CN104720788A - 一种生命体征监测设备的评估系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生命体征监测设备的评估系统与方法。所述系统包括控制模块，模拟生命体征信号源模块，生命体征信号调整电路模块，显示器模块。应用所述系统对待评估设备进行评估的方法包括：设置所述系统的初始参数；测量系统增益校准参数；对待评估设备进行评估；在显示器上显示评估结果。应用本发明可以为待评估设备提供不同类型的体征信号，实现对待评估设备传递函数、频率响应、带内幅度波动、信噪比和病灶特征信号等多种特性的评估。解决了现有生命体征监测设备在研发过程中采用理论计算建模和模拟仿真无法有效验证模型的有效性问题。
Description
技术领域
本发明属于电子通信领域，涉及一种对生命体征监测设备进行评估的系统与方法。
背景技术
人体生物电信号检测技术和嵌入式应用技术在信息技术应用领域占有重要地位。而生命体征监测设备就是人体生物电信号检测技术的一种典型应用。研制生命体征监测设备，一般需要设计相应的硬件和软件系统。在对信号检测过程中，会由于被测信号具有信号幅度小，以及信号间特征差异性大的诸多特点，无法在硬件制造之前对设计的系统进行有效评估来验证设计结构是否满足设计规范要求，导致产品开发周期延长以及产品调试难度的增大。
目前生命体征监测设备的相关产品在研发过程中多采用理论计算建模和模拟仿真，无法有效验证模型的真实有效性。在实际使用过程中，由于人体生命体征信号的差异性，通过若干人群的测试同样无法完全验证生命体征监测设备功能的完备性和可靠性。若仅依据仿真结果和样本测试的结果就进行生产将可能带来严重后果。
发明内容
本发明提出一种生命体征监测设备的评估系统与方法。所述系统可实现生命体征信号的模拟与调整。利用本发明提供的系统和方法，设计者可以灵活地组建生命体征监测设备的硬件结构并方便地完成软件调试，从而在较短时间内构建生命体征监测设备的应用系统，并对其性能指标进行快速评估。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案。
一种生命体征监测设备的评估系统，包括：控制模块，模拟生命体征信号源模块，生命体征信号调整电路模块及显示器模块。其中，
控制模块：是评估系统的控制核心，用于产生生命体征数字信号及测量频率响应曲线需要的正弦数字信号，提供人机交互接口，输出增益控制信号至可控增益放大器，对生命体征信号进行数字滤波，输出显示评估结果等。控制模块由CPU、存储器、数字滤波器、人机交互按键及各种接口电路组成。存储器用于存储器程序、配置参数及测量结果数据；数字滤波器用于滤除测量信号中的噪声。
模拟生命体征信号源模块：在控制模块作用下为待评估设备提供生命体征信号或正弦信号。包括D/A和可控增益放大器。控制模块输出的生命体征数字信号送至D/A转换为模拟信号，控制模块输出增益控制信号至可控增益放大器的增益控制端，最终得到满足要求的模拟生命体征信号。模拟生命体征信号源模块的输出与生命体征信号调理电路模块的输入或待评估设备的输入相连。
生命体征信号调理电路模块：包括小信号前置放大电路、增益调整电路和A/D。可以灵活设定体征信号关键参数，对模拟生命体征信号源模块或待评估设备输出的生命体征信号进行放大和变换。该模块的输出与控制模块相连。当对该模块进行校准时，该模块输入端与模拟生命体征信号源模块的输出端相连；当对待评估设备进行评估时，该模块输入端与待评估设备的输出端相连。生命体征信号的幅度调整由控制模块调整可控增益放大器的增益来实现；生命体征信号的频率调整通过控制模块改变A/D的采样率来实现。
显示器模块：用于显示评估结果。
利用所述系统对生命体征监测设备评估的方法包括以下步骤：
步骤1，设置本发明所述系统的初始参数。
步骤2，测量系统增益校准参数。
步骤3，对待评估设备进行评估。
步骤4，在显示器上显示评估结果。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.应用本发明可以为待评估设备提供不同类型的体征信号，实现对待评估设备传递函数、频率响应、带内幅度波动、信噪比和病灶特征信号等多种特性的评估。解决了现有生命体征监测设备在研发过程中采用理论计算建模和模拟仿真无法有效验证模型的有效性问题。
2.本发明采用数字信号处理技术对待评估设备输出信号的噪声进行处理，可获得待评估设备的固有噪声模型，为待评估设备的硬件修正和编程算法提供理论依据。
附图说明
图1为本发明所述系统的组成框图；
图2为本发明实施例采用的嵌入式控制模块组成框图；
图3为模拟生命体征信号源模块组成框图；
图4为生命体征信号调理电路模块组成框图。
具体实施方式
下面根据附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明所述系统的结构如图1所示，包括：控制模块1，模拟生命体征信号源模块2，生命体征信号调整电路模块3，显示器模块4。其中，
控制模块1：是评估系统的控制核心，用于产生生命体征数字信号及测量频率响应曲线需要的正弦数字信号，提供人机交互接口，输出增益控制信号至模拟生命体征信号源模块2的可控增益放大器22和生命体征信号调理电路模块3的可控增益放大器32，对生命体征信号进行数字滤波，输出显示评估结果等。本实施例的控制模块1采用嵌入式结构，组成如图2所示，由CPU11、存储器12、数字滤波器13、JTAG调试接口14、人机交互按键15、USB通信接口16、GPIO功能复用接口17、显示接口18等组成。CPU11选用ARM系列CPU，如S5pv210。存储器12用于存储器程序、配置参数及测量结果数据。数字滤波器13用于滤除测量信号中的噪声。
模拟生命体征信号源模块2：在控制模块1作用下为待评估设备提供生命体征信号或正弦信号。该模块组成如图3所示，包括D/A 21、可控增益放大器22。D/A21用于将控制模块1输出的数字信号转换成模拟信号，并送至可控增益放大器22进行放大；可控增益放大器22的增益由控制模块1输出的增益控制信号进行调整，增益的调节范围是1～32倍。
生命体征信号调理电路模块3：对模拟生命体征信号源模块或待评估设备输出的生命体征信号进行放大和变换，可以灵活设定体征信号关键参数。组成如图4所示，包括前置放大电路31、可控增益放大器32和A/D 33。生命体征信号调理电路模块3的输出与控制模块1相连。当对所述系统进行校准时，所述模块3的输入端与模拟生命体征信号源模块2的输出端相连；当对待评估设备进行评估时，所述模块3的输入端与待评估设备的输出端相连。前置放大电路31用于对生命体征信号进行放大；可控增益放大器32用于不同生命体征信号与本系统之间电平匹配的调整，其增益大小通过控制模块1进行调整，增益调节范围是1～32倍。A/D 33用于将可控增益放大器32输出的模拟信号转换为数字信号。
应用所述系统对待评估设备进行评估的方法包括以下步骤：
步骤1，设置本发明所述系统的初始参数。
步骤1.1，设置信号源的信号特征值：信号类型，频率范围，幅度范围。信号类型包括：心电信号，血氧信号，肌电信号。
步骤1.2，设置数字滤波器的特征值：滤波器类型，频率调整步长。滤波器类型包括：低通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器，50Hz工频噪声抑制滤波器。
步骤1.3，分别设置可控增益放大器22、32的特征值：增益调整范围，增益调整步长。
步骤1.4，将特征值储到存储器12。
步骤2，测量系统增益校准参数。
步骤2.1，控制模块1输出频率为F的正弦数字信号至模拟生命体征信号源模块2的D/A21的输入端，经D/A21转换输出频率为F的模拟信号至可控增益放大器模块22。控制模块1同时输出增益控制信号至可控增益放大器模块22，使其输出幅度为100μV、频率为F的正弦模拟信号。F∈F0～F1，F0～F1为生命体征信号调理电路的通频带。本实施例F0＝1Hz，F1＝10kHz。
步骤2.2，模拟生命体征信号源模块2输出的模拟信号接入到生命体征信号调理电路模块3的输入端，经前置放大电路31、可控增益放大器32和A/D 33后输出数字信号至控制模块1。控制模块1通过输出增益控制信号调整可控增益放大器32的增益，使控制模块1测得的生命体征信号调理电路模块3的输出信号幅度为100μV。在存储器12中记录当前可控增益放大器32的增益参数。
该增益参数即本发明所述系统的增益校准参数。由于元件存在固有误差，无法保证系统增益的一致性。所述系统的校准过程就是应用该参数抵消固有误差引起的增益偏差。
步骤2.3，控制模块1从小到大以ΔF为步长增加输出信号频率，重复步骤2.1、2.2，直到F＝F1，得到生命体征信号调理电路模块3的频率响应特性曲线和带内幅度波动结果。本实施例ΔF＝1Hz。
步骤3，对待评估设备进行评估。
步骤3.1，测量待评估设备的频率响应特性。
步骤3.1.1，控制模块1输出频率为F的正弦数字信号至模拟生命体征信号源模块2的D/A21的输入端，经D/A21转换输出频率为F的模拟信号并送至可控增益放大器模块22。控制模块1同时输出增益控制信号至可控增益放大器模块22，使其输出幅度为100μV、频率为F的正弦模拟信号。F∈F0～F1，F0～F1为生命体征信号调理电路的通频带。本实施例F0＝1Hz，F1＝10kHz。
步骤3.1.2，模拟生命体征信号源模块2输出的模拟信号送至待评估设备输入端，待评估设备输出的生命体征信号送至生命体征信号调理电路模块3的输入端，经前置放大电路31、可控增益放大器32和A/D 33后输出数字信号并送至控制模块1，将信号幅度值保存在储器12中。在此过程中，控制模块1输出步骤2.2中测得的增益参数至可控增益放大器模块器32的增益控制端。
步骤3.1.3，控制模块1从F＝F0开始以ΔF为步长增加输出信号频率，重复步骤3.1.1、3.1.2，直到F＝F1，得到待评估设备的频率响应特性及带内幅度波动结果。本实施例ΔF＝1Hz。
步骤3.2，测量待评估设备的传递函数。
步骤3.2.1，控制模块1输出周期为1s的正常生命体征数字信号至模拟生命体征信号源模块2的D/A21的输入端，经D/A21转换输出周期为1s的模拟信号至可控增益放大器模块22。控制模块1同时输出增益控制信号至可控增益放大器模块22，使其输出幅度为100μV、重复周期为1s的正常生命体征信号，并将此信号送至待评估设备的输入端。
步骤3.2.2，待评估设备输出的生命体征信号送至生命体征信号调理电路模块3的输入端，经A/D 33转换成数字信号后输出至控制模块1，由控制模块1内部的数字滤波器13完成信号的滤波。
步骤3.2.3，对数字滤波器13的输出信号进行FFT变换得到信号的频谱特征，将其与正常生命体征数字信号的频谱进行比较。如果两者的差异大于给定阈值，根据频谱特征中的噪声谱线分布情况调整数字滤波器类型和参数(包括截止频率、滤波器的阶数和存储深度)，重复步骤3.2.1、3.2.2，直到两者的差异小于给定阈值。调整好的数字滤波器13的传递函数即为待评估设备信号处理电路的传递函数。
步骤3.3，依据调整好的数字滤波器13的输出信号频谱特征计算待评估设备的信噪比。
数字滤波器13的输出信号频谱在频率轴上与正常生命体征数字信号频谱的谱线位置相同的为信号谱线，不同的为噪声谱线。将所有信号谱线幅度值相加，得到信号能量值；将所有噪声谱线幅度值相加，得到噪声能量值。噪声能量值与信号能量值比值即为待评估设备的信噪比。
步骤3.4，测量待评估设备病灶特征信号。
步骤3.4.1，控制模块1输出周期为T的含有固定病灶特征的生命体征数字信号至模拟生命体征信号源模块2的输入端，经D/A21转换输出周期为T的模拟信号至可控增益放大器模块22。控制模块1输出增益控制信号至可控增益放大器模块22，使其输出幅度为100μV、重复周期为T的生命体征信号，并将此信号送至待评估设备的输入端。T∈T0～T1。本实施例T0＝0.1s，T1＝1s。每个固定周期的测量时间为10s。
步骤3.4.2，将待评估设备输出的生命体征信号送至生命体征信号调理电路模块3的输入端，经前置放大电路31、可控增益放大器32和A/D 33转换成数字信号并送至控制模块1，由控制模块1的数字滤波器13完成信号的滤波。所述数字滤波器13为步骤3.2.3调整好的数字滤波器，其输出即为待评估设备的病灶特征信号。
步骤3.4.3，从T＝T0开始以ΔT为步长逐步增加输出信号的周期T，重复步骤3.4.1、3.4.2，直到T＝T1。本实施例ΔT＝0.1s。
步骤4，在显示器模块4上显示当前评估结果：传递函数，频率响应，带内幅度波动，信噪比和病灶特征信号测量结果。
Claims (6)
1.一种生命体征监测设备的评估系统，其特征在于包括：控制模块(1)，模拟生命体征信号源模块(2)，生命体征信号调整电路模块(3)，显示器模块(4)；其中，
控制模块(1)：是评估系统的控制核心，用于产生生命体征数字信号及测量频率响应曲线需要的正弦数字信号，提供人机交互接口，输出增益控制信号至模拟生命体征信号源模块(2)的可控增益放大器(22)和生命体征信号调理电路模块(3)的可控增益放大器(32)，对生命体征信号进行数字滤波，输出显示评估结果；
模拟生命体征信号源模块(2)：在控制模块(1)作用下为待评估设备提供生命体征信号或正弦信号；包括D/A(21)和可控增益放大器(22)；D/A(21)用于将控制模块(1)输出的数字信号转换成模拟信号，并送至可控增益放大器(22)进行放大；可控增益放大器(22)的增益由控制模块(1)输出的增益控制信号进行调整；控制模块(1)包括：CPU(11)，存储器(12)，数字滤波器(13)，JTAG调试接口(14)，人机交互按键(15)，USB通信接口(16)，GPIO功能复用接口(17)，显示接口(18)；存储器(12)用于存储器程序、配置参数及测量结果数据；数字滤波器(13)用于滤除测量信号中的噪声；
生命体征信号调理电路模块(3)：对模拟生命体征信号源模块或待评估设备输出的生命体征信号进行放大和变换，可以灵活设定体征信号关键参数；包括前置放大电路(31)、可控增益放大器(32)和A/D(33)；生命体征信号调理电路模块(3)的输出与控制模块(1)相连；当对所述系统进行校准时，所述模块3的输入端与模拟生命体征信号源模块(2)的输出端相连；当对待评估设备进行评估时，所述模块3的输入端与待评估设备的输出端相连；前置放大电路(31)用于对生命体征信号进行放大；可控增益放大器(32)用于不同生命体征信号之间电平匹配的调整，其增益大小通过控制模块(1)进行调整；A/D(33)用于将可控增益放大器(32)输出的模拟信号转换为数字信号；
显示器模块(4)模块：用于显示评估结果。
2.一种利用权利要求1所述系统对待评估设备进行评估的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，设置所述系统的初始参数；
步骤1.1，设置信号源的信号特征值：信号类型，频率范围，幅度范围；信号类型包括：心电信号，血氧信号，肌电信号；
步骤1.2，设置数字滤波器的特征值：滤波器类型，频率调整步长；滤波器类型包括：低通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器，50Hz工频噪声抑制滤波器；
步骤1.3，分别设置可控增益放大器(22)、(32)的特征值：增益调整范围，增益调整步长；
步骤1.4，将特征值储到存储器(12)；
步骤2，测量系统增益校准参数；
步骤2.1，控制模块(1)输出频率为F的正弦数字信号至模拟生命体征信号源模块(2)的D/A(21)的输入端，经D/A(21)转换输出频率为F的模拟信号至可控增益放大器模块(22)；控制模块(1)同时输出增益控制信号至可控增益放大器模块(22)，使其输出幅度为100μV、频率为F的正弦模拟信号；F∈F0～F1，F0～F1为生命体征信号调理电路的通频带；
步骤2.2，将模拟生命体征信号源模块(2)输出的模拟信号接入到生命体征信号调理电路模块(3)的输入端，经前置放大电路(31)、可控增益放大器(32)和A/D(33)后输出数字信号至控制模块(1)；控制模块(1)通过输出增益控制信号调整可控增益放大器(32)的增益，使控制模块(1)测得的生命体征信号调理电路模块(3)的输出信号幅度为100μV；在存储器(12)中记录当前可控增益放大器(32)的增益参数；
所述增益参数即为所述系统的增益校准参数；所述系统的校准过程就是应用所述增益校准参数抵消元件固有误差引起的增益偏差；
步骤2.3，控制模块(1)从小到大以ΔF为步长增加输出信号频率，重复步骤2.1、2.2，直到F＝F1，得到生命体征信号调理电路模块(3)的频率响应特性曲线和带内幅度波动结果；本实施例ΔF＝1Hz；
步骤3，对待评估设备进行评估；
步骤3.1，测量待评估设备的频率响应特性；
步骤3.2，测量待评估设备的传递函数；
步骤3.3，依据调整好的数字滤波器(13)的输出信号频谱特征计算待评估设备的信噪比；
步骤3.4，测量待评估设备病灶特征信号；
步骤4，在显示器模块(4)上显示当前评估结果：传递函数，频率响应，带内幅度波动，信噪比和病灶特征信号测量结果。
3.根据权利要求2所述的对待评估设备进行评估的方法，其特征在于，步骤3.1所述测量待评估设备频率响应特性的方法还包括以下步骤：
步骤3.1.1，控制模块(1)输出频率为F的正弦数字信号至模拟生命体征信号源模块(2)的D/A(21)的输入端，经D/A(21)转换输出频率为F的模拟信号并送至可控增益放大器模块(22)；控制模块(1)同时输出增益控制信号至可控增益放大器模块(22)，使其输出幅度为100μV、频率为F的正弦模拟信号；F∈F0～F1，F0～F1为生命体征信号调理电路的通频带；
步骤3.1.2，模拟生命体征信号源模块(2)输出的模拟信号送至待评估设备输入端，待评估设备输出的生命体征信号送至生命体征信号调理电路模块(3)的输入端，经前置放大电路(31)、可控增益放大器(32)和A/D(33)后输出数字信号并送至控制模块(1)，将信号幅度值保存在储器(12)中；在此过程中，控制模块(1)输出步骤2.2中测得的增益参数至可控增益放大器模块器(32)的增益控制端；
步骤3.1.3，控制模块(1)从F＝F0开始以ΔF为步长增加输出信号频率，重复步骤3.1.1、3.1.2，直到F＝F1，得到待评估设备的频率响应特性及带内幅度波动结果。
4.根据权利要求2所述的对待评估设备进行评估的方法，其特征在于，步骤3.2所述测量待评估设备传递函数的方法还包括以下步骤：
步骤3.2.1，控制模块(1)输出周期为1s的正常生命体征数字信号至模拟生命体征信号源模块(2)的D/A(21)的输入端，经D/A(21)转换输出周期为1s的模拟信号至可控增益放大器模块(22)；控制模块(1)同时输出增益控制信号至可控增益放大器模块(22)，使其输出幅度为100μV、重复周期为1s的正常生命体征信号，并将此信号送至待评估设备的输入端；
步骤3.2.2，待评估设备输出的生命体征信号送至生命体征信号调理电路模块(3)的输入端，经A/D(33)转换成数字信号后输出至控制模块(1)，由控制模块(1)内部的数字滤波器(13)完成信号的滤波；
步骤3.2.3，对数字滤波器(13)的输出信号进行FFT变换得到信号的频谱特征，将其与正常生命体征数字信号的频谱进行比较；如果两者的差异大于给定阈值，根据频谱特征中的噪声谱线分布情况调整数字滤波器类型和参数(包括截止频率、滤波器的阶数和存储深度)，重复步骤3.2.1、3.2.2，直到两者的差异小于给定阈值；调整好的数字滤波器(13)的传递函数即为待评估设备信号处理电路的传递函数。
5.根据权利要求2所述的对待评估设备进行评估的方法，其特征在于，步骤3.3所述计算待评估设备信噪比的方法如下：
数字滤波器(13)的输出信号频谱在频率轴上与正常生命体征数字信号频谱的谱线位置相同的为信号谱线，不同的为噪声谱线；将所有信号谱线幅度值相加，得到信号能量值；将所有噪声谱线幅度值相加，得到噪声能量值；噪声能量值与信号能量值比值即为待评估设备的信噪比。
6.根据权利要求2所述的对待评估设备进行评估的方法，其特征在于，步骤3.4所述测量待评估设备病灶特征信号的方法还包括以下步骤：
步骤3.4.1，控制模块(1)输出周期为T的含有固定病灶特征的生命体征数字信号至模拟生命体征信号源模块(2)的输入端，经D/A(21)转换输出周期为T的模拟信号至可控增益放大器模块(22)；控制模块(1)输出增益控制信号至可控增益放大器模块(22)，使其输出幅度为100μV、重复周期为T的生命体征信号，并将此信号送至待评估设备的输入端；T∈T0～T1；
步骤3.4.2，待评估设备输出的生命体征信号送至生命体征信号调理电路模块(3)的输入端，经前置放大电路(31)、可控增益放大器(32)和A/D(33)转换成数字信号并送至控制模块(1)，由控制模块(1)的数字滤波器(13)完成信号的滤波；所述数字滤波器(13)为步骤3.2.3调整好的数字滤波器，其输出即为待评估设备的病灶特征信号；
步骤3.4.3，从T＝T0开始以ΔT为步长逐步增加输出信号的周期T，重复步骤3.4.1、3.4.2，直到T＝T1。
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