多道生理遥测仪的研制
作者：雷晋月 陈瑶 张学凯 吴静 田蕴青 邱衍勃 常绍勇
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：温度测量；串行通讯；生理学测量；遥测设备；移频键控
航天医学与医学工程990413摘要：目的 研制在实验室和野外现场实时测量人体心电、体温等多项生理指标的遥测仪器。方法 将计算机作为遥测处理终端，系统采用频-时分混合调制方式，慢变数据解调后直接从计算机串口输入，它的测量、控制采用单片机实现，温度测量采用计算机查表法进行测量转换。结果 本机能实时遥测、处理心电、体温、风速及多点皮温。在-17℃以及实验室高温条件下(45℃)实际使用，仪器运行良好，取得满意的结果。结论 本机具有处理功能强、测量精度高、工作可靠性好、作用距离远、体积小、操作简便等特点。
中图分类号：R318.6,TH772.2 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)04-0284-04
, 百拇医药
Development of a Multi-channel Physiological Telemetry System
LEI Jin-yue,CHEN Yao, ZHANG Xue-kai, WU Jing, TIAN Yun-qin, QIU Yan-bo,CHANG Shao-yong
Abstract：Objective To develop an instrument used in measurement of physiological parameters in laboratories or field. Method A computer was used to process data in the telemetry system.The frequency-time division modulation technique was adopted. The low frequency signals were directly connected to the computer serial port after demodulation, and measurement control was achieved by single-chip computer. Temperature measurement results were obtained by conversion table. Result It is capable of telemeter and processing ECG, wind speed and temperature signals in real-time.Good results were gained in high temperature condition and -17℃ environment. Conclusion The instrument has many advantages, such as high accuracy, good processing ability, reliability, long operation distance, small volume and easy operation.
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Key words：temperature measurement;serial communication;physiological measurement;telemetering equipment;frequency shift keying
Address reprint requests to:LEI Jin-yue.Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China
心电、体温是评定人体热平衡状态的主要指标。在一些研究中，常需要在野外试验现场(如：海上、水库、寒冷地区或高温环境等特殊作业)实时测量被试者的多项生理参数及所处环境的一些物理参数，以便及时了解被试者的情况。由于试验现场空间、供电、气候等环境条件的限制，有线测量不能满足试验要求。采用带存储功能的心率、温度测量装置虽然能满足记录的需要，但是，主试者不能实时了解被试者的情况，不利于保证被试者的安全，也不能实时了解系统工作是否正常。采用无线电遥测能有效地解决上述问题，主试者可以在远离被试者的地方实时地遥测被试者的多项生理参数及所处环境的一些物理参数。此外，采用无线电遥测，由于发射与接收端免除了连接电缆，它比有线测量使用更为灵活、方便、安全。因此，它在医学生理学研究、人体科学研究、医务监督等领域有广泛的应用前景。为此，我们研制了这台仪器。它要求在远离被试者1公里以上的地方，实时遥测、处理被试者的心电、肛温、多点皮温以及环境温度和风速。本机用于-17℃低温实验和实验室高温实验，均取得满意的结果。
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设计思路
根据测量要求，系统设计考虑的主要问题是数据处理实时性、温度测量准确性、系统工作可靠性、多功能以及尽可能地体积小、重量轻。为此，主要采取以下措施。首先，本机以计算机为基础，将遥测接收机、多路信号解调器、显示器等置于计算机机箱内，构成一台完整的遥测接收处理终端，完成实时及事后处理遥测数据的任务。温度测量的最大问题是传感器非线性和测量电路的零点漂移。计算机的采用，为解决这一问题提供了有利条件。我们利用计算机查表法进行温度测量转换，既免去了传感器非线性补偿的麻烦，又使在宽的测量范围内得到较高的精度，而且，可以通过设立基准通道，进行零漂补偿，提高测量精度。第二，根据传输信号的特点，系统采用频-时分混合调制方式，以降低系统带宽，简化系统结构。即将心电信号对一副载波进行调频，而温度、风速等数据经A/D转换后按串行通讯的格式进行变换，其数据流对零副载波进行频移键控调制，两者相加后对载波进行调频。同时，我们把路号随同数据一块传输，解调后直接由串口输入计算机，免除了时分制遥测中所必须具有的同步电路。第三，单片机控制慢变参数的采集、A/D转换及数据格式转换，不仅使硬件电路大为简化，还可通过改变软件，适应不同的要求。而且，单片机容易与数字仪表接口，直接传输数字仪表的测量结果，为系统功能扩展提供了简便的途径。本机风速测量就是采用遥测系统直接传输风速计测量结果的办法。此外，发射机采用声表面波调频振荡器，接收机本振采用晶体稳频，并且，采用软件抗干扰措施和报警检测电路，以提高系统的可靠性。
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系统的组成及工作原理
系统组成如图1所示。心电信号经放大后，对副载波进行频率调制，经滤波去除副载波中的高频分量。单片机输出控制脉冲，对各温度传感器循回顺序地馈送恒流源，得到相应的电压。放大器将其放大，由A/D转换器进行模-数转换。单片机把A/D转换结果取入内存，按串行通讯的格式进行变换。本机A/D转换器分辨率为12位，为了传输数据并把各路信号分离开来，一次转换结果分三帧传输，其中一帧传输路号，另两帧传输数据。为了识别传输的数据位是路号还是温度数据，是高6位还是低6位，将数据位中的其中两位作为识别标志。串行数据流对零副载波进行频移键控调制后与心电副载波调频信号线性相加，然后对载波调频，经功率放大器放大后由天线辐射出去。接收机收到信号后，由它输出心电副载波调频信号和频移键控信号的组合信号。带通滤波器把心电副载波调频信号分离出来，经锁相解调，恢复成原始心电信号。放大器将其放大到相应电平，然后加至A/D卡，进行实时采样、处理，显示心电波形及心率，检测异常心电图。当检测到异常心律时，系统将发出报警，并把异常心电图存于硬盘，供进一步分析处理。低通滤波器把频移键控信号分离出来，经解调后得到串行码，再经电平转换，加至计算机的串口。计算机在实时采集、处理、显示心电信号的同时，还实时地接收、处理、显示各点皮温、直肠温度、环境温度、平均体温、平均皮温、热债等，并根据设置的数据存储间隔，把数据存储起来。当直肠温度、手指温度、脚趾温度低于报警阈值时，系统也将发出报警，提示主试者采取相应措施进行处理。在实验过程中，主试者可以根据屏幕上显示的操作菜单进行选择，存贮、显示心电，观察心率、温度、热债等变化趋势图或心率、温度等数据。实验结束，操作相应键，可存贮遥测数据及处理结果，进行心率变异性分析以及打印实验结果等，还能由SAS软件进一步处理。
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图1 系统组成框图
Fig.1 Block diagram of the system
软件设计
软件设计采用模块化设计，菜单操作。根据功能要求，软件分十个功能模块: 档案输入、参数设置、实时监护、心电存储、心电回放、浏览趋势、浏览数据、打印、心率变异分析及退出。完成资料及参数输入、信号处理、显示、存储、打印以及事后处理的功能。
“档案输入”: 输入被试者的姓名、性别、年龄、身高、实验前后体重等。
“参数设置”: 能预置数据存储时间间隔、报警阈值等。
“浏览趋势”: 能选择浏览心率、各点温度、热债等变化趋势。
, http://www.100md.com “浏览数据”: 根据记录数据多少情况分两或多屏显示存储数据和处理结果。
“心电存储”: 将心电信号存储于硬盘。每进行一次“心电存储”时，存储12.9 s的心电信号，在程序运行期间，能存储26次。序号用26个英文字母区分。
“心电回放”: 可以分页显示记录心电，并可把它打印下来。
“心率变异”: 可进行频域和时域分析。
“退出”: 自动把数据存于硬盘, 系统回到DOS操作状态。
“实时监护”：当工作于此模块时，计算机实时采集、处理心电信号，检测心率和异常心律，并在显示器上显示心电波形和心率。与此同时，串口输入温度等数据，计算机根据数据区分标志把各路数据恢复好，检测校准通道电平，进行零点漂移补偿，然后，将温度数据进行转换、处理，在屏幕上显示出来。在运行过程中，当系统出现异常报警，手指温度、脚趾温度、直肠温度低于报警阈值，或出现心律异常，系统将发出报警。当存储间隔到时，存储各点温度、心率、热债、总体热债、平均体温、平均皮温等。按下其它键，退出实时监护程序，执行相应操作。
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主要技术性能
a. 遥测参数: 心电1道，皮温7路，直肠温度1路，环境温度1路，风速1路；
b. 温度、风速测量范围及精度: 皮温5～39℃，精度±0.1℃，直肠温度32～39℃，精度±0.1℃，环境温度；-10～50℃，精度±0.2℃，风速: 9.9m/s，精度5%;
c.心电传输频响: 0.1～60Hz；
d.实时处理心电信号，能自动检测停博、漏博、心动过速、心动过缓、室性早博、房性早博、交界性早博、插入性早博、成对室性早博、室性心动过速、室性二联律、室性三联律、RonT、频发室早等15种异常心律。当检测到异常心律时，能实时报警，并自动存储12.9 s的心电信号；实时显示心电波形、心率，并根据需要随时存储心电信号，供以后回放分析；能对心电信号进行心率变异性分析；
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e. 能实时采集、处理温度、风速信号，实时显示各路测量温度，计算、显示平均皮温、平均体温、热债、总体热债、风速等；
f. 能按设置的时间间隔存储心率、各点温度、平均体温、平均皮温、热债、总体热债、风速等；存储时间间隔为5、10、15、20、30 min; 存储数据能用SAS软件进行处理；
g. 能选择显示心率、热债、平均体温、平均皮温、各路温度等变化趋势，也可以用数据的形式显示已存储数据，并可用打印机打印出来；
h. 系统遥测距离≮2 km;
i. 发射端电池：8个镉-镍蓄电池，1.2 Ah，连续工作时间≮8 h。
性能实验
本机在-17℃的冷库中进行人体耐受低温实验，共17人次，每次2 h，另外，在高温舱(45℃)进行实验，研究高温对人体生理功能的影响，共15人次。实验期间，遥测8路皮温、1路肛温及1路心电，仪器运转正常，性能良好，圆满地完成了实验任务。
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结 论
本机系统设计合理，线路设计先进，它具有处理功能强、测量精度高、作用距离远、传感器互换性好、使用灵活方便以及功能易于扩展等特点，可完成医学及生理学研究、人体科学研究、人机环境系统工程研究以及医务监督等的相关参数测量。
参考文献
[1]汤 斌. 用数字集成电路实现的CP-FSK调制解调器[J].电子技术应用,1993,19(8):26～28
[2]赵明富. 一种线性化的新方法及实现电路[J].电子技术应用, 1989,15(6):18～20
[3]周云波.实用铂热电阻线性化变换电路[J].电子技术应用,1995,21(10):47～50
[4]方建淳,夏东培.ICL232单电源双RC～232发送/接收器及其应用[J].电子技术应用,1993,19(7):25～27
[5]余 磊.集成锁相环NE565的特性及应用[J]. 电子技术应用,1991,17(5):34～36
收稿日期：1998-11-03, 百拇医药
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：温度测量；串行通讯；生理学测量；遥测设备；移频键控
航天医学与医学工程990413摘要：目的 研制在实验室和野外现场实时测量人体心电、体温等多项生理指标的遥测仪器。方法 将计算机作为遥测处理终端，系统采用频-时分混合调制方式，慢变数据解调后直接从计算机串口输入，它的测量、控制采用单片机实现，温度测量采用计算机查表法进行测量转换。结果 本机能实时遥测、处理心电、体温、风速及多点皮温。在-17℃以及实验室高温条件下(45℃)实际使用，仪器运行良好，取得满意的结果。结论 本机具有处理功能强、测量精度高、工作可靠性好、作用距离远、体积小、操作简便等特点。
中图分类号：R318.6,TH772.2 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)04-0284-04
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Development of a Multi-channel Physiological Telemetry System
LEI Jin-yue,CHEN Yao, ZHANG Xue-kai, WU Jing, TIAN Yun-qin, QIU Yan-bo,CHANG Shao-yong
Abstract：Objective To develop an instrument used in measurement of physiological parameters in laboratories or field. Method A computer was used to process data in the telemetry system.The frequency-time division modulation technique was adopted. The low frequency signals were directly connected to the computer serial port after demodulation, and measurement control was achieved by single-chip computer. Temperature measurement results were obtained by conversion table. Result It is capable of telemeter and processing ECG, wind speed and temperature signals in real-time.Good results were gained in high temperature condition and -17℃ environment. Conclusion The instrument has many advantages, such as high accuracy, good processing ability, reliability, long operation distance, small volume and easy operation.
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Key words：temperature measurement;serial communication;physiological measurement;telemetering equipment;frequency shift keying
Address reprint requests to:LEI Jin-yue.Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China
心电、体温是评定人体热平衡状态的主要指标。在一些研究中，常需要在野外试验现场(如：海上、水库、寒冷地区或高温环境等特殊作业)实时测量被试者的多项生理参数及所处环境的一些物理参数，以便及时了解被试者的情况。由于试验现场空间、供电、气候等环境条件的限制，有线测量不能满足试验要求。采用带存储功能的心率、温度测量装置虽然能满足记录的需要，但是，主试者不能实时了解被试者的情况，不利于保证被试者的安全，也不能实时了解系统工作是否正常。采用无线电遥测能有效地解决上述问题，主试者可以在远离被试者的地方实时地遥测被试者的多项生理参数及所处环境的一些物理参数。此外，采用无线电遥测，由于发射与接收端免除了连接电缆，它比有线测量使用更为灵活、方便、安全。因此，它在医学生理学研究、人体科学研究、医务监督等领域有广泛的应用前景。为此，我们研制了这台仪器。它要求在远离被试者1公里以上的地方，实时遥测、处理被试者的心电、肛温、多点皮温以及环境温度和风速。本机用于-17℃低温实验和实验室高温实验，均取得满意的结果。
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设计思路
根据测量要求，系统设计考虑的主要问题是数据处理实时性、温度测量准确性、系统工作可靠性、多功能以及尽可能地体积小、重量轻。为此，主要采取以下措施。首先，本机以计算机为基础，将遥测接收机、多路信号解调器、显示器等置于计算机机箱内，构成一台完整的遥测接收处理终端，完成实时及事后处理遥测数据的任务。温度测量的最大问题是传感器非线性和测量电路的零点漂移。计算机的采用，为解决这一问题提供了有利条件。我们利用计算机查表法进行温度测量转换，既免去了传感器非线性补偿的麻烦，又使在宽的测量范围内得到较高的精度，而且，可以通过设立基准通道，进行零漂补偿，提高测量精度。第二，根据传输信号的特点，系统采用频-时分混合调制方式，以降低系统带宽，简化系统结构。即将心电信号对一副载波进行调频，而温度、风速等数据经A/D转换后按串行通讯的格式进行变换，其数据流对零副载波进行频移键控调制，两者相加后对载波进行调频。同时，我们把路号随同数据一块传输，解调后直接由串口输入计算机，免除了时分制遥测中所必须具有的同步电路。第三，单片机控制慢变参数的采集、A/D转换及数据格式转换，不仅使硬件电路大为简化，还可通过改变软件，适应不同的要求。而且，单片机容易与数字仪表接口，直接传输数字仪表的测量结果，为系统功能扩展提供了简便的途径。本机风速测量就是采用遥测系统直接传输风速计测量结果的办法。此外，发射机采用声表面波调频振荡器，接收机本振采用晶体稳频，并且，采用软件抗干扰措施和报警检测电路，以提高系统的可靠性。
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系统的组成及工作原理
系统组成如图1所示。心电信号经放大后，对副载波进行频率调制，经滤波去除副载波中的高频分量。单片机输出控制脉冲，对各温度传感器循回顺序地馈送恒流源，得到相应的电压。放大器将其放大，由A/D转换器进行模-数转换。单片机把A/D转换结果取入内存，按串行通讯的格式进行变换。本机A/D转换器分辨率为12位，为了传输数据并把各路信号分离开来，一次转换结果分三帧传输，其中一帧传输路号，另两帧传输数据。为了识别传输的数据位是路号还是温度数据，是高6位还是低6位，将数据位中的其中两位作为识别标志。串行数据流对零副载波进行频移键控调制后与心电副载波调频信号线性相加，然后对载波调频，经功率放大器放大后由天线辐射出去。接收机收到信号后，由它输出心电副载波调频信号和频移键控信号的组合信号。带通滤波器把心电副载波调频信号分离出来，经锁相解调，恢复成原始心电信号。放大器将其放大到相应电平，然后加至A/D卡，进行实时采样、处理，显示心电波形及心率，检测异常心电图。当检测到异常心律时，系统将发出报警，并把异常心电图存于硬盘，供进一步分析处理。低通滤波器把频移键控信号分离出来，经解调后得到串行码，再经电平转换，加至计算机的串口。计算机在实时采集、处理、显示心电信号的同时，还实时地接收、处理、显示各点皮温、直肠温度、环境温度、平均体温、平均皮温、热债等，并根据设置的数据存储间隔，把数据存储起来。当直肠温度、手指温度、脚趾温度低于报警阈值时，系统也将发出报警，提示主试者采取相应措施进行处理。在实验过程中，主试者可以根据屏幕上显示的操作菜单进行选择，存贮、显示心电，观察心率、温度、热债等变化趋势图或心率、温度等数据。实验结束，操作相应键，可存贮遥测数据及处理结果，进行心率变异性分析以及打印实验结果等，还能由SAS软件进一步处理。
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图1 系统组成框图
Fig.1 Block diagram of the system
软件设计
软件设计采用模块化设计，菜单操作。根据功能要求，软件分十个功能模块: 档案输入、参数设置、实时监护、心电存储、心电回放、浏览趋势、浏览数据、打印、心率变异分析及退出。完成资料及参数输入、信号处理、显示、存储、打印以及事后处理的功能。
“档案输入”: 输入被试者的姓名、性别、年龄、身高、实验前后体重等。
“参数设置”: 能预置数据存储时间间隔、报警阈值等。
“浏览趋势”: 能选择浏览心率、各点温度、热债等变化趋势。
, http://www.100md.com “浏览数据”: 根据记录数据多少情况分两或多屏显示存储数据和处理结果。
“心电存储”: 将心电信号存储于硬盘。每进行一次“心电存储”时，存储12.9 s的心电信号，在程序运行期间，能存储26次。序号用26个英文字母区分。
“心电回放”: 可以分页显示记录心电，并可把它打印下来。
“心率变异”: 可进行频域和时域分析。
“退出”: 自动把数据存于硬盘, 系统回到DOS操作状态。
“实时监护”：当工作于此模块时，计算机实时采集、处理心电信号，检测心率和异常心律，并在显示器上显示心电波形和心率。与此同时，串口输入温度等数据，计算机根据数据区分标志把各路数据恢复好，检测校准通道电平，进行零点漂移补偿，然后，将温度数据进行转换、处理，在屏幕上显示出来。在运行过程中，当系统出现异常报警，手指温度、脚趾温度、直肠温度低于报警阈值，或出现心律异常，系统将发出报警。当存储间隔到时，存储各点温度、心率、热债、总体热债、平均体温、平均皮温等。按下其它键，退出实时监护程序，执行相应操作。
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主要技术性能
a. 遥测参数: 心电1道，皮温7路，直肠温度1路，环境温度1路，风速1路；
b. 温度、风速测量范围及精度: 皮温5～39℃，精度±0.1℃，直肠温度32～39℃，精度±0.1℃，环境温度；-10～50℃，精度±0.2℃，风速: 9.9m/s，精度5%;
c.心电传输频响: 0.1～60Hz；
d.实时处理心电信号，能自动检测停博、漏博、心动过速、心动过缓、室性早博、房性早博、交界性早博、插入性早博、成对室性早博、室性心动过速、室性二联律、室性三联律、RonT、频发室早等15种异常心律。当检测到异常心律时，能实时报警，并自动存储12.9 s的心电信号；实时显示心电波形、心率，并根据需要随时存储心电信号，供以后回放分析；能对心电信号进行心率变异性分析；
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e. 能实时采集、处理温度、风速信号，实时显示各路测量温度，计算、显示平均皮温、平均体温、热债、总体热债、风速等；
f. 能按设置的时间间隔存储心率、各点温度、平均体温、平均皮温、热债、总体热债、风速等；存储时间间隔为5、10、15、20、30 min; 存储数据能用SAS软件进行处理；
g. 能选择显示心率、热债、平均体温、平均皮温、各路温度等变化趋势，也可以用数据的形式显示已存储数据，并可用打印机打印出来；
h. 系统遥测距离≮2 km;
i. 发射端电池：8个镉-镍蓄电池，1.2 Ah，连续工作时间≮8 h。
性能实验
本机在-17℃的冷库中进行人体耐受低温实验，共17人次，每次2 h，另外，在高温舱(45℃)进行实验，研究高温对人体生理功能的影响，共15人次。实验期间，遥测8路皮温、1路肛温及1路心电，仪器运转正常，性能良好，圆满地完成了实验任务。
, http://www.100md.com
结 论
本机系统设计合理，线路设计先进，它具有处理功能强、测量精度高、作用距离远、传感器互换性好、使用灵活方便以及功能易于扩展等特点，可完成医学及生理学研究、人体科学研究、人机环境系统工程研究以及医务监督等的相关参数测量。
参考文献
[1]汤 斌. 用数字集成电路实现的CP-FSK调制解调器[J].电子技术应用,1993,19(8):26～28
[2]赵明富. 一种线性化的新方法及实现电路[J].电子技术应用, 1989,15(6):18～20
[3]周云波.实用铂热电阻线性化变换电路[J].电子技术应用,1995,21(10):47～50
[4]方建淳,夏东培.ICL232单电源双RC～232发送/接收器及其应用[J].电子技术应用,1993,19(7):25～27
[5]余 磊.集成锁相环NE565的特性及应用[J]. 电子技术应用,1991,17(5):34～36
收稿日期：1998-11-03, 百拇医药