馮奇，毛偉，徐茂 ，史英

1.浙江醫(yī)藥高等專科學(xué)校 醫(yī)療器械與制藥設(shè)備系，浙江 寧波 315100；

2.浙江省醫(yī)療器械研究所，浙江 杭州310006

完全開放式的醫(yī)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(yī)藥高等?？茖W(xué)校 醫(yī)療器械與制藥設(shè)備系，浙江 寧波 315100；

2.浙江省醫(yī)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(yī)療電子儀器示教儀。該示教儀采用模塊化設(shè)計(jì)，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(shù)字電路設(shè)計(jì)以及最基本的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集、控制、分析軟件。電路所有的模塊，以及模塊上的關(guān)鍵元器件，均可拆裝、測(cè)量；可以任意設(shè)置故障點(diǎn)供學(xué)生排查。因而，綜合示教儀是一個(gè)可再生產(chǎn)、再制作的平臺(tái)，大大拓展了我們使用儀器的思路。

醫(yī)用電子儀器；示教儀；模塊化設(shè)計(jì)；醫(yī)療電子儀器維護(hù)

0 前言

醫(yī)療電子儀器維護(hù)、維修能力是醫(yī)療器械專業(yè)相關(guān)崗位（生產(chǎn)制造、管理維護(hù)、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(jī)、電子線路設(shè)計(jì)制作、醫(yī)用電子儀器生產(chǎn)管理、醫(yī)用電子儀器維護(hù)維修等課程，貫穿整個(gè)學(xué)習(xí)期間。在校期間，學(xué)生知識(shí)的鞏固、能力的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)無(wú)疑是其中最重要的手段。而傳統(tǒng)的做法往往是將相關(guān)的核心知識(shí)和能力進(jìn)行分割，隸屬于不同的課程和實(shí)驗(yàn)，在不同的實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)。盡管有利于學(xué)生較為全面的掌握知識(shí)以及日常的教學(xué)管理，但不利于學(xué)生知識(shí)和能力的綜合形成以致舉一反三、融會(huì)貫通。因此，希望有一個(gè)良好的載體和依托，既能夠滿足上述課程的實(shí)驗(yàn)需求，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)學(xué)生觀察、測(cè)量、分析、提出方案并動(dòng)手實(shí)施這樣的核心能力的培養(yǎng)，循序漸進(jìn)，在頂崗實(shí)習(xí)之前做好充分的準(zhǔn)備，與崗位實(shí)際進(jìn)行近距離對(duì)接?；诖耍覀?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)了醫(yī)用電子儀器綜合示教儀，并在此基礎(chǔ)上提出了基于該儀器的醫(yī)療器械相關(guān)專業(yè)課程群的總體建設(shè)理念（有論文另發(fā)）。在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中取得了良好的效果。

1 設(shè)計(jì)思想

儀器在開發(fā)、設(shè)計(jì)時(shí)充分體現(xiàn)“工學(xué)結(jié)合”思想，著重于學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際以及動(dòng)手能力的培養(yǎng)。整機(jī)具有類似監(jiān)護(hù)儀[1]各模塊的實(shí)際測(cè)量功能，同時(shí)具有全面展現(xiàn)各測(cè)量模塊的原理、電子元件及電路的教學(xué)功能。因而該儀器不以性能指標(biāo)、精度、醫(yī)療可用性等為設(shè)計(jì)制作的目標(biāo)，而是主要凸顯為教學(xué)實(shí)踐服務(wù)，以集成典型的傳感器典型的模擬、數(shù)字電路以及典型的單片機(jī)系統(tǒng)和測(cè)量方法為主要特色，兼顧學(xué)生對(duì)實(shí)用醫(yī)療電子儀器系統(tǒng)硬、軟件組成的理解、檢測(cè)、分析能力的培養(yǎng)。

儀器集典型人體生理參數(shù)測(cè)試電路于一體，其面板采用原理圖式、模塊化布局設(shè)計(jì)。整機(jī)包括箱式外殼、電源、心電、血壓、血氧、主控、人機(jī)界面等。每個(gè)模塊的電路板均獨(dú)立且可拆卸，并可在綜合實(shí)訓(xùn)階段由學(xué)生根據(jù)原理圖繪制PCB板，自購(gòu)元器件進(jìn)行焊接、測(cè)量、調(diào)試、裝配，以提高學(xué)生生產(chǎn)、維護(hù)綜合實(shí)踐能力。實(shí)驗(yàn)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(hào)的處理和信號(hào)的流向清晰、直觀地標(biāo)于面板上。同時(shí)面板上有固定元器件的插管，可插入相應(yīng)元器件，還能在關(guān)鍵部位預(yù)設(shè)多種故障點(diǎn)和測(cè)試點(diǎn)，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(shù)、波形變化，從而對(duì)故障原因進(jìn)行判斷并提出相關(guān)處理方案。儀器的總體結(jié)構(gòu)，見圖1。

2 儀器的組成

2.1 血壓測(cè)量模塊

該模塊采用袖帶式測(cè)振法測(cè)量血壓參數(shù)[2]、即利用壓力傳感器獲取血壓信號(hào)，經(jīng)放大、濾波后，再動(dòng)態(tài)、靜態(tài)脈壓分離，經(jīng)動(dòng)態(tài)脈壓觸發(fā)電路向單片機(jī)輸出靜態(tài)、動(dòng)態(tài)脈壓信號(hào)及動(dòng)態(tài)脈壓觸發(fā)信號(hào)，并在LCD上顯示血壓參數(shù)及波形。血壓測(cè)量模塊原理圖，見圖2。

單片機(jī)的P34引腳輸出一個(gè)正信號(hào)，經(jīng)放大后T2導(dǎo)通，即型號(hào)為L(zhǎng)Y031APM的微型直流氣泵工作，向袖帶充氣，達(dá)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(shí)間<9 s，空載流量>0.7 LPM，最大壓力>400 mmHg）。然后P35腳輸出一個(gè)正脈沖使得電磁閥開啟放氣，壓力檢測(cè)電路檢測(cè)由此導(dǎo)致的壓力變化。檢測(cè)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(fā)電路等構(gòu)成（圖3）。

袖帶壓力由廉價(jià)的MPS-2100型氣體壓力傳感器檢測(cè)，其內(nèi)部實(shí)際敏感元件實(shí)為構(gòu)成橋接的4個(gè)電阻（圖3 虛線框內(nèi)R3～R6）。電源及電阻R1、R2、R9及運(yùn)放TL064的U1(a)構(gòu)成一典型的恒流電路，為其提供了穩(wěn)定的電流，R3用來(lái)調(diào)零。而U1(b)～U1(d)及附屬電阻構(gòu)成典型的儀用測(cè)量放大電路[3]，將傳感器檢測(cè)到的微小電壓放大，該信號(hào)再經(jīng)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(hào)，包含靜態(tài)氣壓以及由于脈搏搏動(dòng)導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)值。該信號(hào)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(jī)的P12口，由軟件分析其中的直流成分即靜態(tài)脈壓。因?yàn)樵撔盘?hào)中脈動(dòng)部分較小，直接分析會(huì)帶來(lái)較大的誤差，因而利用C4、R24構(gòu)成的高通濾波器提取其中的高頻率的脈動(dòng)成分，由U3(b)跟隨后送至U4(a)。由于該信號(hào)是交流成分，包含正負(fù)電壓，而單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器只能對(duì)正信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以不但要將其進(jìn)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(shí)將一個(gè)正信號(hào)（由電阻分壓而得）同相放大（電壓＞脈動(dòng)信號(hào)的最大值），再相減，這樣就將原袖帶氣壓的脈動(dòng)成分充分放大，滿足分析的精度需求。U4(b)接成最簡(jiǎn)單的過(guò)“零”比較器，比較信號(hào)觸發(fā)單片機(jī)中斷，進(jìn)行相關(guān)的中斷處理。

最后由單片機(jī)將模擬端口接收到的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將其輸出至P0口用液晶顯示器進(jìn)行波形顯示。同時(shí)，根據(jù)測(cè)振法的原理，經(jīng)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(wú)創(chuàng)脈搏血氧檢測(cè)模塊

該模塊采用光電容積法測(cè)量脈搏，整個(gè)模塊的工作原理可見相關(guān)文獻(xiàn)[5]。模塊由光電傳感器，紅光及紅外光發(fā)射接收時(shí)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(gòu)成，略去自動(dòng)增益控制電路。同步信號(hào)cp由定時(shí)器中端觸發(fā)P24產(chǎn)生（圖4），cp經(jīng)分頻、反相后產(chǎn)生Q1、Q2，再經(jīng)門電路后產(chǎn)生

等觸發(fā)控制信號(hào)，控制紅光和紅外光發(fā)光電路的發(fā)光以及整個(gè)模塊工作。

紅光及紅外光的發(fā)射采用通用的血氧探頭。將兩個(gè)二極管反向并聯(lián)放置（圖5），控制信號(hào)經(jīng)緩沖后驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二極管分時(shí)發(fā)光。

紅光及紅外光透過(guò)充滿毛細(xì)血管的手指后，經(jīng)硅光電池轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，U3(a)、U3(b)構(gòu)成對(duì)稱跨到放大器，再經(jīng)U3(c)放大（負(fù)信號(hào)）。U3(d)以及電子開關(guān)CD4016構(gòu)成同、反相放大電路，將檢測(cè)到的總信號(hào)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(hào)中的噪聲成分可被充分濾除（正信號(hào)），單片機(jī)產(chǎn)生的cp信號(hào)經(jīng)分頻、組合后提供電子開關(guān)CD4016的控制信號(hào)，CD4016同時(shí)在同步信號(hào)的作用下將紅光信號(hào)和紅外光信號(hào)分離。分離的紅光信號(hào)經(jīng)U6及外圍元件構(gòu)成的低通濾波器濾波后正信號(hào)變成負(fù)信號(hào)，再經(jīng)U6(a)所構(gòu)成的反相放大電路（R11～R14為輸出靜態(tài)電壓調(diào)整之用），使負(fù)信號(hào)重新變成正信號(hào)，送到單片機(jī)的P12口，紅外光信號(hào)同理，最后送至P13口，經(jīng)數(shù)字濾波、血氧計(jì)算后，在LCD上顯示脈搏波形和血氧數(shù)據(jù)。

2.3 心電檢測(cè)模塊（圖6）

心電采集電路原理圖，見圖7。電路通過(guò)心導(dǎo)聯(lián)獲RA、LA、LL取的心電信號(hào)經(jīng)低噪聲前置放大器跟隨、疊加、放大后，送至RL導(dǎo)聯(lián)形成右腿驅(qū)動(dòng)。來(lái)自兩上肢RA、LA的信號(hào)經(jīng)儀表放大器INA128放大后，經(jīng)R8、C2構(gòu)成的低通濾波器濾波，再經(jīng)U3a、R9、R10、C3構(gòu)成的反相比例放大器放大，C4C5C6及R11、R12、R13與雙運(yùn)放LM358構(gòu)成50赫茲的陷波器，進(jìn)一步濾除心電信號(hào)里的工頻交流成分[6]。U5(a)及兩個(gè)光耦4N25構(gòu)成光電耦合電路，用以模擬提高實(shí)際測(cè)量模塊的安全系數(shù)。此時(shí)的心電信號(hào)仍舊是正負(fù)信號(hào)，而單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)需為正信號(hào)，因而加一級(jí)U5(b)構(gòu)成的減法電路，減去一個(gè)-2.5 V的負(fù)信號(hào)，將心電信號(hào)抬升為正信號(hào)，最后將放大的心電信號(hào)Vo送至STC12C5A60S2的P16端（A/D轉(zhuǎn)換通道ADC6），經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波后輸出至液晶顯示器顯示。

2.4 體溫、呼吸頻率測(cè)量模塊（圖 8）

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

體溫檢測(cè)電路非常簡(jiǎn)單，由DS18B20集成溫度傳感器作為體溫測(cè)量的傳感器，DS18B20可以只通過(guò)一條數(shù)據(jù)線與單片機(jī)連接，控制命令和返回的檢測(cè)溫度數(shù)字值，都可以由該連線傳輸，其分辨率達(dá)到0.0625 ℃，完全可以滿足檢測(cè)精度的要求。這里由單片機(jī)的P24口直接讀取溫度轉(zhuǎn)換的數(shù)字值，在LCD上顯示體溫?cái)?shù)據(jù)。該電路可以學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)時(shí)的分析對(duì)象，并可根據(jù)理論分析的結(jié)果，自主編程確認(rèn)。

2.5 主控、LCD顯示、鍵盤、電源模塊

主控處理器采用STC12C5A60S2單片機(jī)（圖8），該機(jī)軟硬件與經(jīng)典的MCS-51單片機(jī)完全兼容，并且整個(gè)程序涵蓋了單片機(jī)的各個(gè)主要功能模塊。因而在不增加學(xué)生額外負(fù)擔(dān)的情況下，學(xué)生可完全理解單片機(jī)系統(tǒng)的電路硬件結(jié)構(gòu)、各典型功能模塊的控制方式、信號(hào)數(shù)字處理的基本原理，并可在此基礎(chǔ)上修改程序，提升自己的實(shí)踐水平。

顯示模塊采用綜合液晶TFT8060BS-8，主要顯示體溫參數(shù)、呼吸頻率參數(shù)、血壓參數(shù)、心率參數(shù)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(duì)單片機(jī)用戶而設(shè)計(jì)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(gè)簡(jiǎn)單的高速8位總線與單片機(jī)連接，顯示一個(gè)像素只要直接輸入X、Y坐標(biāo)，無(wú)須計(jì)算地址。

這里顯示接口采用并行總線方式，所需的信號(hào)僅為：數(shù)據(jù)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(jī)的P07～P00、P26、P25口以及P27、RD、WR等端口，TFT8060BS-8的顯示存儲(chǔ)器同液晶屏幕上的像素點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，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(chǔ)器內(nèi)對(duì)應(yīng)區(qū)域?qū)懭胂鄳?yīng)的數(shù)據(jù)即可。這樣可以將數(shù)據(jù)和波形寫到相應(yīng)的地址上。寫入數(shù)據(jù)后X坐標(biāo)自動(dòng)加1，寫滿一行后自動(dòng)換行，此時(shí)只要將波形幅度計(jì)算好之后寫到相應(yīng)的Y地址上即可，非常方便。

模擬電路與單片機(jī)電源采用變壓器變壓后得到的正負(fù)電壓經(jīng)7805與7905穩(wěn)壓后所得，而氣泵與電磁閥所用的電源為開關(guān)芯片LM2576及外圍少數(shù)元件構(gòu)成的開關(guān)電源[7-8]。鍵盤電路由分壓電阻R8～R13及開關(guān)K1～K5組成，按下不同的開關(guān)，就在R8和R9之間達(dá)產(chǎn)生不同的電壓，送至單片機(jī)的P17腳經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后即可確定是哪個(gè)開關(guān)被按下。該電路簡(jiǎn)單有效。

3 儀器的基本使用及拓展使用

（1）FS-2010A醫(yī)用電子儀器綜合示教儀整合了醫(yī)療器械專業(yè)的電工、電子、傳感器、單片機(jī)及醫(yī)用電子儀器所需的基礎(chǔ)知識(shí)，集成了各門課程所需的基本模塊，為學(xué)生知識(shí)的應(yīng)用、實(shí)踐能力的提升、技能的拓展提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。

（2）該儀器在教學(xué)過(guò)程中，不單單是被動(dòng)使用的過(guò)程，也是一個(gè)再生產(chǎn)、再制作的過(guò)程。在電子線路設(shè)計(jì)制作、醫(yī)用電子儀器裝配工藝課程以及實(shí)訓(xùn)階段，學(xué)生可以分組任選其中的一個(gè)模塊，在之前完全掌握其基本原理的條件下，進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)，按照電路圖自己畫PCB板，自己選購(gòu)合適的元器件，焊接組裝調(diào)試儀器，將其整合到整臺(tái)機(jī)器中。學(xué)生在使用本示教儀過(guò)程中，通過(guò)焊接、組裝、調(diào)試等反復(fù)試驗(yàn)，最終達(dá)到能夠快速準(zhǔn)確的辨認(rèn)常規(guī)電子器件，熟悉各類常規(guī)器件的主要參數(shù)； 學(xué)會(huì)器件的選型要點(diǎn)，掌握焊接要點(diǎn)并能熟練焊接，掌握常規(guī)測(cè)試設(shè)備的使用方法；熟悉典型電路的原理，形成對(duì)設(shè)計(jì)、制造一款醫(yī)療儀器的初步認(rèn)識(shí)，還可根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格操作，寫出工藝文件和裝配測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，極大地拓展學(xué)生的能力和儀器的使用范疇。對(duì)于制作有問(wèn)題的電路板，可以用來(lái)進(jìn)行測(cè)試、維修、調(diào)整，為日后的醫(yī)療器械測(cè)試、維修能力打下牢固基礎(chǔ)。

（3）該儀器可為醫(yī)療器械行業(yè)的社會(huì)培訓(xùn)提供強(qiáng)大的支持。目前，醫(yī)療器械行業(yè)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模急劇擴(kuò)大，而從業(yè)人員的素質(zhì)水平相對(duì)較低，急需得到相關(guān)的專業(yè)培訓(xùn)，因而該儀器可為醫(yī)療器械從業(yè)人員的專業(yè)培訓(xùn)和進(jìn)修提供堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐平臺(tái)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種綜合性的醫(yī)療電子儀器示教儀，創(chuàng)新性地采用了模塊化、開放式的設(shè)計(jì)。電路所有的模塊以及模塊上的關(guān)鍵元器件，都可拆裝、測(cè)量?？梢匀我庠O(shè)置故障點(diǎn)可供學(xué)生排查，同時(shí)儀器本身又是一個(gè)可再生產(chǎn)、再制作的平臺(tái)，學(xué)生可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上根據(jù)原理圖復(fù)制電路圖、畫PCB板、焊接、組裝、調(diào)試檢修儀器，還可以不斷完善各項(xiàng)功能，設(shè)計(jì)出更好的實(shí)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