CN101803914A - 用于心电图检测和尿液分析的一体化体检仪器 - Google Patents
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Abstract
用于心电图检测和尿液分析的一体化体检仪器，本发明涉及心电图检测和尿液分析的医疗器械，旨在使两种常规仪器通过硬件复用实现一体化，尤其是微型热敏打印机胶辊依靠摩擦连接驱动试纸托板运动机构，使光电传感器逐次对准尿液分析项目试纸色块，主线路板上有心电信号模拟放大器，其6路心电信号直接接向主微处理器模拟信号输入端A0-A5，另两路心电信号经模拟开关(103)选通接向主微处理器复用信号输入端A6，A7，光电传感器线路板(0)上装有红、绿、蓝三色LED发光管(10)和光敏电池(13)，光敏电池发生的与试纸色块颜色变化相关的光电动势通过模拟开关选通也进入复用通道A6，A7，模拟开关的选通由试纸托板被插到极端位置时、红外光电开关元件(17)发出的光电感知信号所控制。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械领域，特别涉及心电图和尿液分析的临床医学检测设备，旨在为基层医疗保健提供一种多功能数字化检测设备。
技术背景
在基层医疗保健中，具有智能化分析软件并打印图文报告的同步12道心电图检测技术是现代临床医学推崇的新型心电图检测模式，它能将心肌每次搏动的心脏动力学和神经电生理传导状况从多相观测角度同期表达，克服了常规心电图检测中只用一级信号放大通道，各导联信号分别串行处理，对不同心肌部位的观测不能在同一次心肌搏动中进行的弊病，具有明显诊断优势；尿液是人体最易无创获取的体液之一，检测其多项生化及物理性征具有明显的病、生理意义，特别是多项指标集合检测的多项尿液分析仪，是近年来备受推崇的临床医学检测仪器，该检测技术多用酶标法制成特定分析项目的试纸色块，由浸尿液后的颜色反应评判分析项目的病生理指标，成为临床医学各科广泛使用的检测项目。迄今，以上两种医学仪器因其售价较高，尚未在基层医疗部门普及，更难得在家庭自我保健中配备。
以上两种医学仪器在构成原理上有雷同之处。它们都是从各自的传感器采集电信号(心电图机是用体表电极采集特定部位的心电电位，尿液分析仪是以光电传感器采集试纸色块按不同波长光波的反射能力在光敏电池上生成的电动势)，经微处理器进行数据处理，驱动打印机做出报告。两者除传感器部分以外，其它硬件部分完全可以复用。这就为以降低设备成本、实现一机多用、简化操作为目的的技术创新提供可行性，为其进入基层医疗部门乃至家庭用作自我保健提供市场选择。迄今，尚未见带有同步心电图检测和多项尿液分析功能合一的医疗器械产品问世。
本发明的目的在于：提出一种可充分利用硬件资源、以较低成本为基层医疗部门乃至家庭用户提供符合临床医学检测规格的新型医疗器械，实现心电图检测和尿液分析一体化，满足现代医疗保健的巨大需求。
发明内容
本发明的原理框图如图1所示。图中，106框为本仪器的核心部件，它表示由带有完全集成的混合信号系统级微处理器的片上系统，可对多通道电生理放大器实施同步采样和信号处理。检测同步12导联心电图需要8个来自导联系统的模拟信号通道，如图1中101框所示；分析尿液检测试纸色块颜色反应可按红、绿、蓝三种波长分时进行，只需一个模拟信号通道即可，考虑到本发明的特性(具体理由下文详述)，可使用2个模拟信号通道，如图1中102框所示。两种检测过程的切换，由103框所示的模拟开关完成，模拟开关的控制信号来自操作者将尿液检测试纸托板送进仪器外壳的试纸托板输入口所发生的光电感知信号。图1中，105框表示的微型热敏打印机部件，不仅可按常规心电图机和多项尿液分析仪的通行格式打印图文报告，其打印胶辊还在进行尿液分析时驱动104框所示的试纸托板运动机构，成为本发明的重要特征。
本发明的硬件在结构上分为四部分，即机体部分、电气部件、打印机部分和试纸托板运动机构及光电传感器部分。
1.机体部分
本发明的机体采用一个近似平长方体的塑料外壳，由上盖和下底两部分紧固联接，其上表面有一个为打印机填加纸卷的纸仓翻盖和出纸口，形同市售微型打印机。在上表面有两个操作按键和一个双色LED指示灯，按键功能与市售微型打印机相同，双色LED指示灯除作为电源开关、纸仓缺纸指示外，在检测心电图时还作为导联脱落指示(任一导联连接不当都会使指示灯由绿变黄)，其侧面有电源开关及电池充电插口。仪器的输入机构，对于心电检测设有国际通用12导联系统电缆插座，对于尿液分析设有尿样试纸托板送进窗口。仪器外壳应设计得简洁轻巧。
2.电气部件
本发明的绝大部分电气部件(包括8通道心电信号模拟放大器、双刀2位模拟开关、以C8051F021微处理器为核心的数字电路及微型打印机驱动电路)安装在一块主线路板上。主线路板背面朝上，其中间有一个可容下装进4节AA尺寸镍氢充电电池盒的无元件和焊点的空间，以便放置电池盒，为整机供电。主线路板安装所有心电图检测所需电路，6路心电信号直接接向主微处理器模拟信号输入端A0，A1…A6，另两路心电信号经模拟开关接向主微处理器复用模拟信号输入端A6，A7。主线路板还竖直安装3个带内螺纹的螺柱，用以将打印机头在线路板和电池盒上方固定，以使整机结构紧凑。用于尿液分析的光电传感电路板及与之相关的试纸托板驱动机构安装在打印机头上。光电传感电路是由微处理器分时选通红、绿、蓝发光二极管，使光敏电池分别接收尿样试纸在特定检测项目色块上的反射光，经放大后通过模拟开关进入微处理器复用模拟信号输入端A6，A7，来判断颜色变化。
3.打印机部分
本发明的打印机部分，工作原理与市售微型热敏打印机相同，其主体是一个带有步进电机驱动电缆、记录纸检测电缆、打点驱动电缆的EPSON AM-100打印头。在主线路板上安装了一个从微处理器(AT89S52)，接受主微处理器(C8051F021)命令，构成打印驱动电路。其间的通讯连接都在主线路板上实现，打印机头与外壳内设置的纸仓相接，使打印部件结构紧凑，故障率低。打印部件在心电图检测和尿液分析两种工作模式下都可完成打印报告，体现了本发明硬件复用的特征。尤其在尿液分析工作模式下，本发明还独创利用打印机纸带胶辊的动力驱动试纸托板运动机构，更加充分利用硬件资源，使整机的构成简化，显著降低成本，达到本发明的目的。在公知技术中，尿液分析仪的试纸拖动机构都由单独的步进电机及驱动电路构成，是常规尿液分析仪中的主要部件，其功耗超过整机1/2，其成本约占整机成本1/3。可见，本发明利用打印机驱动试纸托板运动机构的设计思想具有明显技术优势和新颖性。
4.试纸托板运动机构及光电传感器
本发明采用的试纸托板运动机构安装在热敏打印机头的外侧铁框上，其结构如图2所示。图2为试纸托板运动机构装配爆炸图，图中箭头表示将各零件恢复到正常装配位置的方向。这一机构的功能在于，人工送入试纸托板时，试纸托板与打印机纸带轴辊脱离接触，直至送到规定的终端位置，此时，装在遮光罩1内的光电传感器对准首个试纸色块，由于托板2上的槽口A推动了滑块7上的凸台A’致滑块前移，使试纸托板与纸带轴辊形成摩擦连接。当对一个试纸色块检测完毕并得出结果付诸打印时，依靠摩擦连接，同时驱动试纸托板退出到光电传感器对准另一尿液分析项目试纸色块，在逐次重复以上过程中，试纸托板被逐步退出，直到分析完毕。其具体工作原理如下：打印机主夹板6通过螺钉5、带内螺纹的连接螺柱4及主夹板上的外侧凸台和打印机头侧面铁框上的挖空槽的适形定位，牢固固定在打印机头侧面。主夹板另一个实体轴测图如图4所示，该图主要表达在其前方(图中左侧)有一个为插入试纸托板导向的喇叭口结构r，r处的箭头表示试纸托板插入的路径和方向，u表示主夹板中存在一个可装入滑块7并可在其中按试纸托板插入方向使之滑动的空间，t表示主夹板上的一个铰链轴承，v表示主夹板紧固螺钉5的安装孔。另一个铰链轴承见图6所示的t″，图6为图2中挡板8的翻转视图，其中，两个豁口s’与主夹板上的两个凸出圆柱s形成装配定位付，孔v’与孔v及连接螺柱5处在同轴线上，另一个螺钉通过它将主夹板6和挡板8连结为一体。在连接主夹板和挡板之前，应将吊桥3装入，吊桥3的另一个视角轴测图如图5所示，图中两个轴尖t’与主夹板上铰链轴承t、挡板上铰链轴承t″构成铰链连接，使吊桥3得以在主夹板和挡板中受约束转动(自由端抬起)，吊桥的底面有两个凹坑w。从图2的装配体示意图可见，滑块7的水平内表面有两个馒头状凸台，图3a)所示的装配关系保证在试纸托板沿p所指方向送进，试纸托板槽口A尚未与滑块凸台A’接触时，馒头状凸台恰隐藏在图5所示凹坑w内，吊桥3得以保持水平状态，不存在试纸托板与橡胶滚轮9的摩擦连接。橡胶滚轮9是紧固安装在打印机头纸带轴辊一端的一个零件，以铜材为基体，外缘热压硬度适中的优质人造橡胶。图3b)所示，当试纸托板被送到极端位置时，由于滑块前移，其馒头状凸台移出吊桥底面凹坑w，致吊桥3的自由端在铰链连接的约束下抬起(其姿态由0°变为约2°)，形成橡胶滚轮9与纸带拖板的摩擦连接，图2和图3中，试纸托板2上标出了乱点填充的阴影部分，示意工程塑料注塑成型的试纸托板，其注塑模具在阴影所在处进行了喷沙处理，以加大摩擦系数。当打印某项分析结果时，试纸托板随之沿q所示方向被推出相应距离，该距离确保试纸条上另一个分析项目的试纸色块对准光电传感器，以进行下一项分析。图3中还示意画出安装在光电传感器印刷线路板0上的红外光电开关元件17，前文提及试纸托板输入口所发生的光电感知信号，由此产生。由图3可见，该光电感知信号只当试纸托板被插到极端位置，且吊桥已被抬起的状态下才会发生。
本发明的光电传感器如图7所示。精确定位安装在试纸托板运动机构主夹板上的光电传感器印刷线路板0上安装一个(或两个，以下说明原因)遮光罩1，其两个定位凸台x保证位置精度。在遮光罩内部，一个光敏电池13被具45°斜面的垫块12支撑，并靠光敏电池4根引线11和14定位和焊接固定在印刷线路板上。图中，10为三色LED表面贴封元件，可在微处理器相应指令下由光电传感器线路板上的相应电路驱动，分时发出红、绿、蓝光，遮光罩的结构保证这些光束不进入光敏电池所在空间，只照射在其上方所对的特定尿检试纸色块上，可标定试纸色块颜色的相应波长反射光经遮光罩上方的缝隙被光敏电池吸收，其光电动势经光电传感器线路板上的放大器送回微处理器模拟信号输入端，从而完成颜色标定。
本发明的软件框图如图8所示。开机后先在801框中进行两个微处理器的初始化。对主处理器，确定采样率、输入输出口线定义、内部和外加存贮器设置；对从处理器，设置管理打印机的驱动条件，确保打印行距为3.75mm，以便每打印两行文字时走纸7.5mm，同时拖动试纸托板后退7.5mm，迎合现行大多数尿液分析试纸的规格。前述本发明可使用一个或两个模拟通道，其原因如下：当使用一个模拟通道时，光电传感器也设置一个，检测时，一个项目接一个项目地进行，因打印一个项目分析结果只需报告一行文字，就必须每打印一个项目分析结果后再打印一个空行，才使托板退到使光电传感器对准下一个色块(现行多项尿检试纸色块规格为5x5mm，间距2.5mm)，这种方案节省硬件(只需一套光电传感器部件)，但加长检测分析时间，还浪费打印纸带；本发明的实施例采用了设置两个模拟通道的方案，在相隔6个色块的距离上，设置两套光电传感器，几乎同时采集两项颜色信息，分别处理，在每个试纸托板静止位置上进行两个项目的检测分析，报告两项分析结果(占两行)，打印后，两个光电传感器对准下两色块，使检测效率提高，节省打印纸带。为消除两个传感器间的不一致性，需要将第7项色块也做成与第1色块相同的无试剂白色色块，使前后两组检测项目分别消除尿液颜色对色块颜色反应的影响。微处理器初始化后，主处理器在20秒内监视有无尿液分析试纸托板插入的光电感知信号(判断框802)。设置该时窗的理由在于，一方面，开机后容许操作人有足够的时间把试纸条放进试纸托板并将其插入到限定位置，另一方面，为检测心电图提供基线稳定的时间。如本发明原理框图图1所示，光电感知信号还做为模拟开关的控制端，切换主微处理器模拟信号输入口的指向，并确定程序分支(执行心电图检测程序或执行尿液分析程序)。图8中，黑框部分表示心电图检测的程序通道，白框部分表示尿液分析程序通道。在开机20秒时段内，若始终未检测到光电感知信号，程序自动进入心电图分支(808，809)。本发明检测记录心电图的处理程序为公知技术，不做赘述。在开机后20秒时段内，任何时候一俟检测到光电感知信号，程序即进入尿液分析分支(803，804…)。
本发明的颜色标定原理如下：对于白色无试剂色块，其对红、绿、蓝三光束反射光强均设为255(以16进制表示为ffh，或2进制表示为11111111b的8位2进制数)，则其颜色最大变化范围(从白色到黑色，亦即反射光强从255到0)可有2553，即约一千六百万种颜色级别，已足够分辨尿液的酶标反应程度。光电传感信号放大器静态工作点调整到白色色块反射光生成的光电动势采样后尽量接近满程数字量。本发明采用带有12位A/D转换模数转换器的微处理器，并对每个色块连续采样16次，累加后成为具14位有效位的数据，取其有效高8位，理应具有足够精度。程序框图中，在尿检分支的803和804框中，首先以白色色块的三束光A/D转换累加值做为本底数据被存贮，用以消除尿液颜色及杂散光的影响。当采集并累加各检测项目对三束光反射数据后，均进行除法运算，被除数为各项目的检测数据，除数为本底数据。取其商的有效高8位数据，即可分辨出2553种颜色反应之一，且已消除了尿液颜色及杂散光的影响。这些数据处理过程在程序框图尿检分支的805和806框中完成。图8中还有一个“所有项目已完成？”的判断框807，是每当进行一种检测项目时，对特定存贮单元执行加1操作，当选择一路模拟通道方案时，判据为12，当选择另一方案时，判据为6。无论尿液分析或心电图检测完成后，程序都返回初始化框801以下的部分，即既可连续进行尿液分析，又可在20秒后进入心电图检测。如此反复，直至关机。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为试纸托板运动机构装配爆炸图；
图3为试纸托板运动机构工作关系示意图。图3a)表示试纸托板未插入到极端位置时不发生光电感知信号，且胶轮不与托板构成摩擦连接，图3b)表示试纸托板插入到极端位置时发生光电感知信号，且胶轮与托板构成摩擦连接；
图4为试纸托板运动机构中主夹板另一视角立体图；
图5为试纸托板运动机构中吊桥另一视角立体图；
图6为试纸托板运动机构中挡板的翻转视图；
图7为尿液颜色分析光电传感器原理示意图；
图8为主微处理器程序框图。
图9为该体检仪器实施例外观图。
以上各图中的符号意义如下：
0-光电传感器线路板；
1-光电传感器遮光罩；
2-试纸托板；
3-吊桥；
4-紧定螺管；
5-紧定螺钉；
6-主夹板；
7-滑块；
8-挡板；
9-橡胶轮；
10-红、绿、蓝三色LED表面贴封元件；
11-光敏电池引线；
12-垫块；
13-光敏电池；
14-另一个光敏电池引线；
15-尿检试纸色块；
16-尿检试纸基体；
17-光电开关组件；
A-试纸托板上的槽口；
A’-滑块上的凸台；
p-试纸托板插入方向；
q-试纸托板退出方向；
r-试纸托板导向喇叭口；
s-主夹板上装配定位凸柱；
s’-挡板上装配定位豁口；
t-主夹板上的铰链轴承；
t’-吊桥上铰链轴尖；
t″--挡板上的铰链轴承；
u-主夹板上装入滑块的空间；
v--主夹板紧固螺钉的安装孔；
v’-挡板紧固螺钉的安装孔。
w--吊桥底面的凹坑；
x--遮光罩定位凸台。
实施例
本发明实施例的外形如图9所示，采用了已如上述原理和和所附图的结构。主线路板上安装主、从微处理器8051F021和AT89S52，1兆比特数据存贮器UT611024(用于心电信号处理)，4兆比特只读存贮器(用于打印机汉字库)，高共模抑制比仪表放大器INA2321和运算放大器LM324(用于心电信号放大)，模拟开关(4066)，打印机所需RAM-62C256及其他逻辑控制数字电路芯片，主线路板还设有调节放大器增益和静态工作点的电位器，操作按键，电源开关和充电插口等元器件，除光电传感器部件外，自成系统，易于调试和维修。主线路板面积12.6x9.6cm2。在试纸托板运动机构的主夹板上固定光电传感器线路板(面积2.1x9.6cm2)，其上有两个相距6个试纸色块(45mm)的遮光罩，遮光罩内含三色LED发光管和光敏电池，板上还装有光电信号放大器(LF347)、由双单稳态逻辑电路芯片74HCl23构成的20秒延时电路及可发出光电感知信号的红外光电开关组件TFK53F，并由扁平电缆与主线路板实现电气连接。主线路板、装进4节容量2Ah镍氢可充电电池的电池盒、打印机头、托板运动机构及光电传感器线路板组合后构成整机机芯，固定安装在塑料外壳内。该一体化体检仪器完全由电池供电，机内无大功耗发热元件，且便于携带，可随时进行心电图检测和总共11项尿液分析，检测结果达到对两种常规医疗仪器通行要求的各项指标。由于着重硬件资源的充分利用，在安全、有效的前提下，达到本发明的目的。
Claims (2)
1.一种具备同步十二导联心电图常规检测和多项尿液分析功能的一体化临床检测仪器，由机体、电气部件、微型热敏打印机、试纸托板运动机构及光电传感器部分构成，其特征在于，使两种常规仪器实现大部分硬件复用，尤其是微型热敏打印机部件，不仅可按常规心电图机和多项尿液分析仪的通行格式打印图文报告，其打印胶辊还在进行尿液分析、分别打印各项报告时驱动安装在热敏打印机头外侧铁框上的试纸托板运动机构，当人工插入试纸托板(2)到达规定的终端位置前，试纸托板与安装在打印机纸带轴辊上的橡胶轮(9)脱离接触，到达规定的终端位置时，装在遮光罩(1)内的光电传感器对准首个试纸色块(15)，并由托板上的槽口(A)推动滑块(7)上的凸台(A’)，致滑块前移，试纸托板与纸带轴辊形成摩擦连接，当对一个试纸色块检测完毕、得出结果付诸打印时，依靠摩擦连接，驱动试纸托板使光电传感器逐次对准尿液分析项目试纸色块。
2.根据权利要求1所述的体检仪器，其特征在于，8通道心电信号模拟放大器、以主微处理器C8051F023为核心的数据处理电路、以AT89C52为从处理器的微型打印机驱动电路安装在一块主线路板上，6路心电信号直接接向主微处理器模拟信号输入端A0-A5，另两路心电信号经模拟开关(103)选通接向主微处理器复用模拟信号输入端A6，A7，主线路板与安装在试纸托板运动机构主夹板(6)上的光电传感器线路板(0)实现电气连接，后者在遮光罩内装有红、绿、蓝三色LED发光管(10)和光敏电池(13)，光敏电池发生的与试纸色块颜色变化相关的光电动势通过模拟开关选通进入主微处理器复用模拟信号通道A6，A7，模拟开关的选通由试纸托板被插到极端位置时、红外光电开关元件(17)发出的光电感知信号所控制。
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