专利名称：一种生物医学信号模拟仪的制作方法
一种生物医学信号模拟仪技术领域
本发明属于医疗仪器领域，尤其涉及一种生物医学信号模拟仪。
技术背景
目前临床常用的心电、呼吸、体温、有创血压测量数据经常需要将其数字信号转换为模拟信号进行分析，目前国内外尤其是国内多参模拟仪信号输出单一，控制方式单一，一些控制只能够采用固定高精电阻手动模拟温度参数，并且只能够模拟一种或两种生理参数，没有良好的人机交互界面，针对此情况，为了满足医生希望得到所测数据的模拟量以及能够有模拟波形帮助诊断的需求，需要开发一种对多种数据信号进行模拟输出并生成波形输出的具有人机对话功能的多功能模拟仪。发明内容
本发明的目的是针对上述问题提出的一种生物医学信号模拟仪技术方案，该方案将采集到的人体多种参数采用数模转换的方式输出，并且可以根据人体参数特性的不同， 通过人机对话的方式对模拟量进行调整，提高模拟信号的真实性和准确性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是一种生物医学信号模拟仪，包括中央处理单元和模拟信号输出电路，所述中央处理单元通过单片机连接模拟信号输出电路，所述单片机包括有D/A转换输出，其中，所述模拟信号输出电路包括心电数据模拟电路、呼吸数据模拟电路、有创血压数据模拟电路和体温数据模拟电路；所述心电数据模拟电路包括电阻分压输出电路和D/A转换电路，D/A转换电路与单片机连接，D/A转换电路的模拟输出连接电阻分压输出电路；所述呼吸数据模拟电路包括可控电阻变化率电路和可变基线阻抗电路，可控电阻变化率电路连接单片机的D/A转换输出；所述有创血压数据模拟电路包括电阻分压输出电路和D/A转换电路，D/A转换电路与单片机连接，D/A转换电路的模拟输出连接电阻分压输出电路；所述体温数据模拟电路包括微调电阻电路和数字电位器，数字电位器与单片机连接， 数字电位器的电阻弓丨出引脚与微调电阻电路连接。
所述呼吸数据模拟电路的可控电阻变化率电路和可变基线阻抗电路包括场效应管和可控双路四选一无触点开关电路，场效应管的栅极连接单片机的D/A转换输出，可控双路四选一无触点开关电路的双路选择端X和选择端Y分别连接场效应管的源极和漏极， 可控双路四选一无触点开关电路的四路被选择端作为可变基线阻抗输出端分别连接4个不同阻值的电阻，所述可控双路四选一无触点开关电路的选择端连接单片机的控制输出。
所述心电数据模拟电路的电阻分压输出电路包括心率的模拟电阻分压输出电路和起搏脉冲信号的模拟电阻分压输出电路，所述心率的模拟电阻分压输出电路是电阻串联分压输出电路，所述起搏脉冲信号的模拟电阻分压输出电路包括脉冲幅值电源和可变电阻电路分压电路，所述可变电阻分压电路包括电阻和可控多路选一无触点开关电路，电阻分别连接在可控多路选一无触点开关电路的选择端和被选择端，所述脉冲幅值电源连接在可控多路选一无触点开关电路的选择端，所述可控多路选一无触点开关电路的控制端连接单片机的控制输出。
所述单片机以同步串行通讯方式连接心电数据模拟电路和所述有创血压数据模拟电路的D/A转换电路，以及体温数据模拟电路的数字电位器。
本发明与已有技术相比产生的有益效果是可以根据人体参数特性的不同，通过人机对话的方式对模拟量进行调整，提高模拟信号的真实性和准确性，具有良好的人机交互功能，提供了心电模拟及测试，多通道有创血压控制输出，呼吸模拟数据设定，多种常见温度输出；本发明将心电、呼吸、体温、有创血压4种生理参数集合到一个设备上，可以在任何使用患者监护仪的地方进行测试和实验。采用锂电池和/或线性适配器供电，可循环使用，减少干扰信号，几乎可用于医疗保健行业的所有患者监护医疗设备，同时也为培训、评估和预防性维护提供了一个基本条件。
下面结合附图实施例对本发明作一详细描述。
图1为本发明的电路结构框图； 图2为本发明心电数据模拟电路图； 图3为本发明呼吸数据模拟电路图；图4为本发明有创血压数据模拟电路图； 图5为本发明体温数据模拟电路图。
具体实施方式
一种生物医学信号模拟仪实施例，参见图1、图2、图3、图4和图5 ；所述模拟仪包括中央处理单元101和模拟信号输出电路，所述中央处理单元通过单片机102 (型号为 LPC2136)连接模拟信号输出电路，所述单片机包括有D/A转换输出102-1，其中，所述模拟信号输出电路包括心电数据模拟电路103、呼吸数据模拟电路104、有创血压数据(IBP数据)模拟电路105和体温数据模拟电路106 ；其中，本实施例所述中央处理单元是ARM9TDMI 处理器，所述模拟仪围绕中央处理单元还有连接IXD触摸屏107、存储器、时钟发生器和APB 总线108 (Advanced Peripheral Bus)，单片机是通过APB总线挂接的串口 109与中央处理单元连接，APB总线通过挂接的串口 +SDI模块110分别连接电源管理模块111、按键管理模块112和病人医学数据采集模块113。其中，所述电源管理模块包括有电源分配电路，电源分配电路连接有锂电池和线性电源适配器；所述按键管理模块包括PVC薄膜按键和薄膜按键检测控制电路；所述病人医学数据采集模块包括多种读取接口电路，通过读取接口电路可以读取任何存储病人医学数据信息的存储器，例如USB存储器或者SD卡存储器等等。
所述心电数据模拟电路包括电阻分压输出电路和D/A转换电路，D/A转换电路与单片机连接，D/A转换电路的模拟输出连接电阻分压输出电路；所述呼吸数据模拟电路包括可控电阻变化率和可变基线阻抗电路，可控电阻变化率连接单片机的D/A转换输出；所述有创血压数据模拟电路包括电阻分压输出电路和D/A转换电路，D/A转换电路与单片机连接，D/A转换电路的模拟输出连接电阻分压输出电路；所述体温数据模拟电路包括微调电阻电路和数字电位器，数字电位器与单片机连接， 数字电位器的电阻弓丨出引脚与微调电阻电路连接。
如图2所示，所述心电数据模拟电路的电阻分压输出电路包括心率的模拟电阻分压输出电路201和起搏脉冲信号的模拟电阻分压输出电路202。
所述心率的模拟电阻分压输出电路是通过电阻R201和R202串联分压后输出，模拟电阻分压输出电路直接连接D/A转换电路2011的八路D/A输出，D/A转换电路使用的是型号为DAC7558IRHBRG4的芯片。
所述起搏脉冲信号的模拟电阻分压输出电路包括脉冲幅值电源和可变电阻电路分压电路，所述可变电阻电路分压电路包括电阻和可控多路选一无触点开关电路，电阻分别连接在可控多路选一无触点开关电路的选择端和被选择端，所述脉冲幅值电源连接在可控多路选一无触点开关电路的选择端，所述可控多路选一无触点开关电路的控制端连接单片机的控制输出；其中，所述脉冲幅值电源使用的是2. 5伏直流电源2021，所述可控多路选一无触点开关电路包括一个一路一选五无触点开关电路(⑶74HC4051PWR) 2022和一个三路一选二无触点开关电路(⑶74HC4053PWR) 2023，一选五无触点开关电路的五路被选择端分别接五个不同阻值的电阻R203，一选五无触点开关电路的选择端X与三路一选二无触点开关电路的两路被选择端的一路X0、YO和ZO连接，被选择端的另一路XI、Yl和Zl同时接电源负极；三路一选二无触点开关电路的三路选择端X、Y和Z —同接七个不同阻值的电阻 R204，脉冲幅值电源连接在可控多路选一无触点开关电路的选择端的同时还通过电阻R205 接电源负极。
上述心电数据模拟电路可以实现30多种心率失常及正常的窦性心率、性能测试波、起搏信号。单片机把接收到的上位机数据解包并通过SPI通讯方式输入到 DAC7558IRHBRG4转换芯片，此芯片选用串入并出12位8通道D/A以每秒500个数据包的速率输出模拟转换数据，以2. 5V作为参考源、采用电阻分压方式调节信号变换范围为0 10mV，直接输出Vl V6模拟信号。同时D/A转换电路还有右手(RA)与左手(LA)信号输出，右手与左手信号通过运算放大器2012跟随之后再分别连接到RA与LA相应的导联输出接线端子柱上，模拟输出的零点RL接线柱直接接GND，模拟GND通过运算放大器跟随之后接到本实施例设定的零线LL导联接线柱上。
一选五无触点开关电路(⑶74HC4051PWR)通过电阻分压可产生五种不同的电压档位(2mv, 4mv, 6mv, 8mv, IOmv),结合 LPC2136 单片机对 CD74HC405 IPffR 模拟开关的控制，可输出此五种起搏电压幅值，同时通过单片机内部定时器控制三路一选二无触点开关电路CD74HC4053PWR模拟开关的响应时间来控制起搏的时间，分别为 0. Ims, 0. 5ms, 1. 0ms, 1. 5ms, 2. Oms五种起搏脉冲时间，可输出25种不同的起搏脉冲信号。
如图3所示，所述呼吸数据模拟电路的可控电阻变化率和可变基线阻抗电路包括场效应管Ql和可控双路四选一无触点开关电路301 (型号为⑶74HC4052PWR)，场效应管的栅极连接单片机的D/A转换输出，可控双路四选一无触点开关电路的双路的选择端X和选择端Y分别连接场效应管的源极和漏极，可控双路四选一无触点开关电路的四路被选择端作为可变基线阻抗输出端分别连接4个不同阻值的电阻R301，不同阻值的电阻值分别是对应XO和YO的250 Ω、对应Xl和Yl的500 Ω、对应Χ2和Υ2的750 Ω、对应Χ3和Υ3的 1000 Ω，所述可控双路四选一无触点开关电路的选择端连接单片机的控制输出。
所述呼吸数据模拟电路通过一个可控的电阻变化率与变换范围来模拟胸腔的电阻变化，模拟出人体呼吸时身体阻抗的变化。LPC2136单片机通过串口接收上位机的数字打包信号，根据通讯协议解包并通过单片机内部D/A转换管脚输出不同的模拟电压，通过控制SST4392 MOS管栅极与源极之间的电压变换，根据MOS管的V_gs特性曲线可推导出 MOS管的漏极与源极之间的电阻变化。通过上位机的打包数据控制单片机LPC2136的D/A 管脚输出不同的电压，可分别得到0. 2R、0. 5R、1R、3R的变换范围以及0 150的呼吸变换速率。单片机LPC2136通过控制模拟开关电路CD74HC4052PWR得到500Ω、1000Ω、1500Ω、 2000 Ω的基线阻抗变化，最后在接线柱上输出不同的模拟呼吸信号。
如图4所示，所述有创血压数据模拟电路包括电阻分压输出电路和D/A转换电路 401 (型号为BU2507FV)，D/A转换芯片与单片机连接，D/A转换芯片的模拟输出连接电阻分压输出电路；图4中的电阻分压输出电路分别由两组相互串联的四个不同阻值的电阻R401 和R402组成，单片机通过串口接收上位机数字打包信号，LPC2136单片机解包并通过SPI 通讯方式将数据输入到串入并出10位6通道的D/A转换芯片，D/A转换电路通过通道A01、 A02、A04、A06输出各模拟数据，再通过0. 1%的2. 49K精度电阻与10 Ω电阻分压取得有创血压各模拟数据，最后连接到4个6芯的PS2插座上，通过IBP线缆输出模拟信号(1条线缆只能输出1个通道的模拟IBP数据)。本实施例创血压数据模拟电路仅适用于5V输入， 外部5V供电电压通过电阻分压经过运算放大器得到D/A转换芯片BU2507FV的2. 5基准电压。
如图5所示，所述体温数据模拟电路包括微调电阻电路和数字电位器(型号为 AD5259BRMZ10)，数字电位器501与单片机连接，数字电位器的引出引脚连接电阻R501和微调电阻RW输出。体温数据模拟电路可模拟4种预设置的人体温度，冰冻(0°C /32°F)、低体温(24°C /75. 2°F)、正常(37°C /98. 6°F)或发烧(40°C /104°F)。通过 IOK 固定阻值 256 步进 0. 1%高精度数字电位器与LPC2136单片机通过1 通讯方式实现4种模拟体温数据，后面电路并联2个IOM的电阻及串联一个200欧姆的滑动电位器进行微调，最后连接到PS2插座上，通过体温线缆输出模拟体温数据。
因此上述实施例中，所述单片机以同步串行通讯方式连接心电数据模拟电路的D/ A转换电路以及所述有创血压数据模拟电路的D/A转换电路和体温数据模拟电路的数字电位器。
本实施例所述病人医学数据采集模块的工作原理是通过读取SD卡接口电路中存储的可识别病例，可以读取临床应用中实际遇到的有意义的心电数据，可识别病例是以诸如心电图机、监护仪等心电监测仪器所记录的心电数据为基础，配合记录此数据的数据信息组成，数据信息包括采样频率、采样精度、数据类型、基线位置、定标、导联标志等信息， 将信息转换成.txt文件格式。通常采集的数据格式包括*. . atr、*. . dat、*. . hea，然后通过转换软件将上述格式的文件转换成SD卡可识别的病例格式。中央处理器将上述转换后生成的病例波形在LCD触摸屏显示出来，同时以人机对话的方式通过单片机实现该病例的模拟信号输出，医护人员可以从模拟信号输出端和波形的比较分析病人的病情，再现病例。
本实施例所述生物医学信号模拟仪的工作原理是以ARM9TDMI处理器为核心处理单元，将其内部存储的心电、IBP波形数据，通过串口发送给单片机，单片机通过控制外置 D/A转换器及自身D/A模块的输出，以及通过IIC模块控制数字电位器的阻值变换，实现心电、有创血压、呼吸、体温数据的模拟输出，通过SDI模块与病例转换软件实现病人医学数据的采集回放。
权利要求
1.一种生物医学信号模拟仪，包括中央处理单元和模拟信号输出电路，所述中央处理单元通过单片机连接模拟信号输出电路，所述单片机包括有D/A转换输出，其特征在于，所述模拟信号输出电路包括心电数据模拟电路、呼吸数据模拟电路、有创血压数据模拟电路和体温数据模拟电路；所述心电数据模拟电路包括电阻分压输出电路和D/A转换电路，D/A转换电路与单片机连接，D/A转换电路的模拟输出连接电阻分压输出电路；所述呼吸数据模拟电路包括可控电阻变化率电路和可变基线阻抗电路，可控电阻变化率电路连接单片机的D/A转换输出；所述有创血压数据模拟电路包括电阻分压输出电路和D/A转换电路，D/A转换电路与单片机连接，D/A转换电路的模拟输出连接电阻分压输出电路；所述体温数据模拟电路包括微调电阻电路和数字电位器，数字电位器与单片机连接， 数字电位器的电阻弓丨出引脚与微调电阻电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种生物医学信号模拟仪，其特征在于，所述呼吸数据模拟电路的可控电阻变化率电路和可变基线阻抗电路包括场效应管和可控双路四选一无触点开关电路，场效应管的栅极连接单片机的D/A转换输出，可控双路四选一无触点开关电路的双路选择端X和选择端Y分别连接场效应管的源极和漏极，可控双路四选一无触点开关电路的四路被选择端作为可变基线阻抗输出端分别连接4个不同阻值的电阻，所述可控双路四选一无触点开关电路的选择端连接单片机的控制输出。
3.根据权利要求1所述的一种生物医学信号模拟仪，其特征在于，所述心电数据模拟电路的电阻分压输出电路包括心率的模拟电阻分压输出电路和起搏脉冲信号的模拟电阻分压输出电路，所述心率的模拟电阻分压输出电路是电阻串联分压输出电路，所述起搏脉冲信号的模拟电阻分压输出电路包括脉冲幅值电源和可变电阻电路分压电路，所述可变电阻分压电路包括电阻和可控多路选一无触点开关电路，电阻分别连接在可控多路选一无触点开关电路的选择端和被选择端，所述脉冲幅值电源连接在可控多路选一无触点开关电路的选择端，所述可控多路选一无触点开关电路的控制端连接单片机的控制输出。
4.根据权利要求1所述的一种生物医学信号模拟仪，其特征在于，所述单片机以同步串行通讯方式连接心电数据模拟电路和所述有创血压数据模拟电路的D/A转换电路，以及体温数据模拟电路的数字电位器。
全文摘要
本发明涉及一种生物医学信号模拟仪，包括中央处理单元和模拟信号输出电路，所述中央处理单元通过单片机连接模拟信号输出电路，所述单片机包括有D/A转换输出，其中，所述模拟信号输出电路包括心电数据模拟电路、呼吸数据模拟电路、有创血压数据模拟电路和体温数据模拟电路；本发明可以根据人体参数特性的不同，通过人机对话的方式对模拟量进行调整，提高模拟信号的真实性和准确性，具有良好的人机交互功能，本模拟仪提供了心电模拟及测试，多通道无创血压控制，呼吸模拟数据设定，多种常见温度输出；本发明将心电、呼吸、体温、有创血压4种生理参数集合到一个设备上,可以在任何使用患者监护仪的地方进行测试和实验。
文档编号A61B5/0205GK102525433SQ201110436650
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者刘伟, 刘晨亮, 卢云山, 宗丽丽, 李传喜, 胡坤, 许云龙, 韩旭 申请人:秦皇岛市康泰医学系统有限公司