一種生物醫學信號模擬儀的製作方法

2023-05-27 00:55:46

專利名稱：一種生物醫學信號模擬儀的製作方法
一種生物醫學信號模擬儀技術領域
本發明屬於醫療儀器領域，尤其涉及一種生物醫學信號模擬儀。
技術背景
目前臨床常用的心電、呼吸、體溫、有創血壓測量數據經常需要將其數位訊號轉換為模擬信號進行分析，目前國內外尤其是國內多參模擬儀信號輸出單一，控制方式單一，一些控制只能夠採用固定高精電阻手動模擬溫度參數，並且只能夠模擬一種或兩種生理參數，沒有良好的人機互動界面，針對此情況，為了滿足醫生希望得到所測數據的模擬量以及能夠有模擬波形幫助診斷的需求，需要開發一種對多種數據信號進行模擬輸出並生成波形輸出的具有人機對話功能的多功能模擬儀。發明內容
本發明的目的是針對上述問題提出的一種生物醫學信號模擬儀技術方案，該方案將採集到的人體多種參數採用數模轉換的方式輸出，並且可以根據人體參數特性的不同， 通過人機對話的方式對模擬量進行調整，提高模擬信號的真實性和準確性。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是一種生物醫學信號模擬儀，包括中央處理單元和模擬信號輸出電路，所述中央處理單元通過單片機連接模擬信號輸出電路，所述單片機包括有D/A轉換輸出，其中，所述模擬信號輸出電路包括心電數據模擬電路、呼吸數據模擬電路、有創血壓數據模擬電路和體溫數據模擬電路；所述心電數據模擬電路包括電阻分壓輸出電路和D/A轉換電路，D/A轉換電路與單片機連接，D/A轉換電路的模擬輸出連接電阻分壓輸出電路；所述呼吸數據模擬電路包括可控電阻變化率電路和可變基線阻抗電路，可控電阻變化率電路連接單片機的D/A轉換輸出；所述有創血壓數據模擬電路包括電阻分壓輸出電路和D/A轉換電路，D/A轉換電路與單片機連接，D/A轉換電路的模擬輸出連接電阻分壓輸出電路；所述體溫數據模擬電路包括微調電阻電路和數字電位器，數字電位器與單片機連接， 數字電位器的電阻弓丨出引腳與微調電阻電路連接。
所述呼吸數據模擬電路的可控電阻變化率電路和可變基線阻抗電路包括場效應管和可控雙路四選一無觸點開關電路，場效應管的柵極連接單片機的D/A轉換輸出，可控雙路四選一無觸點開關電路的雙路選擇端X和選擇端Y分別連接場效應管的源極和漏極， 可控雙路四選一無觸點開關電路的四路被選擇端作為可變基線阻抗輸出端分別連接4個不同阻值的電阻，所述可控雙路四選一無觸點開關電路的選擇端連接單片機的控制輸出。
所述心電數據模擬電路的電阻分壓輸出電路包括心率的模擬電阻分壓輸出電路和起搏脈衝信號的模擬電阻分壓輸出電路，所述心率的模擬電阻分壓輸出電路是電阻串聯分壓輸出電路，所述起搏脈衝信號的模擬電阻分壓輸出電路包括脈衝幅值電源和可變電阻電路分壓電路，所述可變電阻分壓電路包括電阻和可控多路選一無觸點開關電路，電阻分別連接在可控多路選一無觸點開關電路的選擇端和被選擇端，所述脈衝幅值電源連接在可控多路選一無觸點開關電路的選擇端，所述可控多路選一無觸點開關電路的控制端連接單片機的控制輸出。
所述單片機以同步串行通訊方式連接心電數據模擬電路和所述有創血壓數據模擬電路的D/A轉換電路，以及體溫數據模擬電路的數字電位器。
本發明與已有技術相比產生的有益效果是可以根據人體參數特性的不同，通過人機對話的方式對模擬量進行調整，提高模擬信號的真實性和準確性，具有良好的人機互動功能，提供了心電模擬及測試，多通道有創血壓控制輸出，呼吸模擬數據設定，多種常見溫度輸出；本發明將心電、呼吸、體溫、有創血壓4種生理參數集合到一個設備上，可以在任何使用患者監護儀的地方進行測試和實驗。採用鋰電池和/或線性適配器供電，可循環使用，減少幹擾信號，幾乎可用於醫療保健行業的所有患者監護醫療設備，同時也為培訓、評估和預防性維護提供了一個基本條件。
下面結合附圖實施例對本發明作一詳細描述。


圖1為本發明的電路結構框圖； 圖2為本發明心電數據模擬電路圖； 圖3為本發明呼吸數據模擬電路圖；圖4為本發明有創血壓數據模擬電路圖； 圖5為本發明體溫數據模擬電路圖。
具體實施方式
一種生物醫學信號模擬儀實施例，參見圖1、圖2、圖3、圖4和圖5 ；所述模擬儀包括中央處理單元101和模擬信號輸出電路，所述中央處理單元通過單片機102 (型號為 LPC2136)連接模擬信號輸出電路，所述單片機包括有D/A轉換輸出102-1，其中，所述模擬信號輸出電路包括心電數據模擬電路103、呼吸數據模擬電路104、有創血壓數據(IBP數據)模擬電路105和體溫數據模擬電路106 ；其中，本實施例所述中央處理單元是ARM9TDMI 處理器，所述模擬儀圍繞中央處理單元還有連接IXD觸控螢幕107、存儲器、時鐘發生器和APB 總線108 (Advanced Peripheral Bus)，單片機是通過APB總線掛接的串口 109與中央處理單元連接，APB總線通過掛接的串口 +SDI模塊110分別連接電源管理模塊111、按鍵管理模塊112和病人醫學數據採集模塊113。其中，所述電源管理模塊包括有電源分配電路，電源分配電路連接有鋰電池和線性電源適配器；所述按鍵管理模塊包括PVC薄膜按鍵和薄膜按鍵檢測控制電路；所述病人醫學數據採集模塊包括多種讀取接口電路，通過讀取接口電路可以讀取任何存儲病人醫學數據信息的存儲器，例如USB存儲器或者SD卡存儲器等等。
所述心電數據模擬電路包括電阻分壓輸出電路和D/A轉換電路，D/A轉換電路與單片機連接，D/A轉換電路的模擬輸出連接電阻分壓輸出電路；所述呼吸數據模擬電路包括可控電阻變化率和可變基線阻抗電路，可控電阻變化率連接單片機的D/A轉換輸出；所述有創血壓數據模擬電路包括電阻分壓輸出電路和D/A轉換電路，D/A轉換電路與單片機連接，D/A轉換電路的模擬輸出連接電阻分壓輸出電路；所述體溫數據模擬電路包括微調電阻電路和數字電位器，數字電位器與單片機連接， 數字電位器的電阻弓丨出引腳與微調電阻電路連接。
如圖2所示，所述心電數據模擬電路的電阻分壓輸出電路包括心率的模擬電阻分壓輸出電路201和起搏脈衝信號的模擬電阻分壓輸出電路202。
所述心率的模擬電阻分壓輸出電路是通過電阻R201和R202串聯分壓後輸出，模擬電阻分壓輸出電路直接連接D/A轉換電路2011的八路D/A輸出，D/A轉換電路使用的是型號為DAC7558IRHBRG4的晶片。
所述起搏脈衝信號的模擬電阻分壓輸出電路包括脈衝幅值電源和可變電阻電路分壓電路，所述可變電阻電路分壓電路包括電阻和可控多路選一無觸點開關電路，電阻分別連接在可控多路選一無觸點開關電路的選擇端和被選擇端，所述脈衝幅值電源連接在可控多路選一無觸點開關電路的選擇端，所述可控多路選一無觸點開關電路的控制端連接單片機的控制輸出；其中，所述脈衝幅值電源使用的是2. 5伏直流電源2021，所述可控多路選一無觸點開關電路包括一個一路一選五無觸點開關電路(⑶74HC4051PWR) 2022和一個三路一選二無觸點開關電路(⑶74HC4053PWR) 2023，一選五無觸點開關電路的五路被選擇端分別接五個不同阻值的電阻R203，一選五無觸點開關電路的選擇端X與三路一選二無觸點開關電路的兩路被選擇端的一路X0、YO和ZO連接，被選擇端的另一路XI、Yl和Zl同時接電源負極；三路一選二無觸點開關電路的三路選擇端X、Y和Z —同接七個不同阻值的電阻 R204，脈衝幅值電源連接在可控多路選一無觸點開關電路的選擇端的同時還通過電阻R205 接電源負極。
上述心電數據模擬電路可以實現30多種心率失常及正常的竇性心率、性能測試波、起搏信號。單片機把接收到的上位機數據解包並通過SPI通訊方式輸入到 DAC7558IRHBRG4轉換晶片，此晶片選用串入並出12位8通道D/A以每秒500個數據包的速率輸出模擬轉換數據，以2. 5V作為參考源、採用電阻分壓方式調節信號變換範圍為0 10mV，直接輸出Vl V6模擬信號。同時D/A轉換電路還有右手(RA)與左手(LA)信號輸出，右手與左手信號通過運算放大器2012跟隨之後再分別連接到RA與LA相應的導聯輸出接線端子柱上，模擬輸出的零點RL接線柱直接接GND，模擬GND通過運算放大器跟隨之後接到本實施例設定的零線LL導聯接線柱上。
一選五無觸點開關電路(⑶74HC4051PWR)通過電阻分壓可產生五種不同的電壓檔位(2mv, 4mv, 6mv, 8mv, IOmv),結合 LPC2136 單片機對 CD74HC405 IPffR 模擬開關的控制，可輸出此五種起搏電壓幅值，同時通過單片機內部定時器控制三路一選二無觸點開關電路CD74HC4053PWR模擬開關的響應時間來控制起搏的時間，分別為 0. Ims, 0. 5ms, 1. 0ms, 1. 5ms, 2. Oms五種起搏脈衝時間，可輸出25種不同的起搏脈衝信號。
如圖3所示，所述呼吸數據模擬電路的可控電阻變化率和可變基線阻抗電路包括場效應管Ql和可控雙路四選一無觸點開關電路301 (型號為⑶74HC4052PWR)，場效應管的柵極連接單片機的D/A轉換輸出，可控雙路四選一無觸點開關電路的雙路的選擇端X和選擇端Y分別連接場效應管的源極和漏極，可控雙路四選一無觸點開關電路的四路被選擇端作為可變基線阻抗輸出端分別連接4個不同阻值的電阻R301，不同阻值的電阻值分別是對應XO和YO的250 Ω、對應Xl和Yl的500 Ω、對應Χ2和Υ2的750 Ω、對應Χ3和Υ3的 1000 Ω，所述可控雙路四選一無觸點開關電路的選擇端連接單片機的控制輸出。
所述呼吸數據模擬電路通過一個可控的電阻變化率與變換範圍來模擬胸腔的電阻變化，模擬出人體呼吸時身體阻抗的變化。LPC2136單片機通過串口接收上位機的數字打包信號，根據通訊協議解包並通過單片機內部D/A轉換管腳輸出不同的模擬電壓，通過控制SST4392 MOS管柵極與源極之間的電壓變換，根據MOS管的V_gs特性曲線可推導出 MOS管的漏極與源極之間的電阻變化。通過上位機的打包數據控制單片機LPC2136的D/A 管腳輸出不同的電壓，可分別得到0. 2R、0. 5R、1R、3R的變換範圍以及0 150的呼吸變換速率。單片機LPC2136通過控制模擬開關電路CD74HC4052PWR得到500Ω、1000Ω、1500Ω、 2000 Ω的基線阻抗變化，最後在接線柱上輸出不同的模擬呼吸信號。
如圖4所示，所述有創血壓數據模擬電路包括電阻分壓輸出電路和D/A轉換電路 401 (型號為BU2507FV)，D/A轉換晶片與單片機連接，D/A轉換晶片的模擬輸出連接電阻分壓輸出電路；圖4中的電阻分壓輸出電路分別由兩組相互串聯的四個不同阻值的電阻R401 和R402組成，單片機通過串口接收上位機數字打包信號，LPC2136單片機解包並通過SPI 通訊方式將數據輸入到串入並出10位6通道的D/A轉換晶片，D/A轉換電路通過通道A01、 A02、A04、A06輸出各模擬數據，再通過0. 1%的2. 49K精度電阻與10 Ω電阻分壓取得有創血壓各模擬數據，最後連接到4個6芯的PS2插座上，通過IBP線纜輸出模擬信號(1條線纜只能輸出1個通道的模擬IBP數據)。本實施例創血壓數據模擬電路僅適用於5V輸入， 外部5V供電電壓通過電阻分壓經過運算放大器得到D/A轉換晶片BU2507FV的2. 5基準電壓。
如圖5所示，所述體溫數據模擬電路包括微調電阻電路和數字電位器(型號為 AD5259BRMZ10)，數字電位器501與單片機連接，數字電位器的引出引腳連接電阻R501和微調電阻RW輸出。體溫數據模擬電路可模擬4種預設置的人體溫度，冰凍(0°C /32°F)、低體溫(24°C /75. 2°F)、正常(37°C /98. 6°F)或發燒(40°C /104°F)。通過 IOK 固定阻值 256 步進 0. 1%高精度數字電位器與LPC2136單片機通過1 通訊方式實現4種模擬體溫數據，後面電路並聯2個IOM的電阻及串聯一個200歐姆的滑動電位器進行微調，最後連接到PS2插座上，通過體溫線纜輸出模擬體溫數據。
因此上述實施例中，所述單片機以同步串行通訊方式連接心電數據模擬電路的D/ A轉換電路以及所述有創血壓數據模擬電路的D/A轉換電路和體溫數據模擬電路的數字電位器。
本實施例所述病人醫學數據採集模塊的工作原理是通過讀取SD卡接口電路中存儲的可識別病例，可以讀取臨床應用中實際遇到的有意義的心電數據，可識別病例是以諸如心電圖機、監護儀等心電監測儀器所記錄的心電數據為基礎，配合記錄此數據的數據信息組成，數據信息包括採樣頻率、採樣精度、數據類型、基線位置、定標、導聯標誌等信息， 將信息轉換成.txt文件格式。通常採集的數據格式包括*. . atr、*. . dat、*. . hea，然後通過轉換軟體將上述格式的文件轉換成SD卡可識別的病例格式。中央處理器將上述轉換後生成的病例波形在LCD觸控螢幕顯示出來，同時以人機對話的方式通過單片機實現該病例的模擬信號輸出，醫護人員可以從模擬信號輸出端和波形的比較分析病人的病情，再現病例。
本實施例所述生物醫學信號模擬儀的工作原理是以ARM9TDMI處理器為核心處理單元，將其內部存儲的心電、IBP波形數據，通過串口發送給單片機，單片機通過控制外置 D/A轉換器及自身D/A模塊的輸出，以及通過IIC模塊控制數字電位器的阻值變換，實現心電、有創血壓、呼吸、體溫數據的模擬輸出，通過SDI模塊與病例轉換軟體實現病人醫學數據的採集回放。
權利要求
1.一種生物醫學信號模擬儀，包括中央處理單元和模擬信號輸出電路，所述中央處理單元通過單片機連接模擬信號輸出電路，所述單片機包括有D/A轉換輸出，其特徵在於，所述模擬信號輸出電路包括心電數據模擬電路、呼吸數據模擬電路、有創血壓數據模擬電路和體溫數據模擬電路；所述心電數據模擬電路包括電阻分壓輸出電路和D/A轉換電路，D/A轉換電路與單片機連接，D/A轉換電路的模擬輸出連接電阻分壓輸出電路；所述呼吸數據模擬電路包括可控電阻變化率電路和可變基線阻抗電路，可控電阻變化率電路連接單片機的D/A轉換輸出；所述有創血壓數據模擬電路包括電阻分壓輸出電路和D/A轉換電路，D/A轉換電路與單片機連接，D/A轉換電路的模擬輸出連接電阻分壓輸出電路；所述體溫數據模擬電路包括微調電阻電路和數字電位器，數字電位器與單片機連接， 數字電位器的電阻弓丨出引腳與微調電阻電路連接。
2.根據權利要求1所述的一種生物醫學信號模擬儀，其特徵在於，所述呼吸數據模擬電路的可控電阻變化率電路和可變基線阻抗電路包括場效應管和可控雙路四選一無觸點開關電路，場效應管的柵極連接單片機的D/A轉換輸出，可控雙路四選一無觸點開關電路的雙路選擇端X和選擇端Y分別連接場效應管的源極和漏極，可控雙路四選一無觸點開關電路的四路被選擇端作為可變基線阻抗輸出端分別連接4個不同阻值的電阻，所述可控雙路四選一無觸點開關電路的選擇端連接單片機的控制輸出。
3.根據權利要求1所述的一種生物醫學信號模擬儀，其特徵在於，所述心電數據模擬電路的電阻分壓輸出電路包括心率的模擬電阻分壓輸出電路和起搏脈衝信號的模擬電阻分壓輸出電路，所述心率的模擬電阻分壓輸出電路是電阻串聯分壓輸出電路，所述起搏脈衝信號的模擬電阻分壓輸出電路包括脈衝幅值電源和可變電阻電路分壓電路，所述可變電阻分壓電路包括電阻和可控多路選一無觸點開關電路，電阻分別連接在可控多路選一無觸點開關電路的選擇端和被選擇端，所述脈衝幅值電源連接在可控多路選一無觸點開關電路的選擇端，所述可控多路選一無觸點開關電路的控制端連接單片機的控制輸出。
4.根據權利要求1所述的一種生物醫學信號模擬儀，其特徵在於，所述單片機以同步串行通訊方式連接心電數據模擬電路和所述有創血壓數據模擬電路的D/A轉換電路，以及體溫數據模擬電路的數字電位器。
全文摘要
本發明涉及一種生物醫學信號模擬儀，包括中央處理單元和模擬信號輸出電路，所述中央處理單元通過單片機連接模擬信號輸出電路，所述單片機包括有D/A轉換輸出，其中，所述模擬信號輸出電路包括心電數據模擬電路、呼吸數據模擬電路、有創血壓數據模擬電路和體溫數據模擬電路；本發明可以根據人體參數特性的不同，通過人機對話的方式對模擬量進行調整，提高模擬信號的真實性和準確性，具有良好的人機互動功能，本模擬儀提供了心電模擬及測試，多通道無創血壓控制，呼吸模擬數據設定，多種常見溫度輸出；本發明將心電、呼吸、體溫、有創血壓4種生理參數集合到一個設備上,可以在任何使用患者監護儀的地方進行測試和實驗。
文檔編號A61B5/0205GK102525433SQ201110436650
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者劉偉, 劉晨亮, 盧雲山, 宗麗麗, 李傳喜, 胡坤, 許雲龍, 韓旭 申請人:秦皇島市康泰醫學系統有限公司