多参数生理信号模拟器自动校准装置

摘要

多参数生理信号模拟器自动校准装置，是为解决目前对心电信号或多参数生理信号模拟器进行计量校准时，由于采用临时搭建的方式，其信号不稳、无法实现放大倍数调整，存在效率、精度低，性能不稳定及无法溯源等技术问题而设计的。通过采用信号输入接口直接与被校准模拟器连接及由校准输出接口对被校准模拟器进行计量校准，实现对时间、电压基准进行溯源，将被校准模拟器的频率、电压多参数溯源至国家计量标准以及通过通讯接口与上位电脑连接，使校准数据直接转化成校准记录并保存。有益效果：该装置结构紧凑、校准过程简单，不必再借助示波器、计数器等多种辅助设备。具有集成度高、准确度高、测量精度高、全自动操作等特点，完全实现了对具备多参数生理信号模拟器的全面计量校准和溯源。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种生理信号模拟器校准装置，尤其涉及一种多参数生理信 号模拟器自动校准装置。该装置能对目前所有的心电信号模拟器和具备心电 信号输出功能的多参数模拟器所输出的心率、幅值等关键参数进行计量校准， 并且将校准结果溯源至国家的时间频率和电压标准。

背景技术：

心电图机是用来记录心脏活动时所产生的生理电信号的仪器。由于其诊 断可靠，操作简便，对病人无损伤等诸多优点，已成为医院中最普及的医学 电子诊断仪器之一。为了保证其临床诊断的可靠性，需要定期对心电信号模 拟器或具备该功能的多参数模拟器就其技术性能进行检测。然而据了解目前 我国还没有针对心电信号模拟器或具备该功能的多参数模拟器的校准装置。 在对心电信号模拟器或具备该功能的多参数模拟器进行计量校准时，多采用 专用的差分放大器、滤波器并辅以示波器的方式。这种临时搭建的结构形式， 虽然能够对心电信号模拟器进行校准，但是存在如下问题：

1、采用分立设备，使用导线临时搭建的放大电路，其放大倍数会随信号 频率的增加而变化较大，会对心电信号模拟器或具备该功能的多参数模拟器 输出信号的幅值校准结果造成影响；

2、心电信号模拟器或具备该功能的多参数模拟器的输出信号幅值通常分 为：50uV、100uV、200uV、500uV、1mV、2mV等，对于不同的幅值，需 要不同的放大倍数，临时搭建的放大电路很难具备放大倍数调整功能，使用 其进行校准调整比较麻烦；

3、利用示波器对放大后的模拟心电信号进行观察，需借助光标功能 (cursor)对心电信号的产生周期进行计量，其效率较低，并且示波器的时间 精度较低，引入的人为误差也较大；

4、由于采用临时搭建的电路，其性能很难稳定，并且对其溯源也存在问 题；而在计量行业中，无法溯源的标准器是无法使用的。

发明内容：

本发明为了解决长期以来对心电信号模拟器或具备该功能的多参数模拟 器进行计量校准时，多采用专用的差分放大器、滤波器并辅以示波器的临时 搭建方式，而存在的信号不稳定，对于不同的幅值，临时搭建的放大电路无 法实现放大倍数调整，示波器对放大后的模拟心电信号需借助光标进行观察 及对心电信号的产生周期进行计量，其效率低，精度低，性能不稳定以及无 法溯源等技术问题，提供了一种多参数生理信号模拟器自动校准装置，该装 置包括机箱和主板，在所述机箱的面板上设有LCD屏幕、键盘、电源开关， 在所述机箱的面板上还设有通讯接口、校准输出接口及信号输入接口，它们 均与主板上的各相应模块控制连接；所述校准输出接口由恒温高稳晶振模块 的溯源输出端口和参考电压模块的溯源输出端口组成，所述恒温高稳晶振模 块的溯源输出端口将恒温高稳晶振信号引出至频率计；所述参考电压模块的 溯源输出端口将主板内部的AD参考电压信号引出至数字多用表；通过所述信 号输入接口直接与被校准模拟器连接。

本发明的特点及有益效果：该装置结构紧凑、准确度高、校准过程简单、 不再借助示波器、计数器等辅助设备，并且提供了专门的溯源接口及上位机 通讯接口。能够从时间频率、电压方面溯源至国家计量标准，并通过通讯接 口，使校准数据直接转化成校准记录并保存。具有集成度高、测量精度高、 全自动操作等特点，实现了对心电信号模拟器或具备该功能的多参数模拟器 进行全面的计量校准和溯源。

有益效果具体表现在：

1、对心电信号模拟器或多参数生理信号模拟器的频率、电压等参数自 动进行计量校准，并将其溯源至国家计量标准。

2、自动完成校准功能，在连接待检设备并设定好心电信号模拟器或多 参数生理信号模拟器的输出后，自动对其输出的心电信号的幅值、心率等参 数进行计量校准，同时通过通讯接口将校准数据保存至电脑并自动生成Word 格式的校准记录或将校准结果保存至所连接的U盘中。

3、使用Oscilloquartz公司的高稳定度恒温晶体振荡器OCXO8789，其秒 稳可以达到1×10^-12，老化率优于5×10^-10/天；

4、使用ST公司的高性能ARM芯片STM32F103R，其具备强大的数据和 中断处理功能，在使用高稳定度恒温晶体振荡器OCXO8789和其内部的倍频 电路后，可实现高精度采样时间的控制，测量精度优于20ns。

附图说明：

图1机箱面板结构示意图

图2主板硬件结构示意图；

图3信号调理模块结构示意图；

图4心率自动测量算法示意图；

图5T波幅值自动测量算法示意图；

具体实施方式：

参看图1-图5，多参数生理信号模拟器自动校准装置，它包括机箱1和主 板，在所述机箱1的面板上设有LCD屏幕2、键盘3、电源开关5，在所述机箱1 的面板上还设有通讯接口4、校准输出接口6及信号输入接口7，它们均与主板 上的各相应模块控制连接；所述校准输出接口6由恒温高稳晶振模块10的溯源 输出端口和参考电压模块9的溯源输出端口组成，所述恒温高稳晶振模块10的 溯源输出端口将恒温高稳晶振信号引出至频率计；所述参考电压模块9的溯源 输出端口将主板内部的AD参考电压信号引出至数字多用表；通过所述信号输 入接口7直接与被校准模拟器连接。其中：

所述信号输入接口7包含C1、C2、C3、C4、C5、C6、RL、LL、RA和 LA信号输入接口；

所述的校准输出接口6，包含VR+、VR-、CR+、CR-四个接口。其中VR+、 VR-用于数模转换模块的参考电压输出，CR+、CR-用于恒温高稳晶振模块参 考频率的输出；

所述主板由信号调理模块8、参考电压模块9、恒温高稳晶振模块10、MCU 模块11、RAM模块12、液晶驱动模块13、电源模块14、通讯模块15、键盘驱 动模块16、键盘模块17、显示模块18和模数转换模块19组成，各模块之间均 通过电路连接；

所述信号调理模块8包括过压保护电路20、仪表放大器电路21、基本信号 二级放大滤波电路22、基本信号三级放大滤波电路23和共模电压抑制电路24 及继电器网络25，各电路之间均通过电路连接。其中：

所述过压保护电路20，由TO-92A封装的36个三极管构成；

所述仪表放大器电路21，由直插封装的INA114芯片构成；

所述基本信号二级放大滤波电路22和所述基本信号三级放大滤波电路 23，均由SOP封装的LM358构成；其中：所述基本信号二级放大滤波电路22，由 LM358与精度为0.1％的精密电阻组成正向放大电路，高通滤波器与低通滤波 器均是由0.1％的精密电阻和电容组成的无源滤波电路；所述基本信号三级放 大滤波电路23，由LM358与0.1％的精密电阻和电容组成KRC滤波器；

所述共模电压抑制电路24，由SOP封装的LM358构成，利用负反馈，达到 50dB抑制力；

所述的继电器网络25，通过继电器的开合实现心电信号I导联接法、II导 联接法、III导联接法和胸电极接法的心电信号连接方式。

所述通讯模块15通过USB连接线与电脑连接。

下面结合附图及具体实例对多参数生理信号模拟器自动校准装置作进一 步说明。

多参数生理信号模拟器自动校准装置包括：机箱和主板两部分。

参看图1，在所述机箱1的面板上安装有LCD屏幕2、键盘3、通讯接口4、 电源开关5、校准输出接口6和信号输入接口7，它们都通过排线与机箱内的主 板连接。

所述的信号输入接口7包含C1、C2、C3、C4、C5、C6、RL、LL、RA 和LA共10个信号，这些接口都采用香蕉接头(female形式)，通过香蕉头连接 线与被校准模拟器直接连接(如：心电信号模拟器、多参数生理信号模拟器)。 其中C1～C6为胸电极连接接口，RL为右腿电极连接接口，LL为左腿电极连接 接口，RA为右臂电极连接接口，LA为左臂电极连接接口。

所述校准输出接口6包括恒温高稳晶振溯源输出端口和参考电压溯源输 出端口，都采用BNC接头(female形式)。恒温高稳晶振溯源输出端口用于将 恒温高稳晶振信号引出至频率计，进而对被校准模拟器的时间基准进行溯源。 其中，主板上的恒温高稳晶振模块10的CR+输出引线与BNC接头的芯线连接， CR-引线与BNC接头的屏蔽线连接；参考电压溯源输出端口用于将主板内部 2.5V AD参考电压信号引出至数字多用表，进而对被校准模拟器的电压基准进 行溯源。其中主板上的参考电压模块9的VR+输出引线与BNC接头的芯线连 接，VR-引线与BNC接头的屏蔽线连接。

参看图2，所述主板包括：信号调理模块8、参考电压模块9、恒温高稳晶 振模块10、MCU模块11、RAM模块12、液晶驱动模块13、电源模块 14(POWER)、通讯模块15、键盘驱动模块16、键盘模块17、显示模块18、 模数转换模块19，各模块之间通过电路连接。其中：

所述信号调理模块8包括过压保护电路20、仪表放大器电路21、基本信 号二级放大滤波电路22、基本信号三级放大滤波电路23、共模电压抑制电路 24和继电器网络25，各电路之间均通过电路连接。该信号调理模块8具备可 编程放大功能，其放大倍数分别为660、1260和6060倍，通带范围为 0.1Hz-300Hz，折算到输入端的1kHz处噪声电压(RTI)仅为

所述过压保护电路20由TO-92A封装的36个三极管构成；

所述仪表放大器电路21由直插封装的INA114芯片构成；

所述基本信号二级放大滤波电路22由SOP封装的LM358构成，其中 LM358与精度为0.1％的精密电阻组成正向放大电路，高通滤波器与低通滤波 器均是由0.1％的精密电阻和电容组成的无源滤波电路；

所述基本信号三级放大滤波电路23由SOP封装的LM358构成，其中 LM358与0.1％的精密电阻和电容组成KRC滤波器，在具备放大功能的同时兼 具了滤波特性；

所述共模电压抑制电路24由SOP封装的LM358构成，利用负反馈原理， 达到50dB的共模电压抑制能力；

所述继电器网络25具备输入信号通路组网和控制功能，通过继电器的开 合实现心电信号I导联接法、II导联接法、III导联接法、胸电极接法多种心电信 号连接方式，由欧姆龙的银触点、低热电势固态继电器G6AK-274P构成；

所述参考电压模块9具有为模数转换器提供2.5V参考电压的功能，由 TO-92A封装的TL341芯片构成，通过由0.1％的精密电阻、电容构成的辅助电 路将其引出至电压校准端口；

所述恒温高稳晶振模块10具有10MHz频率输出功能，秒稳可达1×10^-12， 老化率优于5×10^-10/天，使时间间隔计量精度优于20ns，主要由Oscilloquartz 公司的高稳定度恒温晶体振荡器OCXO8789构成；

由所述MCU模块11完成对其他模块的控制和协调功能，该模块由64引脚 LQFP封装的ARM芯片STM32F103R构成，该芯片内部集成了DMA功能，为 高速采集提供保障；

所述通讯模块15具有USB通讯功能，由SOP封装的CH373芯片构成，符 合USB2.0协议要求，通过USB连接线与电脑连接，使其具备主USB接口功能， 由通讯接口4通过U盘将数据以CSV格式保存，还能对外提供最大为1000mA的 电流；

所述电源模块14具有+5V，3.3V以及12V的输出功能，它主要由TO220 封装的7805芯片、7905芯片、SOT封装的LM2937芯片以及具备12V、3A输 出的电源开关5构成；

所述RAM模块12具有采样数据存储功能，由TSOP封装的IS61LV25616 构成，具有512k×16bit的容量，能存储16s的信号；

所述液晶驱动模块13具有提高MCU模块IO接口输出能力和保护MCU模 块IO接口的作用，由SOP封装的75LS245构成；

所述显示模块18具备640X480分辨率的TFT液晶屏幕，由NH056DN03 彩色液晶屏幕构成；

所述键盘驱动模块16具备硬件防抖和中断输出功能，由DIP封装的 BC7281、SOP封装的74LS164芯片组成；

所述模数转换电路19具备16位的精度，将经过信号调理模块后的信号在 MCU模块的控制下进行模数转换，进而变为数字量，然后通过MCU模块的 DMA通道直接存储在RAM模块中，模数转换电路由SOP封装的AD7683芯片 构成。

结合附图对本发明的工作过程作进一步描述：

参看图2，信号测量部分工作原理：经过心电信号调理模块后的信号，直 接进入模数转换模块A/D，并在MCU模块的控制下进行数字化。MCU模块通 过控制总线CB1对模数转换模块进行控制，并通过数据总线DB将转换后的数 据读取出来，进而通过DMA方式，使用数据总线DB和控制总线CB2直接将读 取出的数据存储至RAM模块进行暂存。该RAM模块具有512kB的存储空间， 模数转换模块的采集速度是4000Hz,由此可知本装置最长可同时记录时长约 为136s的心电信号。对于暂存在RAM模块中的数据，能够自行对数据进行处 理，以得到心电信号模拟器或多参数生理信号模拟器输出心电信号的幅值(其 最大值与基线的电压差)和心率。若在本装置上直接使用U盘，MCU模块通 过控制总线CB3对通讯模块进行控制，将校准结果直接存入U盘；若将本装置 通过USB连接至电脑，MCU模块通过控制总线CB3将校准结果上传至电脑， 并通过电脑中的相关程序生成word格式的校准记录。MCU模块通过控制总线 CB3对键盘驱动模块进行控制和读取，将按键信息读取至MCU。MCU模块通 过控制总线CB3x和数据总线DB对显示模块进行读写，控制显示模块的显示。 MCU模块通过控制总线CB4对信号调理模块中的继电器网络进行控制，使继 电器网络切换至指定的导联。

参看图3，信号调理模块的工作原理：该模块主要完成对心电信号模拟器 或多参数生理信号模拟器输出信号的放大、滤波功能。由于心电信号模拟器 或多参数生理信号模拟器的输出信号与人体心电信号网络的结构相似，为了 准确计量，本模块也采用类似心电图机的结构。心电信号模拟器或多参数生 理信号模拟器输出的信号，经由继电器网络电路控制和组网后，形成标准导 联连接方式，然后分别进入过压保护电路，以去除过高的电压，防止对放大 器造成损坏。过压保护电路的结构如图4所示，主要由三级管阵列构成，当 静电等原因造成输入信号过大时，能将信号限制在+2V之间，对仪表放大器 模块进行保护。目前，常用的过压保护电路主要由普通二极管组成，但普通 二极管的漏电流较大，会为检测系统引入较多的噪声干扰；本装置中采用的 三极管阵列结构，在达到过压保护目的的同时还减小漏电流，从而提高装置 的信号放大处理能力。经过过压保护电路的信号将进入仪表放大器电路，该 电路对输入的差模信号进行放大，具有高达110dB的共模干扰抑制能力。该 电路的放大倍数固定为6倍，经过仪表放大器电路的信号再经过简单的高通 滤波器去除直流成分，以防止后续的放大器饱和。去除直流成分的信号再进 入基本信号二次放大滤波电路，由放大器和滤波器组成。该电路的放大倍数 可为11倍、21倍和101倍，由MCU模块根据实际放大后的幅值进行控制， 该模块的放大倍数可变，是由心电信号模拟器或多参数生理信号模拟器的输 出信号决定，使用可控的放大倍数，以保证本装置的灵敏度。经过该电路后， 信号再进入基本信号三级放大滤波电路，该电路的结构与基本信号二级放大 滤波电路类似，只是其放大倍数固定为10倍，并且使用KRC滤波器，其截止 频率为0.3kHz。由于模拟心电信号会产生较强的共模干扰，为了达到更好的 信号调理效果，本装置采用了共模电压抑制电路来提高心电信号调理模块的 共模抑制能力。共模电压抑制电路采用负反馈的原理进行设计，能够实现近 300倍(即50dB)的共模抑制能力，提高了心电信号调理模块的性能。经过 以上电路的处理，心电信号调理电路将心电信号模拟器或多参数生理信号模 拟器输出的微弱信号放大至0.2V以上，为模数转换模块的数字化提供了保障。 图3中的R_1a、R_2a、R_3a、R_t、R_1b、R_2b、R_3b、R₀、R₁和C_1b分别为信号调 理模块中的电阻、电容标号，用于仪表放大器电路的原理示意。

参看图4、图5，数字信号处理的工作原理：模数转换器模块在MCU模块 的控制下，利用DMA方式将模数转换模块数字化的数据转存在RAM模块中， 在数据采集完成后，MCU模块要对RAM模块中的数字信号进行处理。对于心 电信号模拟器或多参数生理信号模拟器，所输出的模拟心电信号主要有幅值 和心率两项指标。对于心率的校准，采用查找T波峰值的方式，即将数字信号 中的T波峰值点找到，并记录下其下标，然后，通过相邻下标值做差的方式， 计算出相邻两个T波峰值间的采样间隔数目，再通过与采样间隔0.25ms相乘， 得到心电信号的周期T₁、T₂......T_x，然后将它们均值作为模拟心电信号的周期 Ts，再通过60/Ts计算得到模拟心电信号的心率。对于幅值的校准(参看图5)： 利用上面找到的T波峰值点，在相邻两个T波峰值点之间查找基线，并记录下 相应的模拟心电信号基线值，将该基线值和与其紧密相连的T波峰值之差作为 心电幅值，进行得到A₁、A₂......A_x，将它们的均值作为模拟心电信号的幅值 As，再通过As/G计算得到该模拟心电信号的幅值(G为标定的放大倍数)。

对电压、频率的溯源(参看图2)。通过参考电压模块和恒温高稳晶振模 块进行电压和时间溯源。模数转换模块的数字化是以参考电压模块为电压基 准进行的，对参考电压模块的输出电压进行溯源，就能够实现对模数转换性 能进行溯源。整个装置的时间基准都是以恒温高稳晶振模块为基础的，通过 对高稳晶振模块进行溯源，就能将时间基准溯源。通过对基本信号输入端口 LA、RA端输入已知幅值和频率的正弦信号，就能够对本装置的心电信号调理 模块的信号调理性能进行校准和溯源。