完全開放式的醫用電子儀器綜合示教儀的研制

馮奇，毛偉，徐茂 ，史英

1.浙江醫藥高等?？茖W校 醫療器械與制藥設備系，浙江 寧波 315100；

2.浙江省醫療器械研究所，浙江 杭州310006

完全開放式的醫用電子儀器綜合示教儀的研制

馮奇1，毛偉1，徐茂1，史英2

1.浙江醫藥高等專科學校 醫療器械與制藥設備系，浙江 寧波 315100；

2.浙江省醫療器械研究所，浙江 杭州310006

本文介紹一種完全開放式綜合性的醫療電子儀器示教儀。該示教儀采用模塊化設計，包括心電、血氧、血壓、體溫、呼吸等模塊；采用最典型的傳感器、模擬數字電路設計以及最基本的單片機數據采集、控制、分析軟件。電路所有的模塊，以及模塊上的關鍵元器件，均可拆裝、測量；可以任意設置故障點供學生排查。因而，綜合示教儀是一個可再生產、再制作的平臺，大大拓展了我們使用儀器的思路。

醫用電子儀器；示教儀；模塊化設計；醫療電子儀器維護

0 前言

醫療電子儀器維護、維修能力是醫療器械專業相關崗位（生產制造、管理維護、售前售后）的核心能力。其支撐課程包括：電工電子、傳感器、單片機、電子線路設計制作、醫用電子儀器生產管理、醫用電子儀器維護維修等課程，貫穿整個學習期間。在校期間，學生知識的鞏固、能力的培養，實驗實訓無疑是其中最重要的手段。而傳統的做法往往是將相關的核心知識和能力進行分割，隸屬于不同的課程和實驗，在不同的實驗室實現。盡管有利于學生較為全面的掌握知識以及日常的教學管理，但不利于學生知識和能力的綜合形成以致舉一反三、融會貫通。因此，希望有一個良好的載體和依托，既能夠滿足上述課程的實驗需求，同時又能實現學生觀察、測量、分析、提出方案并動手實施這樣的核心能力的培養，循序漸進，在頂崗實習之前做好充分的準備，與崗位實際進行近距離對接?；诖?，我們設計開發了醫用電子儀器綜合示教儀，并在此基礎上提出了基于該儀器的醫療器械相關專業課程群的總體建設理念（有論文另發）。在教學實踐過程中取得了良好的效果。

1 設計思想

儀器在開發、設計時充分體現“工學結合”思想，著重于學生理論聯系實際以及動手能力的培養。整機具有類似監護儀[1]各模塊的實際測量功能，同時具有全面展現各測量模塊的原理、電子元件及電路的教學功能。因而該儀器不以性能指標、精度、醫療可用性等為設計制作的目標，而是主要凸顯為教學實踐服務，以集成典型的傳感器典型的模擬、數字電路以及典型的單片機系統和測量方法為主要特色，兼顧學生對實用醫療電子儀器系統硬、軟件組成的理解、檢測、分析能力的培養。

儀器集典型人體生理參數測試電路于一體，其面板采用原理圖式、模塊化布局設計。整機包括箱式外殼、電源、心電、血壓、血氧、主控、人機界面等。每個模塊的電路板均獨立且可拆卸，并可在綜合實訓階段由學生根據原理圖繪制PCB板，自購元器件進行焊接、測量、調試、裝配，以提高學生生產、維護綜合實踐能力。實驗儀面板上詳盡的電子線路圖清晰地剖析了儀器的原理，信號的處理和信號的流向清晰、直觀地標于面板上。同時面板上有固定元器件的插管，可插入相應元器件，還能在關鍵部位預設多種故障點和測試點，可分別模擬心電、血壓、血氧等電路的斷路、短路、零件失效等故障，借以觀察心電、血壓、血氧等模塊的參數、波形變化，從而對故障原因進行判斷并提出相關處理方案。儀器的總體結構，見圖1。

2 儀器的組成

2.1 血壓測量模塊

該模塊采用袖帶式測振法測量血壓參數[2]、即利用壓力傳感器獲取血壓信號，經放大、濾波后，再動態、靜態脈壓分離，經動態脈壓觸發電路向單片機輸出靜態、動態脈壓信號及動態脈壓觸發信號，并在LCD上顯示血壓參數及波形。血壓測量模塊原理圖，見圖2。

單片機的P34引腳輸出一個正信號，經放大后T2導通，即型號為LY031APM的微型直流氣泵工作，向袖帶充氣，達到一定壓力后停止充氣（額定電壓3.0 V，電流<320 mA，充氣100 mL，氣壓300 mmHg，時間<9 s，空載流量>0.7 LPM，最大壓力>400 mmHg）。然后P35腳輸出一個正脈沖使得電磁閥開啟放氣，壓力檢測電路檢測由此導致的壓力變化。檢測電路由恒流源、壓力傳感器、放大電路、濾波器、二次放大電路、血壓脈沖觸發電路等構成（圖3）。

袖帶壓力由廉價的MPS-2100型氣體壓力傳感器檢測，其內部實際敏感元件實為構成橋接的4個電阻（圖3 虛線框內R3～R6）。電源及電阻R1、R2、R9及運放TL064的U1(a)構成一典型的恒流電路，為其提供了穩定的電流，R3用來調零。而U1(b)～U1(d)及附屬電阻構成典型的儀用測量放大電路[3]，將傳感器檢測到的微小電壓放大，該信號再經U2(a)反相放大后送至由U2(b)組成的低通濾波器。濾除袖帶摩擦、電路本身及外加的高頻率成分，干擾將被大大濾除，因而得到隨著氣閥開啟而逐步降低的袖帶氣壓信號，包含靜態氣壓以及由于脈搏搏動導致的動態值。該信號包含極大的直流成分和較少的交流成分，由U3(a)跟隨后輸至單片機的P12口，由軟件分析其中的直流成分即靜態脈壓。因為該信號中脈動部分較小，直接分析會帶來較大的誤差，因而利用C4、R24構成的高通濾波器提取其中的高頻率的脈動成分，由U3(b)跟隨后送至U4(a)。由于該信號是交流成分，包含正負電壓，而單片機的A/D轉換器只能對正信號進行轉換，所以不但要將其進一步放大，而且要將其電位抬升至正電壓，因而將U4(a)接成減法放大器的形式，將其反相放大；同時將一個正信號（由電阻分壓而得）同相放大（電壓＞脈動信號的最大值），再相減，這樣就將原袖帶氣壓的脈動成分充分放大，滿足分析的精度需求。U4(b)接成最簡單的過“零”比較器，比較信號觸發單片機中斷，進行相關的中斷處理。

最后由單片機將模擬端口接收到的信號進行A/D轉換，將其輸出至P0口用液晶顯示器進行波形顯示。同時，根據測振法的原理，經一系列換算，得到脈搏的舒張壓、收縮壓和平均壓[4]，顯示在顯示器上。

2.2 無創脈搏血氧檢測模塊

該模塊采用光電容積法測量脈搏，整個模塊的工作原理可見相關文獻[5]。模塊由光電傳感器，紅光及紅外光發射接收時序控制電路，前置放大電路，同、反相放大電路，紅光及紅外光分離電路，高低通濾波電路等構成，略去自動增益控制電路。同步信號cp由定時器中端觸發P24產生（圖4），cp經分頻、反相后產生Q1、Q2，再經門電路后產生

等觸發控制信號，控制紅光和紅外光發光電路的發光以及整個模塊工作。

紅光及紅外光的發射采用通用的血氧探頭。將兩個二極管反向并聯放置（圖5），控制信號經緩沖后驅動兩個二極管分時發光。

紅光及紅外光透過充滿毛細血管的手指后，經硅光電池轉換成電信號，U3(a)、U3(b)構成對稱跨到放大器，再經U3(c)放大（負信號）。U3(d)以及電子開關CD4016構成同、反相放大電路，將檢測到的總信號部分反相放大、背景噪聲的部分同相放大，再將其低通濾波（R10、C5），使兩部分信號中的噪聲成分可被充分濾除（正信號），單片機產生的cp信號經分頻、組合后提供電子開關CD4016的控制信號，CD4016同時在同步信號的作用下將紅光信號和紅外光信號分離。分離的紅光信號經U6及外圍元件構成的低通濾波器濾波后正信號變成負信號，再經U6(a)所構成的反相放大電路（R11～R14為輸出靜態電壓調整之用），使負信號重新變成正信號，送到單片機的P12口，紅外光信號同理，最后送至P13口，經數字濾波、血氧計算后，在LCD上顯示脈搏波形和血氧數據。

2.3 心電檢測模塊（圖6）

心電采集電路原理圖，見圖7。電路通過心導聯獲RA、LA、LL取的心電信號經低噪聲前置放大器跟隨、疊加、放大后，送至RL導聯形成右腿驅動。來自兩上肢RA、LA的信號經儀表放大器INA128放大后，經R8、C2構成的低通濾波器濾波，再經U3a、R9、R10、C3構成的反相比例放大器放大，C4C5C6及R11、R12、R13與雙運放LM358構成50赫茲的陷波器，進一步濾除心電信號里的工頻交流成分[6]。U5(a)及兩個光耦4N25構成光電耦合電路，用以模擬提高實際測量模塊的安全系數。此時的心電信號仍舊是正負信號，而單片機A/D轉換的輸入信號需為正信號，因而加一級U5(b)構成的減法電路，減去一個-2.5 V的負信號，將心電信號抬升為正信號，最后將放大的心電信號Vo送至STC12C5A60S2的P16端（A/D轉換通道ADC6），經A/D轉換、數字濾波后輸出至液晶顯示器顯示。

2.4 體溫、呼吸頻率測量模塊（圖 8）

該模塊采用負溫度系數的金屬氧化物-陶瓷熱敏電阻MF52作為測量元件，此型電阻體積小、靈敏度高，可達-4.4%/℃。將其放置在鼻孔附近，呼吸時，其溫度變化在1℃的量級，利用單片機P2.2口產生的電壓作為檢測電路的驅動電壓，這樣電路輸出的信號約為驅動電壓的2%（0.07 V），而A/D轉換器的精度為基準電壓的千分之一（約為0.005 V）。

體溫檢測電路非常簡單，由DS18B20集成溫度傳感器作為體溫測量的傳感器，DS18B20可以只通過一條數據線與單片機連接，控制命令和返回的檢測溫度數字值，都可以由該連線傳輸，其分辨率達到0.0625 ℃，完全可以滿足檢測精度的要求。這里由單片機的P24口直接讀取溫度轉換的數字值，在LCD上顯示體溫數據。該電路可以學生學習單片機時的分析對象，并可根據理論分析的結果，自主編程確認。

2.5 主控、LCD顯示、鍵盤、電源模塊

主控處理器采用STC12C5A60S2單片機（圖8），該機軟硬件與經典的MCS-51單片機完全兼容，并且整個程序涵蓋了單片機的各個主要功能模塊。因而在不增加學生額外負擔的情況下，學生可完全理解單片機系統的電路硬件結構、各典型功能模塊的控制方式、信號數字處理的基本原理，并可在此基礎上修改程序，提升自己的實踐水平。

顯示模塊采用綜合液晶TFT8060BS-8，主要顯示體溫參數、呼吸頻率參數、血壓參數、心率參數以及心電、血氧光電脈搏波、血壓壓力波等波形。

TFT8060BS-8是專門針對單片機用戶而設計的液晶顯示器（帶觸摸屏），采用8 in、分辨率為800×600的真彩TFT屏，提供一個簡單的高速8位總線與單片機連接，顯示一個像素只要直接輸入X、Y坐標，無須計算地址。

這里顯示接口采用并行總線方式，所需的信號僅為：數據總線D[7:0]、地址總線A[1:0]、片選/CS、讀/RD、寫/ WR等，分別連接到單片機的P07～P00、P26、P25口以及P27、RD、WR等端口，TFT8060BS-8的顯示存儲器同液晶屏幕上的像素點一一對應，如果希望在液晶屏幕上某一位置顯示文字或圖形，只需要向存儲器內對應區域寫入相應的數據即可。這樣可以將數據和波形寫到相應的地址上。寫入數據后X坐標自動加1，寫滿一行后自動換行，此時只要將波形幅度計算好之后寫到相應的Y地址上即可，非常方便。

模擬電路與單片機電源采用變壓器變壓后得到的正負電壓經7805與7905穩壓后所得，而氣泵與電磁閥所用的電源為開關芯片LM2576及外圍少數元件構成的開關電源[7-8]。鍵盤電路由分壓電阻R8～R13及開關K1～K5組成，按下不同的開關，就在R8和R9之間達產生不同的電壓，送至單片機的P17腳經A/D轉換后即可確定是哪個開關被按下。該電路簡單有效。

3 儀器的基本使用及拓展使用

（1）FS-2010A醫用電子儀器綜合示教儀整合了醫療器械專業的電工、電子、傳感器、單片機及醫用電子儀器所需的基礎知識，集成了各門課程所需的基本模塊，為學生知識的應用、實踐能力的提升、技能的拓展提供了一個良好的平臺。

（2）該儀器在教學過程中，不單單是被動使用的過程，也是一個再生產、再制作的過程。在電子線路設計制作、醫用電子儀器裝配工藝課程以及實訓階段，學生可以分組任選其中的一個模塊，在之前完全掌握其基本原理的條件下，進行調整改進，按照電路圖自己畫PCB板，自己選購合適的元器件，焊接組裝調試儀器，將其整合到整臺機器中。學生在使用本示教儀過程中，通過焊接、組裝、調試等反復試驗，最終達到能夠快速準確的辨認常規電子器件，熟悉各類常規器件的主要參數； 學會器件的選型要點，掌握焊接要點并能熟練焊接，掌握常規測試設備的使用方法；熟悉典型電路的原理，形成對設計、制造一款醫療儀器的初步認識，還可根據相關標準嚴格操作，寫出工藝文件和裝配測試標準，極大地拓展學生的能力和儀器的使用范疇。對于制作有問題的電路板，可以用來進行測試、維修、調整，為日后的醫療器械測試、維修能力打下牢固基礎。

（3）該儀器可為醫療器械行業的社會培訓提供強大的支持。目前，醫療器械行業的產業規模急劇擴大，而從業人員的素質水平相對較低，急需得到相關的專業培訓，因而該儀器可為醫療器械從業人員的專業培訓和進修提供堅實的實踐平臺。

4 結束語

本文介紹了一種綜合性的醫療電子儀器示教儀，創新性地采用了模塊化、開放式的設計。電路所有的模塊以及模塊上的關鍵元器件，都可拆裝、測量?？梢匀我庠O置故障點可供學生排查，同時儀器本身又是一個可再生產、再制作的平臺，學生可在現有基礎上根據原理圖復制電路圖、畫PCB板、焊接、組裝、調試檢修儀器，還可以不斷完善各項功能，設計出更好的實踐方案。

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Development of Complete Open Medical Electronic Instruments Synthetical Demonstration Device

FENG Qi1, MAO Wei1,XU Mao1, SHI Ying2
1. College of Medical Equipment and Pharmacy Equipment, Zhejiang Pharmaceutical College, Ningbo Zhejiang 310006, China; 2.Zhejiang Institute of Medical Device, Hangzhou Zhejiang 310006, China

This paper introduces a kind of complete, open, comprehensive medical electronic instruments synthesizing demonstration device, which adopts modular design, including modules of ECG, hypoxemia, blood pressure, temperature, respiration and so on. The device also adopts the most typical sensor, design of simulation digital circuit and the most basic single-chip microcomputer data to collect, control and analyze software. All modules of the circuit and key compositions of modules can be disassembed, measured, and set fault points arbitrarily for being debugged. As a result, the device is a reproducted and remanufactured platform, and enormously expands our idea of utilizing instrument.

medical electronic instruments; demonstration device; modular design; maintainance of medical electronic instruments

TH772+.2；G642.423

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.09.010

1674-1633(2012)09-0049-04

2012-02-13

2012-03-16

作者郵箱：fengq@mail.zjpc.net.cn