一種可同步模擬人體生命體征參數的功能裝置的研究

景維斌

（江蘇省徐州醫藥高等職業學校，徐州 221116）

院前急救的診療對象是突發疾病的急危重癥患者，對醫護人員的救護技能要求很高，醫護人員能否對患者進行迅速有效地心肺復蘇、電擊除顫、氣管插管和穿刺等救治至關重要［1］。因此，救護人員掌握一定的急救操作技術和護理技能是非常有必要的［2］。國外用于醫學教學的模擬設備種類較多，從功能上區分有單項技能訓練器，例如穿刺訓練模型、聽診訓練器、血壓測量訓練器、十二導聯技能訓練模型等，有專為急救培訓設計的模擬人，例如AED訓練器、高級生命支持模擬人、心肺復蘇模擬人等［3］；還有針對不同年齡、性別，區分有新生兒、嬰兒、兒童、成年人等專用的模擬患者，婦產科也有專門的產婦模擬患者。還有視頻學習操作系統軟件，通過模擬真實環境，患者的生理參數及各種處理操作來完成培訓及考核。由佛羅里達大學醫學院首先發明的模擬人系統，它利用計算機技術生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的醫療仿真環境，學生通過計算機了解此“患者”的生理狀態，然后進行搶救操作，觀察“患者”的各種反應，從而進一步理解患者的生理病理機制，是臨床教學特別是麻醉、休克、心臟病、呼吸衰竭等嚴重疾患教學的良好方法［4］。但是這個只是在計算機上進行模擬觀察、操作及處理，只需要動腦就可以，不能培養學生的實際動手能力，存在一定局限性。

國內對于醫療教學設備的應用較晚，對于急救臨床訓練和培訓更多于專注在于理論培訓與學習，或者有一些培訓設備，但是這些培訓設備的信號來源并不是使用醫療系統中專用的醫療設備來采集人體的生理參數，往往都是通過設計一款學習機的形式用于學習使用，這樣并不能培養學生或醫護人員的實際操作真實儀器的技能，會導致學生學習的儀器和真實的儀器操作存在一定差異，在將來的實際工作使用過程中不能直接轉入實際應用［5］。

本課題設計研究一款可同步模擬人體多個相互關聯的生命體征參數的功能裝置，可以將采集自人體的多個生命體征參數（心電、心率、呼吸、體溫、無創血壓、脈搏、血氧飽和度、脈率）進行同步還原，還可以設置多種不同參數組合，用來模擬患者發病時生命體征參數的變化，提供豐富且真實的醫學特征，通過心電圖機或監護儀、除顫儀等醫療設備連接到此功能裝置，訓練學生操作醫療設備對模擬人進行傳感器和電極的連接，通過上述醫療設備對生命體征參數進行觀察判斷，并滿足學生進行基本的胸部按壓、氣道開放、人工呼吸訓練和體外除顫操作訓練，用真實醫護場景來對學生進行實際學習、操作進行訓練。有效解決醫護急救技能訓練中因缺少訓練道具所帶來的不便。

1 研究的創新點

1.1 各個模擬模塊工作的同步性

模擬模塊工作的同步性也就是采集人體生命體征參數的數據一致性。本課題研究的功能裝置以心電波形為時間軸，將采集自人體的生命體征參數進行數據同步還原。另外，還可以通過計算機的軟件控制，設置人體多種不同參數組合，模擬患者發病時的生命體征參數變化。

1.2 除顫訓練

結合計算機的軟件技術，為模擬人模擬輸入除顫經典病例，來模擬各種突發狀況，在急救過程中，可以實現使用除顫器或AED對該裝置進行除顫操作，真實場景演示除顫器（AED）的除顫過程，觀察除顫后生命體征參數的變化（心電波形由室顫恢復為正常波形）?？蓪τ柧氄哌M行不同的搶救方式的培訓。計算機顯示屏上顯示患者的病情文字資料，并顯示除顫前后的心電圖波形及心率。對操作者操作記錄并評估糾正。

2 系統總體結構及工作原理

2.1 同步模擬人體生命體征參數的裝置組成結構圖

該系統裝置由仿真模擬人、多參數監護儀、除顫儀及各種附件組成。仿真模擬人內部組合心電信號模擬模塊、血壓信號模擬模塊、血氧信號模擬模塊、除顫信號模擬模塊等電路結構。主控板用來協同控制各個模塊工作，組成一個完整的可同步模擬人體生命體征參數的功能裝置。如圖1所示。

圖1 同步模擬人體生命體征參數的裝置組成結構圖

2.2 工作原理

2.2.1 心電信號部分模擬工作原理

心電信號部分的功能就是將存儲于優盤的全導聯12導聯的心電（ECG）信號，通過電路進行數模轉換，還原為模擬量信號后輸出，并且每個通道的信號都要進行衰減，以滿足達到心電類設備的的信號范圍要求，針對臨床數據推算，最終輸出0～4mV的模擬量信號，供心電類醫療設備（心電監護儀或者AED或者除顫器等）及進行ECG采集；U盤中的各種異常心電波形的文件包括以下內容：①ECG數據的采樣率；②ECG波形的幅度范圍，對應于ECG信號的幅度大小，需要轉換為模擬量時的DA范圍；③ECG波形的數據通道數量，是3導、5導、12導心電波形。

2.2.2 呼吸模擬部分工作原理

本模塊是CPU根據數據文件中的呼吸波形的采樣周期，將存儲的數字化呼吸信號定時通過DA轉換為模擬量輸出，來驅動一個場管的柵極，通過場效應管源極和漏極的阻抗變化來模擬人體的阻抗變化，用于監護儀通過導聯線采集阻抗式呼吸時的信號源，來采集呼吸波形并計算呼吸率。

2.2.3 體溫模擬模塊工作原理

體溫模塊包含溫度檢測和溫度加熱兩個部分［6］。通過一個場效應管驅動軟硅膠加熱絲裝置產生熱量，并通過溫度檢測采集硅膠加熱墊的溫度值進行溫度修正，從而產生適度熱量用來模擬人體體溫的變化，提供給監護儀中的溫度傳感器采集溫度變化并在顯示屏顯示。模塊電路將根據數據文件描述的溫度變化來控制加熱部分用來產生相應的溫度值。

2.2.4 血氧飽和度和脈率模擬模塊工作原理

血氧模塊采集人體信號時，需要分時驅動雙波長的發光管進行發光，并在驅動發光過程中通過硅光電池（PD接收管）來接收采集透過手指的光信號，通過硅光電池轉換電路，光信號轉為電信號，這樣血氧類設備就采集到了含有血氧脈搏信號電信號，通過模擬電路的部分放大及解調，CPU將采集到用于計算血氧飽和度的4個有效信號。本模塊就是根據上述原理，采用光電管接收來自血氧儀的發光驅動時序，來驅動控制模塊部分的雙波長發光管，將含有脈搏信號的數據經過數模轉換后，調制到光信號輸出電路上，通過模數轉換輸出驅動發光管，轉換成光信號進行輸出。為真實還原脈搏波形，根據數據文件約定的波形采樣率來設定CPU定時器的定時周期，用于輸出的時序控制，精準還原波形數據。

2.2.5 無創血壓模擬模塊工作原理

本模塊由氣體壓力傳感器電路、氣路靜態壓力采集電路、氣路空氣壓力振蕩電路、步進電機控制電路以及相關主控CPU組成。通過氣體壓力傳感器電路來轉換氣路中的靜態壓力和氣壓的變化，通過分別的電路部分分別實現采集氣路中的靜態氣體壓力值和氣路中的氣壓動態變化值。根據無創血壓測量的原理，在不同的空氣壓力時，脈搏波有不同的振動幅度組合，依據一定算法來計算收縮壓、舒張壓和平均壓。本模塊部分就是依據此原理，在工作時始終檢測氣路中的靜態壓力值，根據設置好的血壓模擬值，當采集到氣路中氣體壓力時，根據示波法原理，需要氣路中對不同的靜態壓力值對應產生不同的氣壓變化，CPU通過控制步進電機產生位移，來驅動氣路中產生不同幅度的氣壓變化，用來模擬人體的脈搏跳動。在測量血壓時，本模塊通過控制電路控制步進電機，按照無創血壓測量原理，在不同的壓力時模擬人體脈搏跳動，使氣路中產生細小的氣壓變化。通過接收上位機的命令，在模擬輸出時根據命令來進行不同血壓參數數值的模擬。

2.2.6 除顫心電模擬及信號采集部分模塊

為了更真實的轉換ECG數據文件為模擬信號，需要根據ECG波形文件采樣率來設定CPU的定時器周期，精準控制轉換信號的輸出時序；通過多通道專用數模轉換芯片將數字化的ECG數據轉換為模擬量，再通過ECG衰減電路進行低幅值信號輸出，最終輸出的模擬ECG信號滿足心電類設備采集所需要的的幅度范圍。

本模塊由除顫器輸出信號采集部分和心電信號模擬輸出部分等兩部分組成，提供給除顫器采集，除顫器輸出信號采集部分首先對除顫器輸出的高壓信號進行分壓整流，然后再進行信號衰減，并通過電壓比較器對信號進行比較，當出現除顫信號后，比較器觸發高電平輸出，來觸發CPU產生中斷，提示有除顫信號輸入；心電信號模擬部分將采集自人體的室速、室顫、房早、房顫等多種異常心電信號通過DA轉換輸出并進行信號幅度衰減調整，再通過除顫電極板提供給除顫儀進行采集，除顫儀在檢測到模塊輸出的異常心電信號后，進行軟件自動判斷分析是否需要進行除顫電擊。如果是室顫則需要馬上進行除顫電擊處理，其他心電信號則不進行除顫處理。如果使用的是手動除顫器，則可以通過手動除顫操作來進行除顫電極處理。接收并檢測到除顫電擊信號后，則將異常心電信號馬上恢復成正常心電信號，標志著完成了一次除顫電擊過程。如果設置成多次除顫后恢復，則需要AED或者除顫器電擊多次才能使異常心電信號恢復成正常心電信號，用于模擬多次電擊搶救。

2.2.7 電源管理部分

DC12V電壓輸入通過電池管理芯片MAX1873-REEE及外圍相關電路對內置大容量18650鋰電池進行充放電管理，并通過電源轉換芯片tps54331電源芯片及外圍相關電路將電壓DC12V或者鋰電池電壓轉成成VCC（+5V）和-5V電壓給整個系統提供電壓。VCC再通過MIC5233-3.3轉換成3.3V電壓，提供給CPU、復位電路及其外圍電路器件。

2.2.8 主控芯片

SWM32RET6內置SDRAM，輸出管腳可以直接驅動TFT屏，通過TFT屏的標準接口TFT_5_40PIN連接TFT屏進行顯示輸出；通過I2C協議TOUCHP接口連接電容觸摸屏，進行觸摸按鍵輸入；通過SPI接口連接25Q128，進行數據存儲及讀??；通過GPIO接口連接按鍵KEY1-KEY9讀取外部用戶按鍵輸入；通過4路串口分別連接ECG、SPO2、Nibp、除顫模塊等進行通信，并通過藍牙串口連接控制器，接收控制命令，并控制各個模塊輸出對應的生理信號，由主控CPU按照時間順序控制各個模塊陸續輸出對應生理信號波形。

2.2.9 控制器部分

控制器主要有STM32f205VGT6作為主控CPU，內置電池及電源管理模塊，同時可以驅動2.8寸TFT彩色液晶屏，通過9個按鍵和編碼器作為輸入控制端，LCD屏作為顯示輸出端，通過U盤控制器讀寫外置U盤數據文件，通過串口轉藍牙部分，和主控板CPU SWM32TRT6進行無線通信，用于向主控板發送命令及數據參數文件等。同時接收來自于除顫心電部分采集的除顫能量值并顯示。

3 軟件系統設計

本系統由控制盒（用戶操作部分）、系統主控板（協同各個模塊）及各個功能模塊部分組成。

用戶控制盒用于使用者通過按鍵選擇命令內容，選擇模擬人輸出的波形種類及血壓血氧體溫呼吸數值，并顯示除顫器能量釋放數值。

系統主控板主要用于接收控制盒的控制命令后，分別發送到各個模塊中，并協調各個模塊同步信號模擬輸出的同時，接收各個模塊的返回數據并上傳到控制盒。

各個模塊的作用為接收到系統主控板的命令后進行信號輸出，除顫器模塊輸出的同時可以進行除顫能量檢測。

控制盒采用STM32F205作為主控，具有實體按鍵及編碼器按鍵檢測，軟開關機按鍵、LCD輸出顯示各個功能窗口的內容，電源管理用于充放電及電池電量顯示、設計有多個標準功能窗口，U盤數據讀取用于讀取預存的同步模擬人數據等功能組成。

軟件可以通過編碼器或者按鍵進行操作，切換不同的軟件功能窗口；通過心電設置窗口設置心電ECG參數，包括波形參數及心率值，或者多種異常心電波形；血氧窗口設置血氧及脈率值，血氧曲線及PI值等參數；無創血壓窗口可以設置無創血壓模擬的收縮壓、舒張壓、平均壓及脈搏［7］；體溫窗口可以設置模擬雙通道體溫值；AED窗口可以設置除顫器模塊可以輸出室顫，室速等及是否自動切換正常波形等參數內容，可用于AED檢測。

控制盒可以外接U盤，通過連續讀取U盤的預存的同步模擬人數據文件，解讀出用于模擬同步參數輸出時的各個參數的數據，包括ECG波形數據（涵蓋各種異常波形等）無創血壓數值，血氧數值，脈率數值及體溫值、除顫器模塊波形輸出等多個參數內容，不間斷通過串口轉藍牙發送到系統主控板上。

系統主控板由SWM32RET6作為主控CPU，通過串口連接各個功能模擬模塊，同過串口連接藍牙模塊與控制盒進行無線通信，用于接收控制盒的控制命令及數據內容，控制盒與主控板的軟件通信為串口通信。

固定信號輸出：當主控板接收到控制命令后，分別發送對應的參數到各個模塊中進行信號輸出；此時各個模塊為獨立工作輸出各個信號，各模塊之間不存在協同。各個模塊分別輸出控制盒設定的參數信號輸出。

同步信號模擬：控制盒通過連續讀取U盤的預存的同步模擬人數據文件并解讀后的數據發送到主控板，主控板不間斷的收到控制盒的數據內容后，同步分發到各個模塊中，進行信號輸出，請注意此時各個模塊輸出的信號由主控板來協調控制同步輸出，各個模塊同步協調工作，輸出同步模擬人數據波形。

3.1 主控板軟件流程

主控CPU SWM32RET6上電啟動后，初始化各個硬件部分，讀取主控板保存的默認參數，通過串口分別發送到各個模塊部分，用于模塊部分的默認參數模擬輸出；同時開始采集電池電量，并發送電量到控制器端。開始循環等待控制器的控制命令。見圖2。

圖2 主控板軟件流程圖

3.2 心電、呼吸波形及體溫輸出（ECG／RR）模塊軟件設計流程

本部分模塊上電啟動后，完成串口通信等硬件初始化，讀取保存的默認參數并開始信號輸出；開始循環等待主控板的控制命令，當接收到主控板的控制命令或數據后，完成信號的指定輸出。見圖3。

圖3 心電、呼吸波形及體溫輸出（ECG／RR）模塊軟件設計流程

3.3 血氧模塊軟件設計流程

本部分模塊上電啟動后，完成串口通信等硬件初始化，讀取保存的默認參數并開始信號輸出；等待血氧采集設備的信號輸入，及循環等待主控板的控制命令，當接收到主控板的控制命令或數據后，完成信號的指定輸出。見圖4。

圖4 血氧模塊軟件設計流程

3.4 血壓模塊軟件設計流程

本部分模塊上電啟動后，完成串口通信等硬件初始化，讀取保存的默認參數并開始信號輸出；等待外部血壓類設備的啟動測量并開始循環等待主控板的控制命令，當接收到主控板的控制命令或數據后，完成信號的指定輸出。見圖5。

圖5 血壓模塊軟件設計流程

3.5 AED-ECG模塊軟件設計流程

本部分模塊上電啟動后，完成串口通信等硬件初始化，讀取保存的默認參數并開始信號輸出；開始循環等待主控板的控制命令，當接收到主控板的控制命令或數據后，完成信號的指定輸出；根據主控板的命令，確定本模塊部分的工作方式及恢復正常波形所需要的電擊次數等。見圖6。

圖6 AED-ECG模塊軟件設計流程

4 試驗檢測

試驗檢測用儀器：邁瑞監護儀、邁瑞除顫器、邁瑞AED。

4.1 連接方法

（1）連接邁瑞監護儀的導聯線到模擬人的心電電極輸出端口，左手，右手，左腿，右腿及胸電極輸出（金屬連接輸出端口）。

（2）連接邁瑞監護儀的血氧探頭到模擬人的模擬手指上（特制的血氧模擬手指傳感器）。

（3）連接邁瑞監護儀血壓袖帶到模擬人的模擬手臂上，通過三通連接氣路到內部氣路中。

（4）連接對應的模擬體溫輸出端口到監護儀的體溫輸入端。

（5）當使用AED進行自動檢測時，連接AED的輸入電極端到模擬人的胸骨及心尖輸出端口。

（6）當使用除顫儀進行手動檢測除顫時，連接除顫儀電極板到模擬人的胸骨及心尖輸出端口。

4.2 檢測方法

（1）通過監護儀和除顫器的顯示端，觀察模擬人輸出的心電、呼吸波形，體溫及血氧飽和度、脈率值，通過啟動測量血壓，查看模擬人輸出的默認參數。

（2）通過控制器，選擇輸出室顫波形后，通過監護儀顯示端觀察上述參數的變化，同時可以通過除顫器的顯示端觀察ECG波形，監護儀心電輸出顯示和除顫器顯示都同時顯示為室顫波形，同時血氧、血壓、呼吸、體溫等參數都有對應的變化。

（3）啟動除顫器進行能量釋放后，再次觀察監護儀顯示端觀察上述參數的變化，同時可以通過除顫器的顯示端觀察ECG波形，監護儀心電輸出顯示和除顫器顯示都同時顯示為正常波形，同時血氧、血壓、呼吸、體溫等參數都有對應的變化。

4.3 檢測結果

（1）通過邁瑞的多參數監護儀進行測試，結果如下：

血氧飽和度部分的誤差：75%～100%范圍內時，誤差為＜1%；60%～75%范圍內時，誤差為＜2%。

脈率的誤差：30bpm～240bpm 范圍內，誤差為＜2bpm。

心率的誤差：30bpm～250bpm 范圍內，誤差為＜2bpm。

ECG波形中的異常波形識別率：可以識別室速、室顫、停博、早搏、室早二聯率、室早三聯律、多發室早、頻繁室早等多種異常波形。

呼吸的誤差：10～100rbpm內，誤差為＜2bpm。

體溫的誤差：30～39℃內，誤差為＜0.2℃。

無創血壓的誤差：150／100mmHg，一致性偏差＜3mmHg；120／80mmHg，一致性偏差 ＜3mmHg；200／150mmHg，一致性偏差＜3mmHg。

AED對ECG異常波形的識別判斷：室顫：識別并電擊；室速：識別并不建議電擊；早搏、室早、停博等：識別并不建議電擊。

（2）通過監護儀的顯示屏，直觀觀察到AED建議電擊的波形和建議不電擊的波形的形態及電擊完成后心電波形的轉換。還可以觀察到多種異常波形的形態。

4 小結

本論文在分析國內外同類產品最新研究成果基礎上，結合醫學工程技術、電子技術及通信技術，設計了可同步模擬人體生理參數的功能裝置，并對其關鍵技術進行了研究，試驗表明，通過在實際操作過程中對監護儀屏幕的觀察，可以直觀的了解到各種異常波形的形態及除顫電擊后的波形變化以及在整個過程中生命體征參數的變化，用于教學實踐有重大的意義。