一种可同步模拟人体生命体征参数的功能装置的研究

景维斌

（江苏省徐州医药高等职业学校，徐州 221116）

院前急救的诊疗对象是突发疾病的急危重症患者，对医护人员的救护技能要求很高，医护人员能否对患者进行迅速有效地心肺复苏、电击除颤、气管插管和穿刺等救治至关重要［1］。因此，救护人员掌握一定的急救操作技术和护理技能是非常有必要的［2］。国外用于医学教学的模拟设备种类较多，从功能上区分有单项技能训练器，例如穿刺训练模型、听诊训练器、血压测量训练器、十二导联技能训练模型等，有专为急救培训设计的模拟人，例如AED训练器、高级生命支持模拟人、心肺复苏模拟人等［3］；还有针对不同年龄、性别，区分有新生儿、婴儿、儿童、成年人等专用的模拟患者，妇产科也有专门的产妇模拟患者。还有视频学习操作系统软件，通过模拟真实环境，患者的生理参数及各种处理操作来完成培训及考核。由佛罗里达大学医学院首先发明的模拟人系统，它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的医疗仿真环境，学生通过计算机了解此“患者”的生理状态，然后进行抢救操作，观察“患者”的各种反应，从而进一步理解患者的生理病理机制，是临床教学特别是麻醉、休克、心脏病、呼吸衰竭等严重疾患教学的良好方法［4］。但是这个只是在计算机上进行模拟观察、操作及处理，只需要动脑就可以，不能培养学生的实际动手能力，存在一定局限性。

国内对于医疗教学设备的应用较晚，对于急救临床训练和培训更多于专注在于理论培训与学习，或者有一些培训设备，但是这些培训设备的信号来源并不是使用医疗系统中专用的医疗设备来采集人体的生理参数，往往都是通过设计一款学习机的形式用于学习使用，这样并不能培养学生或医护人员的实际操作真实仪器的技能，会导致学生学习的仪器和真实的仪器操作存在一定差异，在将来的实际工作使用过程中不能直接转入实际应用［5］。

本课题设计研究一款可同步模拟人体多个相互关联的生命体征参数的功能装置，可以将采集自人体的多个生命体征参数（心电、心率、呼吸、体温、无创血压、脉搏、血氧饱和度、脉率）进行同步还原，还可以设置多种不同参数组合，用来模拟患者发病时生命体征参数的变化，提供丰富且真实的医学特征，通过心电图机或监护仪、除颤仪等医疗设备连接到此功能装置，训练学生操作医疗设备对模拟人进行传感器和电极的连接，通过上述医疗设备对生命体征参数进行观察判断，并满足学生进行基本的胸部按压、气道开放、人工呼吸训练和体外除颤操作训练，用真实医护场景来对学生进行实际学习、操作进行训练。有效解决医护急救技能训练中因缺少训练道具所带来的不便。

1 研究的创新点

1.1 各个模拟模块工作的同步性

模拟模块工作的同步性也就是采集人体生命体征参数的数据一致性。本课题研究的功能装置以心电波形为时间轴，将采集自人体的生命体征参数进行数据同步还原。另外，还可以通过计算机的软件控制，设置人体多种不同参数组合，模拟患者发病时的生命体征参数变化。

1.2 除颤训练

结合计算机的软件技术，为模拟人模拟输入除颤经典病例，来模拟各种突发状况，在急救过程中，可以实现使用除颤器或AED对该装置进行除颤操作，真实场景演示除颤器（AED）的除颤过程，观察除颤后生命体征参数的变化（心电波形由室颤恢复为正常波形）。可对训练者进行不同的抢救方式的培训。计算机显示屏上显示患者的病情文字资料，并显示除颤前后的心电图波形及心率。对操作者操作记录并评估纠正。

2 系统总体结构及工作原理

2.1 同步模拟人体生命体征参数的装置组成结构图

该系统装置由仿真模拟人、多参数监护仪、除颤仪及各种附件组成。仿真模拟人内部组合心电信号模拟模块、血压信号模拟模块、血氧信号模拟模块、除颤信号模拟模块等电路结构。主控板用来协同控制各个模块工作，组成一个完整的可同步模拟人体生命体征参数的功能装置。如图1所示。

图1 同步模拟人体生命体征参数的装置组成结构图

2.2 工作原理

2.2.1 心电信号部分模拟工作原理

心电信号部分的功能就是将存储于优盘的全导联12导联的心电（ECG）信号，通过电路进行数模转换，还原为模拟量信号后输出，并且每个通道的信号都要进行衰减，以满足达到心电类设备的的信号范围要求，针对临床数据推算，最终输出0～4mV的模拟量信号，供心电类医疗设备（心电监护仪或者AED或者除颤器等）及进行ECG采集；U盘中的各种异常心电波形的文件包括以下内容：①ECG数据的采样率；②ECG波形的幅度范围，对应于ECG信号的幅度大小，需要转换为模拟量时的DA范围；③ECG波形的数据通道数量，是3导、5导、12导心电波形。

2.2.2 呼吸模拟部分工作原理

本模块是CPU根据数据文件中的呼吸波形的采样周期，将存储的数字化呼吸信号定时通过DA转换为模拟量输出，来驱动一个场管的栅极，通过场效应管源极和漏极的阻抗变化来模拟人体的阻抗变化，用于监护仪通过导联线采集阻抗式呼吸时的信号源，来采集呼吸波形并计算呼吸率。

2.2.3 体温模拟模块工作原理

体温模块包含温度检测和温度加热两个部分［6］。通过一个场效应管驱动软硅胶加热丝装置产生热量，并通过温度检测采集硅胶加热垫的温度值进行温度修正，从而产生适度热量用来模拟人体体温的变化，提供给监护仪中的温度传感器采集温度变化并在显示屏显示。模块电路将根据数据文件描述的温度变化来控制加热部分用来产生相应的温度值。

2.2.4 血氧饱和度和脉率模拟模块工作原理

血氧模块采集人体信号时，需要分时驱动双波长的发光管进行发光，并在驱动发光过程中通过硅光电池（PD接收管）来接收采集透过手指的光信号，通过硅光电池转换电路，光信号转为电信号，这样血氧类设备就采集到了含有血氧脉搏信号电信号，通过模拟电路的部分放大及解调，CPU将采集到用于计算血氧饱和度的4个有效信号。本模块就是根据上述原理，采用光电管接收来自血氧仪的发光驱动时序，来驱动控制模块部分的双波长发光管，将含有脉搏信号的数据经过数模转换后，调制到光信号输出电路上，通过模数转换输出驱动发光管，转换成光信号进行输出。为真实还原脉搏波形，根据数据文件约定的波形采样率来设定CPU定时器的定时周期，用于输出的时序控制，精准还原波形数据。

2.2.5 无创血压模拟模块工作原理

本模块由气体压力传感器电路、气路静态压力采集电路、气路空气压力振荡电路、步进电机控制电路以及相关主控CPU组成。通过气体压力传感器电路来转换气路中的静态压力和气压的变化，通过分别的电路部分分别实现采集气路中的静态气体压力值和气路中的气压动态变化值。根据无创血压测量的原理，在不同的空气压力时，脉搏波有不同的振动幅度组合，依据一定算法来计算收缩压、舒张压和平均压。本模块部分就是依据此原理，在工作时始终检测气路中的静态压力值，根据设置好的血压模拟值，当采集到气路中气体压力时，根据示波法原理，需要气路中对不同的静态压力值对应产生不同的气压变化，CPU通过控制步进电机产生位移，来驱动气路中产生不同幅度的气压变化，用来模拟人体的脉搏跳动。在测量血压时，本模块通过控制电路控制步进电机，按照无创血压测量原理，在不同的压力时模拟人体脉搏跳动，使气路中产生细小的气压变化。通过接收上位机的命令，在模拟输出时根据命令来进行不同血压参数数值的模拟。

2.2.6 除颤心电模拟及信号采集部分模块

为了更真实的转换ECG数据文件为模拟信号，需要根据ECG波形文件采样率来设定CPU的定时器周期，精准控制转换信号的输出时序；通过多通道专用数模转换芯片将数字化的ECG数据转换为模拟量，再通过ECG衰减电路进行低幅值信号输出，最终输出的模拟ECG信号满足心电类设备采集所需要的的幅度范围。

本模块由除颤器输出信号采集部分和心电信号模拟输出部分等两部分组成，提供给除颤器采集，除颤器输出信号采集部分首先对除颤器输出的高压信号进行分压整流，然后再进行信号衰减，并通过电压比较器对信号进行比较，当出现除颤信号后，比较器触发高电平输出，来触发CPU产生中断，提示有除颤信号输入；心电信号模拟部分将采集自人体的室速、室颤、房早、房颤等多种异常心电信号通过DA转换输出并进行信号幅度衰减调整，再通过除颤电极板提供给除颤仪进行采集，除颤仪在检测到模块输出的异常心电信号后，进行软件自动判断分析是否需要进行除颤电击。如果是室颤则需要马上进行除颤电击处理，其他心电信号则不进行除颤处理。如果使用的是手动除颤器，则可以通过手动除颤操作来进行除颤电极处理。接收并检测到除颤电击信号后，则将异常心电信号马上恢复成正常心电信号，标志着完成了一次除颤电击过程。如果设置成多次除颤后恢复，则需要AED或者除颤器电击多次才能使异常心电信号恢复成正常心电信号，用于模拟多次电击抢救。

2.2.7 电源管理部分

DC12V电压输入通过电池管理芯片MAX1873-REEE及外围相关电路对内置大容量18650锂电池进行充放电管理，并通过电源转换芯片tps54331电源芯片及外围相关电路将电压DC12V或者锂电池电压转成成VCC（+5V）和-5V电压给整个系统提供电压。VCC再通过MIC5233-3.3转换成3.3V电压，提供给CPU、复位电路及其外围电路器件。

2.2.8 主控芯片

SWM32RET6内置SDRAM，输出管脚可以直接驱动TFT屏，通过TFT屏的标准接口TFT_5_40PIN连接TFT屏进行显示输出；通过I2C协议TOUCHP接口连接电容触摸屏，进行触摸按键输入；通过SPI接口连接25Q128，进行数据存储及读取；通过GPIO接口连接按键KEY1-KEY9读取外部用户按键输入；通过4路串口分别连接ECG、SPO2、Nibp、除颤模块等进行通信，并通过蓝牙串口连接控制器，接收控制命令，并控制各个模块输出对应的生理信号，由主控CPU按照时间顺序控制各个模块陆续输出对应生理信号波形。

2.2.9 控制器部分

控制器主要有STM32f205VGT6作为主控CPU，内置电池及电源管理模块，同时可以驱动2.8寸TFT彩色液晶屏，通过9个按键和编码器作为输入控制端，LCD屏作为显示输出端，通过U盘控制器读写外置U盘数据文件，通过串口转蓝牙部分，和主控板CPU SWM32TRT6进行无线通信，用于向主控板发送命令及数据参数文件等。同时接收来自于除颤心电部分采集的除颤能量值并显示。

3 软件系统设计

本系统由控制盒（用户操作部分）、系统主控板（协同各个模块）及各个功能模块部分组成。

用户控制盒用于使用者通过按键选择命令内容，选择模拟人输出的波形种类及血压血氧体温呼吸数值，并显示除颤器能量释放数值。

系统主控板主要用于接收控制盒的控制命令后，分别发送到各个模块中，并协调各个模块同步信号模拟输出的同时，接收各个模块的返回数据并上传到控制盒。

各个模块的作用为接收到系统主控板的命令后进行信号输出，除颤器模块输出的同时可以进行除颤能量检测。

控制盒采用STM32F205作为主控，具有实体按键及编码器按键检测，软开关机按键、LCD输出显示各个功能窗口的内容，电源管理用于充放电及电池电量显示、设计有多个标准功能窗口，U盘数据读取用于读取预存的同步模拟人数据等功能组成。

软件可以通过编码器或者按键进行操作，切换不同的软件功能窗口；通过心电设置窗口设置心电ECG参数，包括波形参数及心率值，或者多种异常心电波形；血氧窗口设置血氧及脉率值，血氧曲线及PI值等参数；无创血压窗口可以设置无创血压模拟的收缩压、舒张压、平均压及脉搏［7］；体温窗口可以设置模拟双通道体温值；AED窗口可以设置除颤器模块可以输出室颤，室速等及是否自动切换正常波形等参数内容，可用于AED检测。

控制盒可以外接U盘，通过连续读取U盘的预存的同步模拟人数据文件，解读出用于模拟同步参数输出时的各个参数的数据，包括ECG波形数据（涵盖各种异常波形等）无创血压数值，血氧数值，脉率数值及体温值、除颤器模块波形输出等多个参数内容，不间断通过串口转蓝牙发送到系统主控板上。

系统主控板由SWM32RET6作为主控CPU，通过串口连接各个功能模拟模块，同过串口连接蓝牙模块与控制盒进行无线通信，用于接收控制盒的控制命令及数据内容，控制盒与主控板的软件通信为串口通信。

固定信号输出：当主控板接收到控制命令后，分别发送对应的参数到各个模块中进行信号输出；此时各个模块为独立工作输出各个信号，各模块之间不存在协同。各个模块分别输出控制盒设定的参数信号输出。

同步信号模拟：控制盒通过连续读取U盘的预存的同步模拟人数据文件并解读后的数据发送到主控板，主控板不间断的收到控制盒的数据内容后，同步分发到各个模块中，进行信号输出，请注意此时各个模块输出的信号由主控板来协调控制同步输出，各个模块同步协调工作，输出同步模拟人数据波形。

3.1 主控板软件流程

主控CPU SWM32RET6上电启动后，初始化各个硬件部分，读取主控板保存的默认参数，通过串口分别发送到各个模块部分，用于模块部分的默认参数模拟输出；同时开始采集电池电量，并发送电量到控制器端。开始循环等待控制器的控制命令。见图2。

图2 主控板软件流程图

3.2 心电、呼吸波形及体温输出（ECG／RR）模块软件设计流程

本部分模块上电启动后，完成串口通信等硬件初始化，读取保存的默认参数并开始信号输出；开始循环等待主控板的控制命令，当接收到主控板的控制命令或数据后，完成信号的指定输出。见图3。

图3 心电、呼吸波形及体温输出（ECG／RR）模块软件设计流程

3.3 血氧模块软件设计流程

本部分模块上电启动后，完成串口通信等硬件初始化，读取保存的默认参数并开始信号输出；等待血氧采集设备的信号输入，及循环等待主控板的控制命令，当接收到主控板的控制命令或数据后，完成信号的指定输出。见图4。

图4 血氧模块软件设计流程

3.4 血压模块软件设计流程

本部分模块上电启动后，完成串口通信等硬件初始化，读取保存的默认参数并开始信号输出；等待外部血压类设备的启动测量并开始循环等待主控板的控制命令，当接收到主控板的控制命令或数据后，完成信号的指定输出。见图5。

图5 血压模块软件设计流程

3.5 AED-ECG模块软件设计流程

本部分模块上电启动后，完成串口通信等硬件初始化，读取保存的默认参数并开始信号输出；开始循环等待主控板的控制命令，当接收到主控板的控制命令或数据后，完成信号的指定输出；根据主控板的命令，确定本模块部分的工作方式及恢复正常波形所需要的电击次数等。见图6。

图6 AED-ECG模块软件设计流程

4 试验检测

试验检测用仪器：迈瑞监护仪、迈瑞除颤器、迈瑞AED。

4.1 连接方法

（1）连接迈瑞监护仪的导联线到模拟人的心电电极输出端口，左手，右手，左腿，右腿及胸电极输出（金属连接输出端口）。

（2）连接迈瑞监护仪的血氧探头到模拟人的模拟手指上（特制的血氧模拟手指传感器）。

（3）连接迈瑞监护仪血压袖带到模拟人的模拟手臂上，通过三通连接气路到内部气路中。

（4）连接对应的模拟体温输出端口到监护仪的体温输入端。

（5）当使用AED进行自动检测时，连接AED的输入电极端到模拟人的胸骨及心尖输出端口。

（6）当使用除颤仪进行手动检测除颤时，连接除颤仪电极板到模拟人的胸骨及心尖输出端口。

4.2 检测方法

（1）通过监护仪和除颤器的显示端，观察模拟人输出的心电、呼吸波形，体温及血氧饱和度、脉率值，通过启动测量血压，查看模拟人输出的默认参数。

（2）通过控制器，选择输出室颤波形后，通过监护仪显示端观察上述参数的变化，同时可以通过除颤器的显示端观察ECG波形，监护仪心电输出显示和除颤器显示都同时显示为室颤波形，同时血氧、血压、呼吸、体温等参数都有对应的变化。

（3）启动除颤器进行能量释放后，再次观察监护仪显示端观察上述参数的变化，同时可以通过除颤器的显示端观察ECG波形，监护仪心电输出显示和除颤器显示都同时显示为正常波形，同时血氧、血压、呼吸、体温等参数都有对应的变化。

4.3 检测结果

（1）通过迈瑞的多参数监护仪进行测试，结果如下：

血氧饱和度部分的误差：75%～100%范围内时，误差为＜1%；60%～75%范围内时，误差为＜2%。

脉率的误差：30bpm～240bpm 范围内，误差为＜2bpm。

心率的误差：30bpm～250bpm 范围内，误差为＜2bpm。

ECG波形中的异常波形识别率：可以识别室速、室颤、停博、早搏、室早二联率、室早三联律、多发室早、频繁室早等多种异常波形。

呼吸的误差：10～100rbpm内，误差为＜2bpm。

体温的误差：30～39℃内，误差为＜0.2℃。

无创血压的误差：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对ECG异常波形的识别判断：室颤：识别并电击；室速：识别并不建议电击；早搏、室早、停博等：识别并不建议电击。

（2）通过监护仪的显示屏，直观观察到AED建议电击的波形和建议不电击的波形的形态及电击完成后心电波形的转换。还可以观察到多种异常波形的形态。

4 小结

本论文在分析国内外同类产品最新研究成果基础上，结合医学工程技术、电子技术及通信技术，设计了可同步模拟人体生理参数的功能装置，并对其关键技术进行了研究，试验表明，通过在实际操作过程中对监护仪屏幕的观察，可以直观的了解到各种异常波形的形态及除颤电击后的波形变化以及在整个过程中生命体征参数的变化，用于教学实践有重大的意义。