一种呼吸信号模拟方法及采用该方法的模拟仪与流程

1.本发明属于医疗技术领域，具体涉及一种呼吸信号模拟方法及采用该方法的模拟仪。


背景技术：

2.目前，对于呼吸信号的采集一种是采用检测鼻气流的形式，鼻气流的测量采用热敏电阻感应呼吸不同状态下气流的温度值的变化，或是采用鼻氧管采集气流，然后采用压力传感器测量呼吸的不同状态下气流的压力值的变化；另一种呼吸信号的采集是将心电电极放置于胸部，测量呼吸不同状态下的胸部电阻信号的变化；还有更加简单的采集方式，可以采用光电形式，采集生物体浅表血管的脉搏波信号，由于脉搏波信号会受到呼吸信号的影响，进而通过采集的脉搏波信号可以获得呼吸信号参数信息。
3.脉搏波信号是周期信号，对于脉搏波信号组成一般分为直流分量和交流分量，其中交流分量是由于血管中血流的周期变化产生，而直流分量是由于肌肉、骨骼等部分产生。脉搏波信号可以用于测量脉率、血氧饱和度、血压、血管年龄、血管硬化程度等参数。
4.脉搏血氧仪根据采用的定标曲线(r-曲线)可以计算得到血氧饱和度数值。r-曲线用于描述脉搏血氧仪测得的红光/红外光比率与显示的spo2(血氧饱和度)值之间的关系。r-曲线是脉搏血氧仪生产厂家在临床试验中获得的。常用的r-曲线(14种)有：bci，criticare，csi-spot，datascope，datex，hewlett-packard(philips)，masimo，nellcor，nellcor oximax，nihon kohden，nonin，novametrix，ohmeda&sensormedics。


技术实现要素：

5.本发明需要解决的技术问题是提供一种用于模拟呼吸信号的呼吸信号模拟方法及采用该方法的模拟仪。
6.为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
7.一种呼吸信号模拟方法，包括以下步骤：
8.s1)获取一电压信号；
9.s2)对步骤1所述的电压信号通过定标曲线进行直流调制，获得直流调制信号，将直流调制信号再次通过呼吸信息和脉率信息进行交流调制，获得交流调制信号，对直流调制信号和交流调制信号进行合成，获得第二光信号，所述呼吸信息指呼吸率和/或呼吸强度；
10.s3)以第二光信号驱动发光管发光，发光管发出的光信号被被测试设备采集，被测试设备计算得到呼吸参数。
11.进一步的，步骤s1的电压信号由采集的被测试设备发出的第一光信号的强度信号转换而来，或者由电压发生电路直接产生，所述被测试设备是采用光电形式采集脉搏波进而测量获得心率或脉率或呼吸信息的设备中的任一种，当电压信号由电压发生电路直接产生时，电压信号的强度可调，所述强度是电压值的大小。
12.优选的，所述第一光信号是采集的被测试设备发出的一个波长的光信号或采集的被测试设备发出的两个波长的光信号。
13.优选的，所述第二光信号包括第一直流分量和第一交流分量，所述第一直流分量指未产生呼吸运动时的基础信号部分，所述第一交流分量指呼吸运动引起的信号变化部分，所述第一直流分量和第一交流分量用于模拟产生基本的呼吸信号。
14.优选的，所述第二光信号包括第二直流分量和第二交流分量，所述第二直流分量指脉搏波信号的直流部分，所述第二交流分量指脉搏波信号的交流部分，具体是血液的周期流动引起的脉搏信号变化的部分，所述第二直流分量和第二交流分量用于模拟脉搏波信号。
15.优选的，驱动发光管发光的信号还包括第三直流分量和/或第三交流分量，所述第三直流分量用于模拟外界干扰信号的直流部分，所述第三交流分量用于模拟外界干扰信号的交流部分。
16.一种呼吸信号模拟仪，包括采集模块、显示模块、电源模块、微处理器、数据处理模块、输出模块、键盘模块和发光管，所述显示模块用于显示设置信息，所述电源模块用于给各个模块提供电能，键盘模块用于设置需要模拟的呼吸信息或其它信息，输出模块用于输出模拟的呼吸信息，采集模块用于采集被测试设备发出的光信号，所述采集模块的输出连接数据处理模块的输入，将采集的信息输送至数据处理模块，数据处理模块对采集的信息根据预设的呼吸信息进行调制处理，处理后的信号通过输出模块驱动发光管发光，微处理器将按键模块的输入处理后输出至显示模块显示，同时输出预设的呼吸信息至数据处理模块进行调制处理，并采用权1-6任一项所述的呼吸信号模拟方法进行呼吸信号模拟。
17.优选的，所述采集模块包括第一光探测器，用于采集被测试设备发出的光信号的强度，所述第一光探测器与发光管之间有隔光部件，所述隔光部件可以是电路板或其它可以遮挡光线的部件。
18.优选的，采集模块还包括第二光探测器，用于采集被测试设备发出光信号的频率信息，用于控制发光管的发光频率，所述第二光探测器与发光管之间有隔光部件，所述隔光部件可以是电路板或其它可以遮挡光线的部件。
19.优选的，还包括干扰模块，所述干扰模块包括电流源电路，所述电流源的输出频率由微处理器进行控制，电流源电路的输出与发光管连接。
20.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
21.本发明所述的呼吸信号模拟方法以及设备为更便捷的测试呼吸信息提供了解决方案，可以通过采集含有呼吸信息的脉搏波信号来计算出呼吸相关参数(比如呼吸率)。本发明的方法和设备可以有效检验参数的一致性，保证产品(被测试设备)的性能。
附图说明
22.图1是本发明呼吸信号模拟仪原理框图(实施例1)；
23.图2是本发明呼吸信号模拟仪原理框图(实施例2)；
24.图3是本发明采集与电流/电压转换电路原理图；
25.图4是本发明直流调制、交流调制电路原理图；
26.图5是本发明发光管驱动电路原理图；
27.图6是是本发明干扰电路原理图；
具体实施方式
28.下面结合附图对发明做进一步详细描述：
29.本发明提供了一种呼吸信号(含有呼吸信息的数据)模拟方法，包含以下步骤：
30.s1)获取一电压信号；
31.s2)对步骤1所述的电压信号通过定标曲线(不同定标曲线对应的信号基准系数(发光管发光的基础光强度)可能不同，直流调制时用的是这个系数。交流调制的时候会具体用曲线的数值(曲线是有一些离散点组成的，一个数值对应一个血氧饱和度数值))进行直流调制，获得直流调制信号，将直流调制信号再次通过呼吸信息和脉率信息进行交流调制，获得交流调制信号，对直流调制信号和交流调制信号进行合成，获得第二光信号，所述呼吸信息指呼吸率和/或呼吸强度；
32.s3)以第二光信号驱动发光管发光，发光管发出的光信号被被测试设备采集，被测试设备计算得到呼吸参数。
33.上述步骤s1所述的电压信号可以通过采集被测试设备发出的第一光信号的强度信号转换而来，所述第一光信号的强度信号是与光强度大小成正比的电流信号，经过第一电流/电压转换电路，转换成电压信号(第一)，所述被测试设备可以是脉搏血氧仪或可测量心率的手环或其它采用光电形式采集脉搏波进而测量获得心率或脉率或呼吸信息的设备，所述第一光信号可以是采集的被测试设备发出的一个波长的光信号(只计算脉率时可以就用一个波长的信号，一般采用波长为520nm的绿光或940nm的红外光)或采集的被测试设备发出的两个波长的光信号(计算血氧饱和度时需要两个波长的信号，一般是一个波长为660nm波长的红光和一个波长为940nm波长的红外光)。
34.上述步骤s1所述的电压信号(第一)由电压发生电路直接产生，所述电压信号的强度可调，所述强度是电压值的大小。
35.上述步骤s1所述的电压信号除了包括用于步骤s2中直流调制的电压信号(第一)，还包括电压信号(第二)，用于控制步骤s2获得的第二光信号的频率，电压信号(第二)通过不同的采集探头采集被测试设备发出的第一光信号的强度信号转换而来，所述第一光信号的强度信号是与光强度大小成正比的电流信号，经过第二电流/电压转换电路，转换成电压信号(第二)。
36.优选的，所述第二光信号的强度信号包括第一直流分量和第一交流分量，所述第一直流分量指未产生呼吸运动时的基础信号部分，所述第一交流分量指呼吸运动引起的信号变化部分，所述第一直流分量和第一交流分量用于模拟产生基本的呼吸信号。
37.优选的，所述第二光信号的强度信号包括第二直流分量和第二交流分量，所述第二直流分量指脉搏波信号的直流部分，所述第二交流分量指脉搏波信号的交流部分(交流部分具体指血液的周期流动引起的脉搏信号变化的部分)，所述第二直流分量和第二交流分量用于模拟脉搏波信号。
38.优选的，所述第一光信号为被测试设备(如：脉搏血氧仪)发出的红光信号和红外光信号；所述第二光信号的第二直流分量包括红光信号的直流分量和红外光信号的直流分量，所述第二光信号的第二交流分量包括红光信号的交流分量和红外光信号的交流分量。
39.步骤s2中所采用的定标曲线为被测试设备(如：脉搏血氧仪)所采用的的定标曲线，对第一光信号转换的电压信号(第一)进行调制处理得到第二光信号的第二直流分量；根据定标曲线和当前需要模拟的血氧饱和度和/或脉率数值以及所述被调制之后的第二光信号的直流分量，再次进行信号调制(调制呼吸信息)得到第二光信号的第二交流分量，用于模拟产生合并了脉搏波的呼吸信号。
40.优选的，步骤s3中发光管的发光频率与被测试设备的发光频率一致，因为被测试设备可能为了增加使用时长而采用一定的频率进行发光，而不是一直发光。因此，驱动发光管发光的信号还包括第三直流分量和/或第三交流分量，所述第三直流分量用于模拟外界干扰信号的直流部分，所述第三交流分量用于模拟外界干扰信号的交流部分。
41.图1所示为采用上述呼吸模拟方法制作的呼吸信号模拟仪的原理框图(实施例1)，包括采集模块、显示模块、电源模块、微处理器、数据处理模块、输出模块、键盘模块和发光管，所述显示模块用于显示设置信息，所述电源模块用于给各个模块提供电能，键盘模块用于设置需要模拟的呼吸信息或其它信息，输出模块用于输出模拟的呼吸信息，采集模块用于采集被测试设备发出的光信号，所述采集模块的输出连接数据处理模块的输入，将采集的信息输送至数据处理模块，数据处理模块对采集的信息根据预设的呼吸信息进行调制处理，处理后的信号通过输出模块驱动发光管发光，微处理器将按键模块的输入处理后输出至显示模块显示，同时输出预设的呼吸信息至数据处理模块进行调制处理，并采用上述的呼吸信号模拟方法进行呼吸信号模拟。
42.优选的，所述数据处理模块包括第一电流/电压转换电路、交流调制电路以及直流调制电路，其中第一电流/电压转换电路的输入连接采集模块的第一光探测器，第一电流/电压转换电路的输出连接直流调制电路(采用数模转换芯片及其辅助电路)，直流调制电路调制形成呼吸信号的直流信号，直流调制电路的输出连接交流调制电路(采用数模转换芯片及其辅助电路)的输入，形成呼吸信号的交流信号。将直流调制电路输出的直流信号和交流调制电路输出的交流信号相加(合成)形成模拟呼吸信号；模拟呼吸信号经输出模块输出至发光管，驱动发光管发光；所述发光管至少为一个。
43.优选的，所述采集模块包括第一光探测器，用于采集被测试设备发出的光信号的强度，所述第一光探测器与发光管之间有隔光部件，所述隔光部件可以是电路板或其它可以遮挡光线的部件，用于防止二者(发光管和发光传感器)之间相互干扰。
44.优选的，还包括干扰模块，干扰模块的输入端连接微处理器，微处理器产生控制信号，所述干扰模块包括电流源电路，所述电流源的输出频率由微处理器进行控制，电流源电路的输出与发光管连接。
45.优选的，所述输出模块用于将驱动发光管发光的第二光信号通过连接端子输出，所述端子可以是bnc端子，这样外部设备可以采集含有呼吸信号的输出数据用于验证非光电设备计算呼吸参数的性能，扩大模拟仪可适用的范围。
46.如图2所示(实施例2)，本发明的采集模块还包括第二光探测器，用于采集被测试设备发出光信号的频率信息，用于控制发光管的发光频率，所述第二光探测器与发光管之间有隔光部件，所述隔光部件可以是电路板或其它可以遮挡光线的部件，用于防止二者(发光管和发光传感器)之间相互干扰。
47.本发明的数据处理模块还包括第二电流/电压转换电路，第二电流/电压转换电路
的输入连接采集模块的第二光探测器，用于采集被测试设备发出光信号的频率信息，第二电流/电压转换电路的输出连接直流调制电路和交流调制电路，为其提供频率控制信号，进而控制发光管的发光频率。
48.图3所示为本发明一部分的电路原理图，其包括第一光信号的采集、第一电流/电压转换电路、第一电流/电压转换电路以及发光频率控制电路。其中us1为窄带光探测器(第二光探测器)，主要用于采被测试设备(如脉搏血氧仪)的红外光的光信号的发光频率信号ir_s(通过检测红外光的光信号的强度)，us12是宽带光探测器(第一光探测器)，主要用于采集脉搏血氧仪的红光和红外光的光信号的强度，并经电流/电压转换电路得到电压信号samp_in，u11a及其周边元器件构成第二电流/电压转换电路，c2、r3组成高通滤波器，u12c是电压跟随器。e1、r7-r10、q8组成基准电压产生电路，u13a为电压比较器，u13a输出信号控制q7通断，进而实现频率控制。u11d及其周边元器件构成第一电流/电压转换电路，c4、r5组成高通滤波器，u12a是电压跟随器，u12b和r17、r18组成反相比例放大电路，u12b输出电压信号。
49.图4所示为本发明直流调制、交流调制电路原理图，其中u6、u9是是12位的双通道的dac芯片，u7、u8是模拟开关。通过模拟开关u7选择被调制的输入基准信号(电压信号)是采集的被测试设备的电压信号samp_in，还是电压发生电路产生的直流电压信号vdd-25，输入数模转换电路u9(u9是双通道芯片，通道a处理红光信号，通道b处理红外光信号，所以直流调制信号包括红光和红外光信号)；微处理器根据预设的定标曲线(bci)将调制信号输入到u9对电压信号samp_in进行调制，调制后的直流调制信号作为交流调制电路的输入信号输入u6，微处理器根据预设的脉率数值、呼吸率数值、呼吸强度数值，将调制信号输入到u6，对所述直流调制信号进行调制，获得交流调制信号(u6是双通道芯片，通道a处理红光信号，通道b处理红外光信号，并且红光信号同时包含脉搏波信号和呼吸信号，红外光信号同时包含脉搏波信号和呼吸信号，所以交流调制信号包括脉搏波信号和呼吸信号)；所述直流调制信号和交流调制信号通过u8模拟开关在红外光发光频率信号ir_s的控制下，分时输出包含了脉搏波信号和呼吸信号的红光信号和脉搏波信号和呼吸信号的红外光信号；u10b、u10c为反相信号放大器，所述直流调制信号和交流调制信号，通过u10a运算放大器合成为驱动信号driv_led(第二光信号)。
50.图5所示为发光管驱动电路，所述驱动信号作为比例积分电路u3d的输入，所述比例积分电路u3d的输出控制q2的开关，进而控制发光管led2的发光；led2的发光强度分时模拟脉搏血氧仪所发光的红光和红外光经过手指衰减之后的光强度；其中u3b及其周边元器件组成偏置电压产生电路，使发光管的发光强度维持线性强度。
51.图6所示为干扰电路，外界干扰信号由u10d及其外围元器件构成的电流源电路产生干扰信号l_g，所述干扰信号的直流部分由rq101和rq102分压的电压值模拟产生，干扰信号的交流部分由q10的开关频率产生，所述开关频率由微处理器控制；干扰信号l_g作为发光管led2的驱动信号；此时led2的发光强度分时模拟了经过手指衰减之后的红外光信号和红光信号的强度，所述强度包括了呼吸相关的信息、脉搏波相关的信息、干扰相关的信息。