完全开放式的医用电子仪器综合示教仪的研制

冯奇，毛伟，徐茂 ，史英

1.浙江医药高等专科学校 医疗器械与制药设备系，浙江 宁波 315100；

2.浙江省医疗器械研究所，浙江 杭州310006

完全开放式的医用电子仪器综合示教仪的研制

冯奇1，毛伟1，徐茂1，史英2

1.浙江医药高等专科学校 医疗器械与制药设备系，浙江 宁波 315100；

2.浙江省医疗器械研究所，浙江 杭州310006

本文介绍一种完全开放式综合性的医疗电子仪器示教仪。该示教仪采用模块化设计，包括心电、血氧、血压、体温、呼吸等模块；采用最典型的传感器、模拟数字电路设计以及最基本的单片机数据采集、控制、分析软件。电路所有的模块，以及模块上的关键元器件，均可拆装、测量；可以任意设置故障点供学生排查。因而，综合示教仪是一个可再生产、再制作的平台，大大拓展了我们使用仪器的思路。

医用电子仪器；示教仪；模块化设计；医疗电子仪器维护

0 前言

医疗电子仪器维护、维修能力是医疗器械专业相关岗位（生产制造、管理维护、售前售后）的核心能力。其支撑课程包括：电工电子、传感器、单片机、电子线路设计制作、医用电子仪器生产管理、医用电子仪器维护维修等课程，贯穿整个学习期间。在校期间，学生知识的巩固、能力的培养，实验实训无疑是其中最重要的手段。而传统的做法往往是将相关的核心知识和能力进行分割，隶属于不同的课程和实验，在不同的实验室实现。尽管有利于学生较为全面的掌握知识以及日常的教学管理，但不利于学生知识和能力的综合形成以致举一反三、融会贯通。因此，希望有一个良好的载体和依托，既能够满足上述课程的实验需求，同时又能实现学生观察、测量、分析、提出方案并动手实施这样的核心能力的培养，循序渐进，在顶岗实习之前做好充分的准备，与岗位实际进行近距离对接。基于此，我们设计开发了医用电子仪器综合示教仪，并在此基础上提出了基于该仪器的医疗器械相关专业课程群的总体建设理念（有论文另发）。在教学实践过程中取得了良好的效果。

1 设计思想

仪器在开发、设计时充分体现“工学结合”思想，着重于学生理论联系实际以及动手能力的培养。整机具有类似监护仪[1]各模块的实际测量功能，同时具有全面展现各测量模块的原理、电子元件及电路的教学功能。因而该仪器不以性能指标、精度、医疗可用性等为设计制作的目标，而是主要凸显为教学实践服务，以集成典型的传感器典型的模拟、数字电路以及典型的单片机系统和测量方法为主要特色，兼顾学生对实用医疗电子仪器系统硬、软件组成的理解、检测、分析能力的培养。

仪器集典型人体生理参数测试电路于一体，其面板采用原理图式、模块化布局设计。整机包括箱式外壳、电源、心电、血压、血氧、主控、人机界面等。每个模块的电路板均独立且可拆卸，并可在综合实训阶段由学生根据原理图绘制PCB板，自购元器件进行焊接、测量、调试、装配，以提高学生生产、维护综合实践能力。实验仪面板上详尽的电子线路图清晰地剖析了仪器的原理，信号的处理和信号的流向清晰、直观地标于面板上。同时面板上有固定元器件的插管，可插入相应元器件，还能在关键部位预设多种故障点和测试点，可分别模拟心电、血压、血氧等电路的断路、短路、零件失效等故障，借以观察心电、血压、血氧等模块的参数、波形变化，从而对故障原因进行判断并提出相关处理方案。仪器的总体结构，见图1。

2 仪器的组成

2.1 血压测量模块

该模块采用袖带式测振法测量血压参数[2]、即利用压力传感器获取血压信号，经放大、滤波后，再动态、静态脉压分离，经动态脉压触发电路向单片机输出静态、动态脉压信号及动态脉压触发信号，并在LCD上显示血压参数及波形。血压测量模块原理图，见图2。

单片机的P34引脚输出一个正信号，经放大后T2导通，即型号为LY031APM的微型直流气泵工作，向袖带充气，达到一定压力后停止充气（额定电压3.0 V，电流<320 mA，充气100 mL，气压300 mmHg，时间<9 s，空载流量>0.7 LPM，最大压力>400 mmHg）。然后P35脚输出一个正脉冲使得电磁阀开启放气，压力检测电路检测由此导致的压力变化。检测电路由恒流源、压力传感器、放大电路、滤波器、二次放大电路、血压脉冲触发电路等构成（图3）。

袖带压力由廉价的MPS-2100型气体压力传感器检测，其内部实际敏感元件实为构成桥接的4个电阻（图3 虚线框内R3～R6）。电源及电阻R1、R2、R9及运放TL064的U1(a)构成一典型的恒流电路，为其提供了稳定的电流，R3用来调零。而U1(b)～U1(d)及附属电阻构成典型的仪用测量放大电路[3]，将传感器检测到的微小电压放大，该信号再经U2(a)反相放大后送至由U2(b)组成的低通滤波器。滤除袖带摩擦、电路本身及外加的高频率成分，干扰将被大大滤除，因而得到随着气阀开启而逐步降低的袖带气压信号，包含静态气压以及由于脉搏搏动导致的动态值。该信号包含极大的直流成分和较少的交流成分，由U3(a)跟随后输至单片机的P12口，由软件分析其中的直流成分即静态脉压。因为该信号中脉动部分较小，直接分析会带来较大的误差，因而利用C4、R24构成的高通滤波器提取其中的高频率的脉动成分，由U3(b)跟随后送至U4(a)。由于该信号是交流成分，包含正负电压，而单片机的A/D转换器只能对正信号进行转换，所以不但要将其进一步放大，而且要将其电位抬升至正电压，因而将U4(a)接成减法放大器的形式，将其反相放大；同时将一个正信号（由电阻分压而得）同相放大（电压＞脉动信号的最大值），再相减，这样就将原袖带气压的脉动成分充分放大，满足分析的精度需求。U4(b)接成最简单的过“零”比较器，比较信号触发单片机中断，进行相关的中断处理。

最后由单片机将模拟端口接收到的信号进行A/D转换，将其输出至P0口用液晶显示器进行波形显示。同时，根据测振法的原理，经一系列换算，得到脉搏的舒张压、收缩压和平均压[4]，显示在显示器上。

2.2 无创脉搏血氧检测模块

该模块采用光电容积法测量脉搏，整个模块的工作原理可见相关文献[5]。模块由光电传感器，红光及红外光发射接收时序控制电路，前置放大电路，同、反相放大电路，红光及红外光分离电路，高低通滤波电路等构成，略去自动增益控制电路。同步信号cp由定时器中端触发P24产生（图4），cp经分频、反相后产生Q1、Q2，再经门电路后产生

等触发控制信号，控制红光和红外光发光电路的发光以及整个模块工作。

红光及红外光的发射采用通用的血氧探头。将两个二极管反向并联放置（图5），控制信号经缓冲后驱动两个二极管分时发光。

红光及红外光透过充满毛细血管的手指后，经硅光电池转换成电信号，U3(a)、U3(b)构成对称跨到放大器，再经U3(c)放大（负信号）。U3(d)以及电子开关CD4016构成同、反相放大电路，将检测到的总信号部分反相放大、背景噪声的部分同相放大，再将其低通滤波（R10、C5），使两部分信号中的噪声成分可被充分滤除（正信号），单片机产生的cp信号经分频、组合后提供电子开关CD4016的控制信号，CD4016同时在同步信号的作用下将红光信号和红外光信号分离。分离的红光信号经U6及外围元件构成的低通滤波器滤波后正信号变成负信号，再经U6(a)所构成的反相放大电路（R11～R14为输出静态电压调整之用），使负信号重新变成正信号，送到单片机的P12口，红外光信号同理，最后送至P13口，经数字滤波、血氧计算后，在LCD上显示脉搏波形和血氧数据。

2.3 心电检测模块（图6）

心电采集电路原理图，见图7。电路通过心导联获RA、LA、LL取的心电信号经低噪声前置放大器跟随、叠加、放大后，送至RL导联形成右腿驱动。来自两上肢RA、LA的信号经仪表放大器INA128放大后，经R8、C2构成的低通滤波器滤波，再经U3a、R9、R10、C3构成的反相比例放大器放大，C4C5C6及R11、R12、R13与双运放LM358构成50赫兹的陷波器，进一步滤除心电信号里的工频交流成分[6]。U5(a)及两个光耦4N25构成光电耦合电路，用以模拟提高实际测量模块的安全系数。此时的心电信号仍旧是正负信号，而单片机A/D转换的输入信号需为正信号，因而加一级U5(b)构成的减法电路，减去一个-2.5 V的负信号，将心电信号抬升为正信号，最后将放大的心电信号Vo送至STC12C5A60S2的P16端（A/D转换通道ADC6），经A/D转换、数字滤波后输出至液晶显示器显示。

2.4 体温、呼吸频率测量模块（图 8）

该模块采用负温度系数的金属氧化物-陶瓷热敏电阻MF52作为测量元件，此型电阻体积小、灵敏度高，可达-4.4%/℃。将其放置在鼻孔附近，呼吸时，其温度变化在1℃的量级，利用单片机P2.2口产生的电压作为检测电路的驱动电压，这样电路输出的信号约为驱动电压的2%（0.07 V），而A/D转换器的精度为基准电压的千分之一（约为0.005 V）。

体温检测电路非常简单，由DS18B20集成温度传感器作为体温测量的传感器，DS18B20可以只通过一条数据线与单片机连接，控制命令和返回的检测温度数字值，都可以由该连线传输，其分辨率达到0.0625 ℃，完全可以满足检测精度的要求。这里由单片机的P24口直接读取温度转换的数字值，在LCD上显示体温数据。该电路可以学生学习单片机时的分析对象，并可根据理论分析的结果，自主编程确认。

2.5 主控、LCD显示、键盘、电源模块

主控处理器采用STC12C5A60S2单片机（图8），该机软硬件与经典的MCS-51单片机完全兼容，并且整个程序涵盖了单片机的各个主要功能模块。因而在不增加学生额外负担的情况下，学生可完全理解单片机系统的电路硬件结构、各典型功能模块的控制方式、信号数字处理的基本原理，并可在此基础上修改程序，提升自己的实践水平。

显示模块采用综合液晶TFT8060BS-8，主要显示体温参数、呼吸频率参数、血压参数、心率参数以及心电、血氧光电脉搏波、血压压力波等波形。

TFT8060BS-8是专门针对单片机用户而设计的液晶显示器（带触摸屏），采用8 in、分辨率为800×600的真彩TFT屏，提供一个简单的高速8位总线与单片机连接，显示一个像素只要直接输入X、Y坐标，无须计算地址。

这里显示接口采用并行总线方式，所需的信号仅为：数据总线D[7:0]、地址总线A[1:0]、片选/CS、读/RD、写/ WR等，分别连接到单片机的P07～P00、P26、P25口以及P27、RD、WR等端口，TFT8060BS-8的显示存储器同液晶屏幕上的像素点一一对应，如果希望在液晶屏幕上某一位置显示文字或图形，只需要向存储器内对应区域写入相应的数据即可。这样可以将数据和波形写到相应的地址上。写入数据后X坐标自动加1，写满一行后自动换行，此时只要将波形幅度计算好之后写到相应的Y地址上即可，非常方便。

模拟电路与单片机电源采用变压器变压后得到的正负电压经7805与7905稳压后所得，而气泵与电磁阀所用的电源为开关芯片LM2576及外围少数元件构成的开关电源[7-8]。键盘电路由分压电阻R8～R13及开关K1～K5组成，按下不同的开关，就在R8和R9之间达产生不同的电压，送至单片机的P17脚经A/D转换后即可确定是哪个开关被按下。该电路简单有效。

3 仪器的基本使用及拓展使用

（1）FS-2010A医用电子仪器综合示教仪整合了医疗器械专业的电工、电子、传感器、单片机及医用电子仪器所需的基础知识，集成了各门课程所需的基本模块，为学生知识的应用、实践能力的提升、技能的拓展提供了一个良好的平台。

（2）该仪器在教学过程中，不单单是被动使用的过程，也是一个再生产、再制作的过程。在电子线路设计制作、医用电子仪器装配工艺课程以及实训阶段，学生可以分组任选其中的一个模块，在之前完全掌握其基本原理的条件下，进行调整改进，按照电路图自己画PCB板，自己选购合适的元器件，焊接组装调试仪器，将其整合到整台机器中。学生在使用本示教仪过程中，通过焊接、组装、调试等反复试验，最终达到能够快速准确的辨认常规电子器件，熟悉各类常规器件的主要参数； 学会器件的选型要点，掌握焊接要点并能熟练焊接，掌握常规测试设备的使用方法；熟悉典型电路的原理，形成对设计、制造一款医疗仪器的初步认识，还可根据相关标准严格操作，写出工艺文件和装配测试标准，极大地拓展学生的能力和仪器的使用范畴。对于制作有问题的电路板，可以用来进行测试、维修、调整，为日后的医疗器械测试、维修能力打下牢固基础。

（3）该仪器可为医疗器械行业的社会培训提供强大的支持。目前，医疗器械行业的产业规模急剧扩大，而从业人员的素质水平相对较低，急需得到相关的专业培训，因而该仪器可为医疗器械从业人员的专业培训和进修提供坚实的实践平台。

4 结束语

本文介绍了一种综合性的医疗电子仪器示教仪，创新性地采用了模块化、开放式的设计。电路所有的模块以及模块上的关键元器件，都可拆装、测量。可以任意设置故障点可供学生排查，同时仪器本身又是一个可再生产、再制作的平台，学生可在现有基础上根据原理图复制电路图、画PCB板、焊接、组装、调试检修仪器，还可以不断完善各项功能，设计出更好的实践方案。

[1] 黄澍涛.医用监护仪的临床应用与发展特点[J].中国医疗设备, 2011,26(2):59-61.

[2] 王保华.生物医学测量与仪器[M].上海.复旦大学出版社, 2003:95-97.

[3] 赛尔吉欧·弗朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安:西安交通大学出版社,2004.

[4] 余学飞.现代医学电子仪器原理与设计[M].广州:华南理工大学出版社,2007:176-177.

[5] 冯奇.基于MSP430超低功耗处理器的监护仪脉搏血氧模块[D].成都:电子科技大学,2006.

[6] 孙肖子.电子设计指南[M].北京:高等教育出版社,2006.

[7] 王明顺.基于LM2576的高可靠 MCU电源设计[J].国外电子元器件,2004,(11):12-14.

[8] 边明奎.基于新型模块化集成开关稳压电源的设计与实现[J].大众科技,2009,(8):128-129.

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

作者邮箱：fengq@mail.zjpc.net.cn