件资源，便于编制和实现复杂的算法。再加上使用无源底板、抗干扰的Watchdog电路等，使它们很适用于医疗仪器等嵌入式系统的设计。
, http://www.100md.com
采用OEM模块设计多参数监护仪能简化设计，缩短开发周期，有利于提高仪器稳定性、可靠性和可维护性，还有人员投资少，能及时应用最新科技成果等显著优越性。
我们将上述两种新技术结合起来，采用心电、血压和血氧OEM模块，选用LMB340S工控卡，在较短时间里设计出了一台多参数监护仪。
1.工控卡
我们选用大众公司LEO LMB340S 工控卡，它以40MHz主频的80386SX为CPU，带标准的AMI ROM BIOS ，支持16MB内存，有3个可编程定时器，16级硬件中断。此外，卡上还有键盘插口和软、硬盘接口，可用在设计阶段调试程序。一对串、并口可用来驱动记录病案的热敏记录仪或打印机，另一串口留作日后连网构成中央监护系统。它具有与PC/AT兼容的总线插口，能通过无源底板与主要的PC外设接口，包括与CRT显示器连接，实现生理参数波形和测量结果的大屏幕显示。该工控卡最大的特点是支持1.5MB的电子盘，可使用EPROM、SRAM或快闪存储器。这样，设计时可以象在PC机上那样用C语言编制监护仪的主控程序，待成功之后固化进电子盘，并固化进DOS操作系统和简单的启动文件AUTOEXEC.BAT，在完成初始化后由CPU自动执行监护仪主控程序。
, 百拇医药
图1 多参数监护仪框图
2.OEM模块
仪器采用了3个生理参数测量OEM模块：心电、血压和血氧模块。
心电模块是我们自己研制的[1]，也可选用现成产品，如美国BCI公司的心电、心电/呼吸或心电/血氧模块。模块以MC68HC705C8单片机为CPU。它用三个电极检测标准，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ导心电，经多路开关切换后，取一路信号送隔离放大器放大。该放大器兼有DC/DC转换器功能，将输入电路浮地，以保证病人安全和提供高共模干扰抑制能力(CMRR>100dB)。同时，用光电隔离器传送定标和导联切换命令及导联脱落信号。放大了的信号经低通和50Hz陷波滤波后，由10位串行A/D以200Hz速率数字化。程序采用一种双阈值算法检测QRS和计算心率，将数据和模块状态打包后按一定的通信协议从串口送出，并从串口接受命令。
, 百拇医药 血氧模块是美国BCI公司的产品。它以64180单片机为核心，利用光电法和比尔定理，以周期选通的红光和红外光作光源，由光电管接收透过动脉血管的光强，可用指套式、包裹式或Y形探头，在手指、耳垂或婴幼儿脚跟等部位，无创测量动脉血液中的血氧饱和度，并通过串行口送出脉率、脉搏强度和血氧饱和度等参数[2]。
血压模块是深圳金科威公司的产品。它由80C31单片机控制，采用测振法测量血压和脉率[3]。袖袋，充气泵，电子阀门和压力传感器构成封闭的气路。由于采用了5个电子阀门阵列构成一个以气流为模拟量的D/A转换器，能精确控制充放气过程，并使用了过压保护电路，只需更换袖袋，就能对从初生儿到成人进行测量，甚至能在大腿上进行测量。此模块还设计成能从串口连接血氧模块，将血氧与血压参数打包后，从另一串口送给主控制器，简化主控程序的设计。呼吸和体温测量均采用热敏传感器，呼吸波形被转换成矩形波，由程序检测出每分呼吸次数，数字化的体温信号与校准得到的数据比较获得结果。
, http://www.100md.com
3.仪器结构
仪器由工控卡、自行设计的通信接口卡以及9″绿色CRT显示器、心电、血压、血氧模块、电源模块及各种探头等组成，图1是结构框图。工控卡、显示卡和通信卡插在无源底板上，CRT用特制的支架固定，各模块分别固定在机箱底板或后板上，采用模块化的开关电源为仪器供电。
系统有3个测量模块，至少需用两个串口。为此我们在通信卡上用两片INS8250异步串行通信接口芯片和MAX232串口电平变换芯片，设计了两个串门COMM1和COMM2。MAX232是不需外接元件的双EIA/TTL电平变换器，传送速率高达120kHz，它使得串口电路非常简洁。COMM1编程为38400波特，与心电模块连接；COMM2为9600波特，与血压模块相连。这两个串口以中断方式(IRQ10和IRQ11)接受80386的控制，除提高了CPU效率外，还能有效避免各模块间传输的数据和命令的丢失，保证心电和脉搏波形的完好性和实时性，并能避免如此复杂的多CPU系统出错，提高可靠性。血氧模块与血压模块间则用TTL电平的串口连接，经血压模块与主控CPU交换命令和数据。
, http://www.100md.com
选用一片74LS148 8—3线优先编码器设计键状态读入电路。在面板上仅安排了7个按键，其中6个作菜单操作键，与屏幕上的多层菜单配合实现复杂的控制功能，另一个为消声键，任何时刻按此键即实现报警器的消声/不消声功能切换。74LS148的优先编码功能保证同一时刻只处理压下的键中优先权最高的那个键。
用一片2KB的并行EEPROM AT28C16来记忆和保存仪器配置状态，如选定的心电导联、设定的心电波形增益和滚动速度、各参数的报警限、血压和体温单位、中英文选择及打印机类型等，使它们能长期保存，仪器断电也不丢失。
采用标准AAMI三导联测量心电，有lmV定标方波，能指示导联脱落。只需更换袖带，便能正确测量自初生儿到胳膊粗大的所有病人的收缩压、舒张压和平均压，读数稳定，重复测量误差小。有过压保护功能，当充气到规定压力后会自动放气，因而能安全用于婴儿。血压单位可选mmHg和kPa，能设置成手动、自动(间隔10秒～99分钟)和1～4分钟内连续测量等三种方式。用指套式探头测量血氧饱和度，测量范围1%～100%，脉搏音声调随血氧值而变，并用波形和条码形式显示脉搏强度。还可用鼻腔采气管长期测量呼吸速率，用贴在腋下的热敏探头监视病人体温。
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图2是仪器操作界面示意图，所有测量参数均可设定上、下报警限，任一参数越限时即能发出声、光报警。需要时能用消声键停止报警声，消声时间可调。能显示7个参数的15分钟到16小时趋势图，并能按时间顺序回忆测量结果。仪器能与具有标准并行接口的打印机连接，描记病人的心电图及各参数的测量时间与结果。为适应我国国情，屏幕显示可以在中/英文之间随意切换。
图2 监护仪操作界面示意图
4.主控程序
主控程序用BC3.1编写，部分子程序用8086汇编写成，共包含十多个子模块，程序经编译和与自己编写的三个中英文字符库连接后，能以EXE文件的格式在MS—DOS操作系统环境下运行。除主程序外，还包括定时中断服务程序、键扫描程序、心电模块串行中断服务程序、血压模块串行中断服务程序、数据存储与显示程序、波形显示程序、波形回顾程序、趋势图生成程序、并行EEPROM驱动程序、汉字显示驱动程序、报警声驱动程序、打印机控制程序等模块。图3是主控程序流程图。
, 百拇医药
仪器中有多个中断源，如2个OEM模块的串行通讯中断、一个准备用于连网的外部串行口(COM1)中断、面板键盘中断、电子盘操作中断、显示中断、并行打印机中断以及定时中断等，如果不能妥当地协调好这些多重中断源，则可能引起堆栈溢出，甚至死机，造成系统不稳定。尤其是与各模块交换数据的串行中断，需要频繁地传送测量结果数据、波形数据和模块工作状态信息给主模块。为此，除了将串口接收/发送中断的优先级设置得 较高外，还用一个5ms定时中断作为时间基准，以不同频率来控制心电波形数据查询、波形 显示、测量结果更新、键扫描、打印机驱动以及周期地调用各子程序。
图3 主控程序流程图
目前，仪器正在进行临床试用，将在质量监督部门检测合格后形成产品。
参 考 文 献
, 百拇医药
1 周荷琴等.基于68HCO5的心电OEM模块设计.中国科技大学学 报.1998；28(4):427-432.
2 周荷琴等.基于OEM模块的掌上型脉搏血氧仪.中国医疗器械杂志.1997；21( 2):67-70.
3 Yamakoshi k et al.New ociillometric method for indirect measurement of systolic
and mean arterial perssure in the human finger.Med.Biol.Eng.Compt..1 982;20:307.
(1998年11月6日收稿), 百拇医药