新生儿心肺功能监护仪的设计与新生儿生理参数的确定

新生儿心肺功能监护仪的设计与新生儿生理参数的确定 第 20 卷 第 1 期 V o l120 N o 11 北京生物医学工程 2001 年 3 月B e ijin g B iom ed ica l E n g in ee r in g M a r. 2001 新生儿心肺功能监护仪的设计与新生儿 生理参数的确定 12 1姚 慧孙允高叶大田 摘 要 本文介绍了新生儿心肺功能监护仪的软硬件设计, 该仪器具有体积小, 功能全面, 适用性广, 操作 简单等特点, 能可靠地实现对新生儿的监护。用该仪器对新生儿的血氧饱和度和心率这两个最重要的生理参数的 测定获取了中国新生儿呼吸系统的数据。对数据的统计分析明, 血氧饱和度和心率都属于正态分布, 并依此给 出了中国新生婴儿的这两个参数的分布范围。 新生儿 单片机 血氧饱和度 心率 关键词 () 中图分类号 16 332 文献标识码 文章编号 100223208 20010120014203 318 R R A D e s ign of a Neona te Re sp ira tory Sy stem an d D e term ina t ion of Param e ter s of Neona te s YA O H u i, S U N Y u ng ao, . . , , 100084 Y E D a t ianD ep tof E lec t r ica l E ng inee r ing and A p p l ied E lec t ron icsT s ing h u a U n iv e rs ity B e ij ing 【】. A bstrac tIn th is p ap e r w e de sc r ibe th e h a rdw a re and so f tw a re de sign o f a neo na te re sp ira to ry sy stemT h e in st rum en t , , 22h a s fea tu re s o f com p ac t st ruc tu recom p le te func t io n ea syto sue in a w ide range and can im p lem en t re liab le m o n ito r ing o f . , . , new bo rnU sing th e sy stem tw o m o st im po r tan t p a ram e te r s o f neo na te s w e re o b ta inedT h ro ugh sta t ist ic s ana ly sisit is p ro ved .th a t th e SpO 2 and h ea r t ra te a re bo th o f no rm a l d ist r ibu t io n M eanw h ile, in th is a r t ic le th e range o f d ist r ibu t io n o f th e tw o .p a ram e te r s o f C h ine se neo na te a re a lso g iven N eo na te S ing le ch ip com p u te r H ea r t ra te 【Key words】 SpO 2 扰, 可通过计算机设定是否允许峰鸣器报警; ?为 0 引言 了适应各医院具体的医疗环境, 监护仪体积小巧, 既在中国, 随着人民生活水帄的提高以及独生子 , 又可放在架子上, 还可挂在墙上; 可直接放在桌上 女制度的建立, 对婴儿健康的重视程度越来越高。新 (方便护士和母亲 指该监护仪测?显示醒目清楚, 生儿的监护是婴儿监护中一项重要的组成。 在新生 ) 试对象的母亲, 以下同此的观察。 儿中, 窒息是最常见的症状, 也是新生儿的主要死 该监护仪联机系统由一台 机,一块串行口 PC 亡原因。因此, 对新生儿的心率、血氧饱和度 、 Sa tO 2转换板以及 8 台监护仪构成。 单机系统主要由血氧 () 模块, 单片 O EM o r ig in a l equ ipm en t m an u fac tu re血压、 体温、 呼吸频率以及室温等参数的监控能够 机, 控制显示部分, 串行转换部分, 程序存储部分, 复 较早地发现新生儿的呼吸问题以及早预防、 治疗。位电路部分和微机通信部分构成。 仪器设计1 112 心肺功能监护仪的结构 111 系统设计 ()对血压 收缩压和舒张压、 体温、 呼吸频率、 该仪器在设计时充分考虑了以下 为方便使用,室温以及相对湿度等 6 项生理参数的监控采用市场 : ?既可以单独使用, 又可以 8 台监护仪和一 要求上常用的传感器, 即该传感器输出量为 0—5之间 V 的模拟信号。 对新生儿的血氧饱和度 和心率 Sa tO 2 台 机联网构成一个整体使用; ?在仪器面板上 PC 的检测采用的是血氧 模块及包裹型的, 适用 O EM 无任何按键, 使用方便; ?为避免大病房中相互干 (于新生儿大脚趾的探头 实际上该模块检测到的是 皮氧饱和度 和脉率。 但皮氧饱和度在数值上 SpO 2 ( )作者单位: 1 清华大学电机系生物医学工程专业 100084 )等于血氧饱和度, 脉率在数值上等于心率。。 用光 2 哥伦比亚大学医学院清华大学兼职副教授 电法测血氧饱和度和心率是一项目前比较成熟的技 ( ) 作者简介: 姚慧 1976—, 女, 研究生。 新生儿心肺功能监护仪的设计与新生儿生理参数的确定 第 1 期 ?15? 能快速准确地无损 术, 当以上 8 个生理参数中的任何一个超出阈值 根据 定律,L am b e r t ΧB ee r () , 避免了过去 此阈值是根据大量的临床实验得出时, 监护仪会 检测动脉血液中的血氧饱和度和脉率 临床上采用取动脉血, 并测量其中的氧分压来推算 通过声音、 显示、 振动报警。 此时, 放在母亲枕头 血氧饱和度的方法。在单片机部分采用的是 IN T EL 下的振动器发出相应的振动, 超出阈值的参数在显 公司的 16 位系列单片机中的 80196 做控96 M C SC (示和空白之间闪烁, 峰鸣器发出呼叫。为了防止打 搅他人的休息, 适 制器, 性能价格比非常高, 且货源和配件充足, 峰鸣器可由护士通过 PC 机在午休 时间和夜间关闭。 合做控制部分。 80196 内部有一个 16 位的来尽管 C W a tch do g 图 1 是仪器控制部分的原理图。 的正常工作, 但为了安全起见和防止在 保证 C PU 3 位拨码开关 1 () 低电压时 < 415数据总线上数据的损坏, 在系 V 体温等传感器 2 () 统中又加入了看门狗电路 图 1 中的 3。同时, 如 工作不正常, 该芯片能发出报警信号。 果 C PU 看门狗电路 3 主机与监护仪间的通讯选用了 R S485 标准, 避 血氧 两排共 6 80C 196 免当主机与监护仪的距离超过 50时, 采用常见的m 8251 O EM IICM 7218A 4 个数码管 ( 只 通讯标准 如在 9600的传输速率下, 232 模块R Sbp s 和 PC 机通讯部分 5 )造成较大误差。 能在 10内保证精度 m + 5 113 PC 机控制部分设计 + 5V 电源 由母亲控制的按钮 6 该监护仪设有联网监护功能便于护士的统一监 控。操作界面是用M ic ro so f t 公司的V isu a l B a sic 语 由医生控制的按钮 7 言设计, 可同时显示 8 个新生儿的 8 个生理参数, 新 () 生儿状态 正常还是危险, 其母亲是否呼叫护士等。 报警部分 8 护士还可通过此软件呼叫母亲以及关闭蜂鸣器。 图 1 仪器控制部分的原理图 2 心率和血氧饱和度的测定 下面讨论仪器在联机情况下的使用。 为了方便 在联网时判断监护仪的号码, 监护仪上采用三位的 211 测试对象 ( )拨码开关选择预先设定的 8 个号码 图 1 中的 1。 窒息是新生儿最常见的症状, 也是导致新生儿 血氧 模块以串行通讯数据的格式每秒固定地 O EM 死亡的主要原因。 新生儿的心率和血氧饱和度是呼 发送 3 个字节, 分别表示仪器工作状态、 心率和血 氧饱和度, 这些数据经过 8251 的转换变成并行数 吸系统两个最主要的生理参数, 对它们的监测能提 早发现和避免新生儿的呼吸障碍。根据对 1998 年 5 , 据然后被 80C 196 以中断方式读入, 经过 80C 196 月 20 日至 1998 年 6 月 5 日在北京市妇产医院的产 (处理后, 发送到 IN T ER S IL 公司的 ICM 7218A 图(后 20 天以内的正常安静的 100 例新生儿 包括 1 例 ) 1 中的 4, 用硬件译码的方式显示在 6 个连在一起 ) 患轻度肺炎和生理性黄疸进行监控得出的数据分 的数码管上。 在默认情况下该仪器只显示血氧饱和 析, 证明新生儿心肺功能监护仪能够完成监控的目 度和心率两个最重要的生理参数, 根据需要能够同 的, 同时证明中国新生儿的心率和血氧饱和度分布 时监控舒张压、 收缩压、 呼吸频率、 相对湿度以及 值属于正态分布。 体温和室温。 只有医生有权用专门的接线盒上的按 212 测试方法 () (钮 图 1 上的 7此时需拔下母亲控制的按钮所在 该监护仪所用的传感器是包裹式探头, 测量处 () ) 的接线盒 图 1 上的 6选择数码管上当前显示的 () 于安静状态下的新生儿的大脚趾 通常为右脚, 保 。 一但母亲控制的按钮所在的接线盒被重新插 证被测新生儿处于安静状态下在 10左右, 获得m in 北京生物医学工程 第 20 卷 ?16? 213 测试参数及统计学处理 第一个字节 监护仪每秒向 发送 3 个字节,PC 表示仪器工作状态, 第二个字节表示心率, 第三个 字节表示血氧饱和度。 测试婴儿 100 例, 其中最小 的婴儿出生 3, 最大的婴儿出生 244。对每一组数 h h 据的血氧饱和度和心率取数学期望值, 进行统计分 析。 图 3 新生婴儿心率分布曲线 214 结果 对 100 例新生婴儿的血氧饱和度的数学期望值 可由上图分析出 Λ= 118 Ρ= 010145 进行统计, 结果如图 2 所示。 3 结论 本监护仪充分考虑了使用的方便性可以检测新 生儿的多种生理参数, 并实现心肺功能的连续监护, 以避免短时间的呼吸故障对婴儿造成损害。 该仪器 安全可靠, 具有广泛的市场应用潜力。 根据我们的数据分析, 中国新生儿的血氧饱和 度的分布范围应该是: 93%, 100% , 低于 93% 应该 处于观察阶段, 低于 89% 应该立刻急救。心率的分 布范围是: 100, 140 次。低于 100 次或高 ƒƒm inm in 图 2 新生婴儿血氧饱和度分布曲线 于 140 次为不正常。ƒm in 可 看出, 新生儿的血氧饱和度集中在 93%, 参考文献 99% 之间, 此范围内的婴儿占总人数的 92% , 其中 1 金汉珍, 等. 实用新生儿学. 第 2 版, 人民卫生出版社. 1989, 低于 93% 的婴儿只占 8% 。 : 57, 68pp ( )梁毓厚, 叶大田. 微机在生物医学工程中的应用 下册. 清华 对这 100 例新生婴儿的心率的数学期望值进行 2 大学出版社, 1993, 29, 76pp 统计, 结果如图 3。 方建淳. - 96 系列 8098 单片机原理与应用技术. 天津科学M C S3 从图 3 中, 可看到新生儿的心率分布为近似的 1993, 技术出版社, pp: 20, 50 () 正 态 分 布。 它 所 满 足 的 函 数 如 下: f x = -( )1999210225 收稿, 1999211215 修回 2 ) ( 1 - x - Λ e , 其中, ,× 为数学期望Λ 015 2 () 2Π× Ρ 2? 为方差。Ρ ()上接第 75 页 40 多天后, 或更长时间才能基本恢复。因此, 此模 ( ) 物医学工程, 15 1: 42, 44 1996, 型不适合作为活体同步衰老模型, 但作为辐射对红 宋立川, 吕智红, 孙大公, 等. 红细胞衰老过程中微观流变学行 6 ( ) 为的研究. 物物理学报, 1997, 13 4: 113, 117 细胞流变特性影响的研究仍存在一定意义。 , , . W en Zo ngyao Gao T ieM a W e iyuanE ffec t s o f a lbum un o n 7 . o r ien ta t io n o f RBC in a sh ea r f low f ie ld o f low v isco sityC lin ica l 参考文献 ( ) 1996, 16 3: 291, 301H em o rh eo lo gy , , , . W en Zo ngyao Yan Zo ngy iGao T iee t a lT h e study o f effec t s 1 文宗曜, 严宗毅, 施岩等. 测量红细胞膜剪切弹性模量及粘度的 8 新方法2新型激光衍射法. 现代力学与科技进步, 1997 .o f W GA and Co nA o n RBC recep to r s w ith a new E k tacy tom e t ry 刘树铮. 医学放射生物学. 北京: 原子能出版社, 1986, 30, 202 2 ( ) 1997, 17 6: 467 C lin ica l H eom rho lo gy and M ic ro c ircu la t io n, 夏寿萱. 放射生物学. 军事医学科学出版社。 1998. 8. , 478 3 刘及. 辐射血液学. 北京: 原子能出版社, 1991, 41. 4 ( )2000201226 收稿, 2000205225 修回 605 宋立川, 文宗曜, 饶用清, 等. 辐射对红细胞影响. 北京生 Co