CN106937866A - 一种全科医生用的生理参数测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全科医生用的生理参数测量仪，它的组成包括：一组生理参数传感器(1)，传感器接口装置(2)，数据采集卡(3)，便携式电脑(4)，其特征在于：一组生理参数传感器(1)可以全部或者有选择性地安装在传感器接口装置(2)内，传感器接口装置(2)与数据采集卡(3)相连接，数据采集卡(3)与便携式电脑(4)相连接，在便携式电脑(4)的屏幕上通过生成的虚拟仪器界面操作整个测量仪。既能实现非生物电生理参数的同时测量，又能进行有选择地测量，测量的生理参数如血压、脉搏、心音、血流、体温与呼吸；便于携带特点，适合全科医生的职业特点。

Description

一种全科医生用的生理参数测量仪

技术领域

本发明涉及生物医学测量与仪器领域，尤其是适合全科医生用的医疗仪器。

背景技术

全科医生执行全科医疗的卫生服务。又称家庭医师或家庭医生，是健康管家服务的主要提供者。全科医生具有独特的态度、技能和知识，使其具有资格向家庭的每个成员提供连续性和综合性的医疗照顾、健康维持和预防服务。社区全科医生工作的另一个特点是上门服务，全科医生常以家访的形式上门处理家庭的病人，根据病人的各自不同的情况建立各自的家庭病床和各自的医疗档案。

全科医生医疗在我国刚刚起步，基本没有适应全科医生使用的医疗仪器。本发明是适应全科医生的职业特点，设计一种生理参数测量仪器。

发明内容

为了解决上述技术问题，设计一种适合全科医生用的生理参数测量仪器，本发明提出如下技术方案：

1)一种全科医生用的生理参数测量仪，它的组成包括：一组生理参数传感器1，传感器接口装置2，数据采集卡3，便携式电脑4，其连接关系：一组生理参数传感器1可以全部或者有选择性地安装在传感器装置2内，传感器装置2与数据采集卡3相连接，数据采集卡3与便携式电脑4相连接，在便携式电脑4的屏幕上通过内置其内的虚拟仪器软硬件生成的虚拟仪器界面操作整个测量仪。

2)传感器接口装置2是通用传感器接口，内部连接关系，一组生理参数传感器1与A/D转换器5相连，A/D转换器5与信号调理电路6相连，信号调理电路6与D/A转换器7相连。

3)A/D转换器5是一个8通道12位A/D转换器。

4)一组生理参数传感器1，包括：位移传感器、压力传感器、流量传感器、振动传感器、温度传感器和光传感器。

5)在便携式电脑4上能够保存和查询测量的生理参数，并生成测量报告。

本发明有如下积极效果：

1)开发全科医生专用的系列专用医疗仪器，便于携带特点，适合全科医生的职业特点；

2)既能实现非生物电生理参数的同时测量，又能进行有选择地测量，测量的生理参数如血压、脉搏、心音、血流、体温与呼吸；

3)能够自动实现测量数据的存储及其处理报告的生成，能够实现测量数据的实时查询与传输；

4)特别采用通用传感器接口装置，便于形成通用系列，形成标准化生产；

6)采用虚拟仪器结构降低了测量仪器的开发与使用成本。

附图说明

图1是生理参数测量仪组成图。

图2是传感器接口装置组成图。

图3是传感器接口装置中的信号调理电路。

图中：1为一组生理参数传感器，2为传感器接口装置，3为信号采集卡，4为便携式电脑，5为A/D转换器，6为信号调理电路，7为D/A转换器，8为电流源。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体任何实施以及实施的方式。

1.生理参数测量

人体除了生物电信号，伴随生命现象并作为生理机能并作为生理机能特征信号，还有物理的、机械的、声学的、化学的、流体的和生物磁性号等。如血压、脉搏、心音、血流、体温与呼吸等非生物生理参数，在临床诊断、疾病治疗和生理学研究中都有极为重要意义。

由于生命体的复杂性，使得人体生理参数的测量和采集变得异常棘手。在进行一系列涉及人体生命参数的非创伤测量方法的研究；传感器信号的变换、调理、动态补偿、误差修正等；医学生理信号的识别和抗干扰技术；适应较大个体差异的医学生理信号的自适应信息处理技术等，都是在本发明在具体实施过程中必须认真对待和解决的问题。

2.生理参数的传感技术

生理参数通常是指人体中的各种物理量，包括几何量(如位移等)、运动学量(如振动等)、能量(如温度等)以及更负责的量(如流量等)。生理参数测量及仪器类别很多，不同类型的测量装置应针对各种不同的物理量选用不同类型的物理传感器，有时，某一些物理量常被转换成一种物理量后，由相应的传感器检测。图1中的1为一组生理参数传感器，在人体生理参的数测量中常用的物理传感器有以下六种：

2.1位移传感器

被测量有位移、形变、长度、距离、位置、尺寸、厚度及深度等几个物理量的变化时，常用位移传感器来测量。例如：测量大血管的直径变化和血压之间的关系，用来算出血管阻力和血管弹性；测量胸围变化来描述呼吸功能；测量肢体容积变化来诊断外周血管供血状况，测量肠道蠕动、肠胃收缩来了解消化功能。位移传感器不仅用于直接的位移测量更重要的是间接位移测量，它常被用来通过感受位移间接测定血压、心音等。

在生物医学测量领域，常见的位移传感器有接触型位移传感器(包括电阻式、应变式、差动变压器式等)和非接触型位移传感器(包括电容式，涡流式等)两大类。

2.2压力传感器

医学中需要测定压力的场合很多，如测定血压、心内压、眼压、颅内压、胃内压、食管压、膀胱压和子宫内压等。这些压力的精确测量对于生理研究、临床诊断和手术这监护都十分重要。如心室和心脏瓣膜口处的压力测量是诊断先天心脏病的必要手段，呼吸压的测定对诊断肺功能很有用，胸外科手术中监视收缩压和舒张压给外科医生和麻醉师提供早期报警。

在生物医学测量领域，常见的压力传感器有膜片式压力传感器、液体耦合的导管-压力传感器、导管端压力传感器、植入式压力传感器等。

2.3流量传感器

在医学中流量的测量很重要，最常见的是循环系统疾病诊断和心血管手术的血流量的测量，此外还有人工呼吸及麻醉时的呼吸流量测定以及泌尿器官功能检查时的尿流量的测定等。特别是瞬时流量测定时必须用流量传感器。

在生物医学测量领域，常见的流量传感器有电磁血流量传感器、呼吸流量传感器等。

2.4振动传感器

生物医学测量中很多重要参数都与振动有关，如心脏搏动、心音和脉搏等，它们实质上都是测量人体表面的振动。表征振动的主要参数有振动位移、速度和加速度，所以测量这些参数即可测出振动。振动传感器介绍把振动传感器就是把振动位移、速度和加速度变为电信号的装置。测量人体表面的振动要求传感器小而轻，以避免妨碍真实的振动，同时，频率特性必须与被测量的频率相适应。

在生物医学测量领域，常见的振动传感器有心音传感器、心尖搏动传感器、脉搏传感器。

2.5温度传感器

温度是了解生命状态的重要指标。作为一个理想的温度传感器必须具备多种条件，如温度范围适当，精度高，可靠性好，无经时变化因而不需要校正，小型而且响应快，价格便宜。当然，同时都满足这些条件的温度传感器是不存在的，应该根据不同的用途选用不同的温度传感器。

在生物医学测量领域，常见的温度传感器有热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器、PN结温度传感器。

2.6光传感器

光学传感器是以光为媒介，以光电效应为基础，在测量端和信息处理系统的中间环节把光信号转变为电信号的中间元件。它具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和响应快等优点，在生物学领域中应用很广泛。

常见的光传感器有光电管，光电倍增管、光敏电阻、光电池、光敏半导体、二极管和三极管等。

3.传感器接口装置

传感器接口是针对本发明设计的一个通用型传感器接口装置，如图2所示，一个8位通道12位A/D转换器，其输入范围可由用户选择；两个12位D/A转换器；100uA电流源，可用于直接激励传感器；还有一个备用电流镜即多路数据I/O口具体说明如下：

3.1 A/D转换器

在接口中，A/D转换器采用美国Linear Technology公司生产的LTC1285集成芯片(即IC1)，芯片包含采样-保持器和高速三线串行接口，以连续逐次逼近的方式实现12位A/D转换。2.5V的基准电压经过稳压管D1调节之后连接到A/D转换器的VREF输入线。

3.2信号调理

在多数情况下，输入信号并不能刚好符合上述传感器接口的0-2.5V输入范围。如果信号幅值比满量程小，就会浪费分辨率；而信号幅值超过量程时又会被截顶。必须注意，连接到多路开关的输入信号如果超出0-2.5V的范围，可能对接口电路造成永久性损坏。如果要测量穿越0V的信号或者超过2.5V的信号，还是很容易实现的。

对于小幅数值单极性信号，只需要用一个运算放大器构建的放大电路就可以充分利用A/D的分辨率。如果输入信号的中值与A/D的中点(1.25V)不同。那么可以用如图3所示的电路增加一个合适的偏置电压。

3.3 D/A转换

通用传感器接口的两个模拟电压输出由双D/A转换器芯片LTC1446(即IC4)产生。D/A转换的精度为12位，也就是量程为0-4.096V时，其分辨率是1mV。该转换的最大偏置电压误差可达18mV，一般小于3mV，其最大非线性度为0.5LSB。两个输出能够处理的最大电流为100没A，相对于接地点的最大信号源阻抗为120欧。使用时，如果工作电源为5V，当输出电压到达电源电压或地的300mV范围内时，它的两个轨对轨，缓冲输出端可以接收或者释放5mA电流。空载时，其等效输出阻抗为40欧。D/A缓冲放大器可以无振荡地驱动1000pF电容。

D/A转换的电源由+5V线性调节器(即IC3)提供。需要使用D/A转换或者电流源时，都必须外接+9-+12的电源时。如果A/D电路也用外接电源驱动，那么就必须改制接口电路。D/A转换通过串行协议控制，只需3根数字线，这里使用的LPT控制口(LPT1的16位进制地址为37A)的第0-2位。

3.4电流源

通用传感器接口上的两个100uA电流源和一个备用电流镜用Burr-Brown公司生产的REF200集成芯片。两个电流源可用于激励电阻型传感器。电流源的输出和电流镜可用不同方式连接起来，形成如下几种结果：

*两个100uA电流源；

*一个200uA电流源；

*一个300uA电流源；

*一个400uA电流源；

*一个100uA电流源和100uA电流穴；

*一个200uA电流穴。

这些源和穴的精度通常都高于1％，其电压可达3.6V。

3.5数字I/O口

传感器接口装置的板连接器上有数字I/O口就是从未所用的I/O线直接连接过来的，其中，4根数字输入线是LPT状态口的4-7位。此外。第2根数字输入线，也是数字输入线，也是LPT状态口的第六位，可用于驱动使用中断的数据采集程序。

4.虚拟仪器

内置于便携式电脑内的虚拟仪器软件模块是由计算机的部分系统软件，工具软件和专为虚拟生物医学测量仪器设计的医学应用软件三部分组成的。主要功能是实现对整个仪器的有效管理，特别是生物医学信号的处理分析、存储、显示、打印等功能。最后提供友好的人机交互界面；实现比普通专用生物医学测量仪器更方便、快捷、可靠的操作；以及图形化的结果显示和自动化统计分析功能等。

虚拟生物医学测量仪器硬件接口设计实质上是面向计算机总线的设计，因此必须遵循计算机系统总线的标准。

一种是专用于笔记本电脑的PCMCIA(Personal Computer Memory Card InternationalAssociation)总线，适用于移动环境下的生物医学仪器设计。

LabVIEW是美国NI公司研制的采用图形编程的虚拟仪器系统软件，它主要包括数据采集、实时控制、数据分析和数据显示等功能，它提供了一种新的编程语言：G语言，这是一种完全采用图形方式进行软件模块化设计的崭新方法。

LabVIEW由前面板、流程方框图和图标/连接器组成。其中前面板是用户界面，流程方框图是虚拟仪器源代码，图标/连接器是调用接口。LabVIEW的程序语言是图形化，其程序采用了数据流驱动。

LabVIEW的核心是软件模块VI(借用Virtual Instrumentation缩写字头命名)，VI有一个人机对话的用户界面一前面板(front panel)和类似于源代码功能方面的方框图(diagram)。前面板接受来自方框图的命令。在VI的前面板中，控件(controls)模拟输入仪器的输入装置并把数据提供给VI的方框图；而指示器(indicators)则模拟了仪器的输出装置并显示由方框图获得或者产生的数据。

用LabVIEW编制方框图程序时，不必受常规程序设计语法细节限制。首先，从功能菜单中选择需要的功能方框，将之置于面板上的适当位置；然后用导线(wires)连接各功能方框在方框图中的端口，用来在功能方框之间传输数据。这些方框包括了简单算术功能，高级的采集和分析VI以及实现用来存储和检索数据文件输入输出功能和网络功能。

用LabVIEW编制出图形化VI是分层次和模块化的。将之用于顶层程序。也可以用作其他程序或者子程序的子程序。一个VI用在其他VI中，称之为subVI，subVI在调用它的程序中同样是以一个图标的出现的。LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用题目分解为了一系列的子任务，每个子任务还可以进一步分解成许多更低一级子任务的组合，直到把一个复杂的题目分解为许多子任务的组合。

图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最流行的发展趋势。创建虚拟仪器的过程共分三步：

(1)虚拟仪器的交互式用户接口被称为前面板，因为它模仿了实际仪器的面板。前面板包含旋钮、按钮、图形和其他的控制与显示对象。通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮，可在计算机屏幕上观看结果。

(2)虚拟仪器从流程图中接收命令(用G语言创建)。流程图是一个编程问题的图形化解决方案。流程图也是虚拟仪器的源代码。

(3)一个虚拟仪器的图标和连接就像一个图形(表示某一虚拟仪器)的参数列表。这样，其他的虚拟仪器才能将数据传输给一个子仪器。图标和连接允许将此仪器作为最高级的程序，也可以作为其他程序或者子程序中的子程序(子仪器)。

5.数据采集(DAQ)卡设计

5.1DAQ的组成

虚拟生物医学测量仪器硬件平台的I/O接口称为DAQ(Data Acquisition)卡。一般而言，所以能够在计算机控制下完成数据采集与控制任务的板卡都可以称为DAQ卡。DAQ卡主要有以下几个部分组成：

(1)多路开关。将各路信号轮流切换到放大器的输入端，从而实现多参数多路信号的分时采集。

(2)放大器。将前一级多路开关切换进入的待采集信号放大(或者衰减)，至采用环节的量程范围内。通过实际系统中放大器做成增益可调的放大器，设计者可根据输入信号不同的幅值选择不同的增益倍数。

(3)采样/保持电路。取出待测信号在某一瞬时的值(即实现信号的时间离散化)并在A/D转换过程中保持信号不变。如果被测信号变化缓慢，也可以不用采样保持器。

(4)A/D转换电路。A/D转换电路把输入的模拟信号转换为数据输出。它是DAQ硬件的核心。A/D转换有三种方法：逐次逼近法、双积分法和并行比较法。在DAQ中应用最多是逐次逼近法。衡量A/D转换性能主要有两个指标：采样分辨率，即A/D转换器位数，二是A/D转换位数，二是A/D转换速度。

(5)D/A转换。DAQ系统经常需要为被测对象提供激励信号，也就是输出模拟量信号。D/A转换是将数字量信号转换为模拟量输出的器件。D/A转换器的主要性能参数是分辨率和线性误差，分辨率取决D/A转换器的位数，线性误差则刻画了D/A转换器的精度。

(6)定时/计数器。在DQA卡中还有一个重要器件，就是定时/计数器。它主要用于脉冲周期信号测量、精确时间控制和脉冲信号产生等。定时/计算器的主要性能指标是分辨率和时钟频率，分辨率越大，计算器位数越大，计数值就越高。

(7)数字I/O。DAQ利用数字I/O采集外部设备的工作状态，建立与外部的设备的通信。一般数字I/O都采用TTL电平。

5.2 DAQ的参数设置

要使数据采集卡，正确地实现数据采集功能，就必须根据实际测量的需要对DAQ的参数进行正确设置，这就是数据采集卡的软件驱动问题。对于NI公司生产的各类DAQ考，LabVIEW都提供了专门的驱动程序和测试设置软件MAX(Measurement&Automation)，MAX可以自动检测与电脑连接的设备并可调用相应的设置软件对设备参数进行设置。主要装置参数包括：

(1)模拟信号输入

1)设置信号的输入方式，如单端输入和双端输入，单击信号和双极性信号等；

2)增益选择，根据输入信号的幅值范围和分辨率要求选择增益；

3)量程选择，根据输入信号的极性选择适当的量程。

(2)A/D转换

1)设定信号输入通道；

2)设定采用点数；

3)设定采样速率；

4)设定采样结果的输出方式，即是结果放在数组中，还是放在某一缓冲区中；

5)设置采样触发方式，包括外触发、定时触发、软件触发等；

(3)D/A转换

1)模拟信号的输出通道；

2)模拟信号的输出幅值；

3)刷新速率，刷新速率决定所产生的模拟信号波形的“光滑度”，最快刷新速率的倒数即为响应时间。

Claims (5)

1.一种全科医生用的生理参数测量仪，它的组成包括：一组生理参数传感器(1)，传感器接口装置(2)，数据采集卡(3)，便携式电脑(4)，其特征在于：一组生理参数传感器(1)可以全部或者有选择性地安装在传感器接口装置(2)内，传感器接口装置(2)与数据采集卡(3)相连接，数据采集卡(3)与便携式电脑(4)相连接，在便携式电脑(4)的屏幕上通过生成的虚拟仪器界面操作整个测量仪。

2.根据权利要求1所述的生理参数测量仪，其特征在于：所述的传感器接口装置(2)是通用传感器接口，内部连接关系，一组生理参数传感器(1)与A/D转换器(5)相连，A/D转换器(5)与信号调理电路(6)相连，信号调理电路(6)与D/A转换器(7)相连。

3.根据权利要求2所述的生理参数测量仪，其特征在于：所述的A/D转换器(5)是一个8通道12位A/D转换器。

4.根据权利要求1或2所述的生理参数测量仪，其特征在于：所述的一组生理参数传感器(1)，包括：位移传感器，压力传感器，流量传感器，振动传感器，温度传感器和光传感器。

5.根据权利要求1所述的生理参数测量仪，其特征在于：所述的便携式电脑(4)能够保存和查询测量的生理参数，并生成测量报告。