技术领域
[0001] 本
发明属于医疗测试设备领域，特别涉及一种脉搏血氧仿真系统及实现方法，利用发光管的发光强度模拟充血
生物组织在不同血氧
饱和度及脉搏情况下对红光及红外光的吸收效果，有效解决了
血液样本的制备和来源问题。
背景技术
[0002]
脉搏血氧仪的工作原理是根据氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb）在红光和
近红外光区域的吸收
光谱特性，用两束不同
波长的光，如660nm的红光和940nm的近红外光照射人体
手指，脚趾或
耳垂等部位，由光敏元件探测透射（或反射）的光电容积脉搏波强度。这类组织都是由
皮肤、血液、肌肉、骨骼等组成的混合组织，光通过这类组织形成的光电容积脉搏波的特征是在一个很大的稳定分量（或称
直流分量DC）上迭加一个较小的脉动分量（或称
交流分量AC）。其交流分量是由于血液充盈动脉引起，直流分量则是血液流过动脉的同时，由非动脉部分，即肌肉、静脉血、皮肤、骨骼等组织对光的吸收效果。通过对两束光的光电容积脉搏波的测量可以得到四个变量，即红光直流分量，红光交流分量，红外直流分量，红外交流分量。由这四个分量可以算出血氧饱和度值。
[0003] 对脉搏血氧仪的检测可以建立一种血液模拟循环系统，在血液的循环过程中被脱氧的低氧血与一定浓度氧气充分结合，得到一定血氧饱和度的血液，同时，用血液取样法血气分析的结果来对比检测脉搏血氧仪。
[0004]
专利号为US 2006/0247507 A1的美国专利公开了“一种脉冲血氧计的光传输模拟装置（Light transmission simulator for pulse oximeter）”，其中FIG.3C图解了一个类似装置的实现方法：第一个可选增益平台（338）用于放大红光
信号，第二个可选增益平台（339）用于放大红外
光信号，第三个可选增益平台（340）用于放大红光和红外光的混合信号，放大后的红光信号（353）被送往
电压到
电流转换
电路（320），产生的电流信号用于驱动LED1（322），模拟红光的交流信号，红光的交流信号被受控于生理信号机械调制的调光器（324）进行调制；放大后的红外光信号（354）被送往电压到电流转换电路（360），产生的电流信号用于驱动LED2（361），模拟红外光的交流信号，和红光交流信号一样，红外光交流信号被另一个受控于生理信号机械调制的调光器（363）进行调制；放大后的红光和红外光信号被送往电压到电流转换电路（321）产生的信号用于驱动LED3（323），模拟红光、红外光的直流信号；经过调制的红光交流信号、红外光交流信号、红光和红外光直流信号在导光材料（optical waveguide）处进行汇聚，以此来模拟生物组织对光的吸收效果，该装置需要使用机械调制的调光器控制发光管的光强、需要采用多个发光管、需要采用导光材料（optical waveguide）进行红光、红外光的汇聚等，因此该装置实现方式相对复杂，重复一致性控制难度大。
发明内容
[0005] 本发明的目的提出一种脉搏血氧仿真系统及实现方法，利用
电子器件对发光管的光强进行控制，利用电子器件实现红光与红外光的汇聚，在整个系统的实现过程中采用了一致性易于保证的电子元器件，仅使用一组红光发光管，系统实现方式简单。
[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
[0007] 一种脉搏血氧仿真系统，包括放置于脉搏血氧仪发光管和脉搏血氧仪
光接收器之间的模拟手指模
块，模拟手指模块连接一个模拟信息处理模块；其中，所述模拟手指模块包括有一个遮光板，遮光板用于遮挡脉搏血氧仪发光管到脉搏血氧仪光接收器的光，在遮光板与脉搏血氧仪发光管之间设置有红外光接收器和红光、红外光接收器，在遮光板与脉搏血氧仪光接收器之间设置有红光发光管，所述红外光接收器和红光、红外光接收器分别是接收红外光的第一
硅光
电池和接收红光、红外光的第二硅光电池。
[0008] 方案进一步是，所述红光发光管是由多只红光发光管并排组成。
[0009] 方案进一步是，所述红光发光管是由两只红光发光管并排组成。
[0010] 方案进一步是，所述遮光板是玻璃布环氧
树脂电路板，两个硅光电池并排紧贴电路板安装在电路板的一面，红光发光管安装在电路板的另一面。
[0011] 方案进一步是，所述模拟信息处理模块包括一个
微处理器，围绕微处理器连接设置有显示模块、按键模块、存储模块、通讯模块和
数据处理模块；所述数据处理模块包括：
[0012] 一个由第一电流/电压转换电路连接第一
数模转换电路形成的模拟生理信号直流量电路，第一电流/电压转换电路的输入连接所述红光、红外光接收器；
[0013] 一个由第一数模转换电路直流信号输出连接第二数模转换电路形成的模拟生理信号交流量电路；
[0014] 一个由模拟
开关和第二电流/电压转换电路组成的红光、红外光分离电路；所述第二电流/电压转换电路的电流输入连接所述红外光接收器，第二电流/电压转换电路的电压输出连接模拟开关的控制端，第二数模转换电路交流信号输出和第一数模转换电路直流信号输出分别连接一个所述模拟开关的开关输入端；
[0015] 一个由第三数模转换电路形成模拟生理信号灌注度交流信号输出电路；第三数模转换电路的输入通过所述模拟开关连接第二数模转换电路交流信号输出；
[0016] 一个将第一数模转换电路经模拟开关输出的直流信号和第三数模转换电路灌注度交流信号输出相加形成模拟人体生理参数信号输出电路；
[0017] 所述模拟人体生理参数的信号输出经
放大器连接至所述红光发光管、驱动红光发光管发光；
[0018] 所述微处理器分别设置有第一数模转换控制输出、第二数模转换控制输出和第三数模转换控制输出；所述三个控制输出分别连接第一数模转换电路、第二数模转换电路和第三数模转换电路。
[0019] 方案进一步是，所述数据处理模块还包括一个环境光干扰模块，所述环境光干扰模块是由微处理器控制输出一个经数模转换形成的基准电压信号与
运算放大器组成的一个恒流源，恒流源的输出连接至所述红光发光管。
[0020] 一种基于脉搏血氧仿真系统的脉搏血氧仿真实现方法，包括放置于脉搏血氧仪发光管和脉搏血氧仪光接收器之间的模拟手指模块，模拟手指模块连接一个模拟信息处理模块；其中，所述模拟手指模块包括有一个遮光板，遮光板用于遮挡脉搏血氧仪发光管到脉搏血氧仪光接收器的光，在遮光板与脉搏血氧仪发光管之间并排设置有红外光接收器和红光、红外光接收器，在遮光板与脉搏血氧仪光接收器之间设置有红光发光管，所述模拟信息处理模块包括一个微处理器，围绕微处理器连接设置有显示模块、按键模块、存储模块、通讯模块和数据处理模块；脉搏血氧仪发光管开始发光，所述脉搏血氧仿真实现方法的步骤包括：
[0021] a.根据脉搏血氧仪所采用的定标曲线以及手指厚度信息对所述红光、红外光接收器
输出信号进行调制处理得到直流信号输出的步骤；
[0022] b.根据定标曲线和当前模拟的血氧饱和度、脉率数值对所述直流信号输出进行进一步的信号调制得到交流信号输出的步骤；
[0023] c.对所述交流信号输出进行调制得到灌注度交流信号输出的步骤；
[0024] d.将所述直流信号输出和灌注度交流信号输出相加得到模拟人体生理参数的信号输出的步骤；
[0025] e.所述模拟人体生理参数的信号输出经放大器连接至所述红光发光管、驱动红光发光管发光步骤；
[0026] f.是否需要对环境光进行模拟，如果需要，则执行对红光发光管驱动
叠加一个恒流源的步骤；如果不需要，则直接执行步骤g；
[0027] g.脉搏血氧仪的光接收器接收红光发光管发出的光，分析计算得到结果。
[0028] 方案进一步是，步骤a所述得到直流信号输出的步骤包括对直流信号的红光、红外光信号分离的步骤；以及步骤b所述得到交流信号输出的步骤包括对交流信号的红光、红外光信号分离的步骤。
[0029] 本发明与
现有技术相比具有如下优点： 本发明以生物组织对光的衰减效应为
基础，用发光管的发光强度模拟充血生物组织在不同血氧饱和度及脉搏情况下对红光及红外光的吸收效果，有效解决了血液样本的制备和来源问题，重复性好，
稳定性强；由于整个系统采用了一致性易于保证的电子器件使得对生物组织生理参数的模拟更加的简便、准确。
[0030] 下面结合
附图和
实施例对本发明作一详细描述。
附图说明
[0031] 图1为本发明系统示意图；
[0032] 图2为本发明红光、红外光分离电路示意图；
具体实施方式
[0034] 建立血液循环系统的方法在批量生产脉搏血氧仪时存在血液样本制备和来源问题。本实施例利用发光管的发光强度模拟充血生物组织在不同血氧饱和度及脉搏情况下对红光及红外光的吸收效果，有效解决了血液样本的制备和来源问题。
[0035] 实施例1：
[0036] 一种脉搏血氧仿真系统，参见图1和图2，所述系统包括脉搏血氧仪9以及放置于脉搏血氧仪的发光管（红光发光管91和红外光发光管92）和脉搏血氧仪的光接收器93之间的模拟手指模块，模拟手指模块连接一个模拟信息处理模块；其中，所述模拟手指模块包括有一个遮光板12，遮光板用于遮挡脉搏血氧仪发光管到脉搏血氧仪光接收器的光，在遮光板与脉搏血氧仪发光管之间设置有红外光接收器11和红光、红外光接收器10，在遮光板与脉搏血氧仪光接收器之间设置有红光发光管14；其中，所述红外光接收器和红光、红外光接收器分别是接收红外光的第一硅光电池和接收红光、红外光的第二硅光电池，所述红光发光管是由两只红光发光管并排
串联组成。
[0037] 实施例中，所述红光发光管是由多只红光发光管并排组成，最佳是所述红光发光管是由两只红光发光管并排组成。
[0038] 实施例中，红外光接收器接收到的是一路仅包含红外光信息的信号，用于分离红光和红外光；红外光、红光接收器接收到的信号同时包含红光信息和红外光信息。
[0039] 实施例中，所述遮光板是由玻璃布通过
环氧树脂粘接的电路板，两个硅光电池并排紧贴电路板安装在电路板的一面，红光发光管安装在电路板的另一面。
[0040] 实施例中，所述模拟信息处理模块包括一个微处理器1，围绕微处理器连接设置有显示模块2、按键模块6、存储模块3、通讯模块5、电源模块4和数据处理模块7，电源模块给各个模块供电；所述数据处理模块包括：
[0041] 一个由第一电流/电压转换电路75连接第一数模转换电路71形成的模拟生理信号直流量电路，第一电流/电压转换电路的输入连接所述红光、红外光接收器10；第一数模转换电路接受来自微处理器根据脉搏血氧仪所采用的定标曲线（R曲线）以及手指厚度信息对所述红光、红外光接收器输出信号进行初步的调制处理得到直流信号输出78，其中定标曲线（R曲线）根据脉搏血氧仪进行设置，手指厚度信息可以根据模拟的需要，通过按键选择进行设置；具体的调制处理是将采集到的原始电流信号经过电流到电压转换电路之后，乘上根据定标曲线和手指厚度信息确定的系数得到直流信号输出78，以此来模拟生理信号的直流量部分；
[0042] 一个与第一数模转换电路直流信号输出连接第二数模转换电路72形成模拟生理信号交流量电路；所述第二数模转换电路接受来自微处理器根据脉搏血氧仪所采用的定标曲线和当前模拟的血氧饱和度、脉率数值对所述直流信号输出进行进一步的信号调制得到交流信号输出79，其中定标曲线根据脉搏血氧仪来确定，当前模拟的血氧饱和度、脉率数值通过按键进行设置，具体的方法是根据当前血氧饱和度信息，获得定标曲线中与当前血氧饱和度对应的R值，同时利用处理器1的
定时器，根据当前脉率数值定时给直流信号78乘上与R值相关的系数值，得到交流信号输出79，以此来模拟生理信号的交流量部分；
[0043] 一个由模拟开关713、714和第二电流/电压转换电路76组成的红光、红外光分离电路；所述第二电流/电压转换电路的电流输入连接红外光接收器11，第二电流/电压转换电路的电压输出连接模拟开关的控制端，第二数模转换电路交流信号输出和第一数模转换电路直流信号输出分别连接所述模拟开关的开关输入端；
[0044] 一个由第三数模转换电路73形成模拟生理信号灌注度交流信号输出电路；第三数模转换电路的输入通过所述模拟开关连接第二数模转换电路交流信号输出；所述第三数模转换电路接受来自微处理器根据当前模拟的灌注度信息对所述交流信号输出进行调制得到灌注度交流信号输出710，所述的当前模拟的灌注度信息反映了被检测者的脉动血流情况，即肢体血流灌注能
力。
[0045] 一个将第一数模转换电路经模拟开关输出的直流信号通过放大器74放大后和第三数模转换电路灌注度交流信号输出710相加形成模拟人体生理参数信号输出711的电路；所述模拟人体生理参数的信号输出经放大器13连接至所述红光发光管14、驱动红光发光管发光；
[0046] 所述微处理器分别设置有第一数模转换控制输出、第二数模转换控制输出和第三数模转换控制输出；所述三个控制输出分别连接第一数模转换电路、第二数模转换电路和第三数模转换电路。
[0047] 实施例中，考虑到环境光因素，本实施例所述数据处理模块还包括一个环境光干扰模块8，所述环境光干扰模块是由微处理器控制输出一个经数模转换715形成的基准电压信号与运算放大器组成的一个恒流源，恒流源的输出连接至所述红光发光管。
[0048] 实施例中，交流信号79在第二电流/电压转换电路76的信号712的控制下分离出红光红外光，作为第三个数模转换电路73的参考信号，微处理器1根据当前模拟的灌注度信息对交流信号输出79进行调制处理，模拟出生理信号灌注度的交流信号710；模拟直流量部分的直流信号78经放大器74进行调整之后与携带灌注度信息的交流量部分的交流信号710合成为模拟人体生理参数的信号711并传送给模拟手指，经过电压到电流转换电路后用于驱动红光发光管，利用红光发光管的光强模拟生物组织对光的吸收效果；更具体的描述就是：处理器根据灌注度信息通过第三个数模转换电路给分离之后的红光信号与红外光信号乘上一个与灌注度相关的系数，模拟出生理信号灌注度的交流信号710；直流信号78经放大器74与交流信号710通过放大器进行相加运算合成为模拟人体生理参数的信号
711并传送给模拟手指，经过电压到电流转换电路后驱动红光发光管发光，此时红光发光管的光强模拟的是光信号经过人体生物组织之后的信号。
[0049] 实施例中所述红光、红外光分离电路如图2所示，其中模拟开关713的控制端为“0”时关断，为“1”时导通；而模拟开关714的控制端为“0”时导通，为“1”时关断，第二电流/电压转换电路76输出是一个“0” “1”变换的电压脉冲信号。
[0050] 实施例2：
[0051] 一种基于实施例1脉搏血氧仿真系统的脉搏血氧仿真实现方法，实施例1的内容也是本实施例的内容，参见图1和图3，包括脉搏血氧仪以及放置于脉搏血氧仪发光管和脉搏血氧仪光接收器之间的模拟手指模块，模拟手指模块连接一个模拟信息处理模块；其中，所述模拟手指模块包括有一个遮光板，遮光板用于遮挡脉搏血氧仪发光管到脉搏血氧仪光接收器的光，在遮光板与脉搏血氧仪发光管之间并排设置有红外光接收器和红光、红外光接收器，在遮光板与脉搏血氧仪光接收器之间设置有红光发光管，所述模拟信息处理模块包括一个微处理器，围绕微处理器连接设置有显示模块、按键模块、存储模块、通讯模块和数据处理模块；脉搏血氧仪发光管开始发光，所述脉搏血氧仿真实现方法的步骤包括：
[0052] a.根据脉搏血氧仪所采用的定标曲线以及手指厚度信息对所述红光、红外光接收器输出信号进行调制处理得到直流信号输出的步骤；其中定标曲线（R曲线）根据脉搏血氧仪进行设置，手指厚度信息可以根据模拟的需要，通过按键选择进行设置，具体的调制处理是将采集到的原始电流信号经过电流到电压转换电路之后，乘上根据定标曲线和手指厚度信息确定的系数得到直流信号输出，以此来模拟生理信号的直流量部分；
[0053] b.根据定标曲线和当前模拟的血氧饱和度、脉率数值对所述直流信号输出进行进一步的信号调制得到交流信号输出的步骤；其中定标曲线根据脉搏血氧仪来确定，当前模拟的血氧饱和度、脉率数值通过按键进行设置，具体的方法是根据当前血氧饱和度信息，获得定标曲线中与当前血氧饱和度对应的R值，同时利用处理器的定时器，根据当前脉率数值定时给直流信号乘上与R值相关的系数值，得到交流信号输出，以此来模拟生理信号的交流量部分；
[0054] c.对所述交流信号输出进行调制得到灌注度交流信号输出的步骤；
[0055] d.将所述直流信号输出和灌注度交流信号输出相加得到模拟人体生理参数的信号输出的步骤；
[0056] e.所述模拟人体生理参数的信号输出经放大器连接至所述红光发光管、驱动红光发光管发光步骤；
[0057] f.是否需要对环境光进行模拟，如果需要，则执行对红光发光管驱动叠加一个恒流源的步骤；即：环境光干扰模块在信号经过电压到电流转换电路之后输出的信号基础上迭加一恒流信号驱动发光管发光用于模拟环境光对脉搏血氧仪的干扰；如果不需要，则直接执行步骤g；
[0058] g.脉搏血氧仪的光接收器接收红光发光管发出的光，分析计算得到结果。
[0059] 本实施例中，步骤a所述得到直流信号输出的步骤包括对直流信号的红光、红外光信号分离的步骤；以及步骤b所述得到交流信号输出的步骤包括对交流信号的红光、红外光信号分离的步骤。
[0060] 上述步骤的具体描述如3所示，图3的
框图描述了本方法的流程，参考图1的具体描述是：模拟手指采集红外光红光信息并转换为
电信号传送给模拟信息处理模块，模拟信息处理模块将接收的包含红光、红外光信息的混合信号经过电流到电压转换电路75，将电流信号转换为电压信号77,电压信号77作为第一个数模转换电路71的参考信号，在微处理器1的控制下根据脉搏血氧仪所采用的定标曲线（R曲线）以及手指厚度信息进行初步的信号调制处理，得到直流信号78，以此来模拟生理信号的直流量部分，直流信号78作为第二个数模转换电路72的参考信号，微处理器1根据脉搏血氧仪所采用的定标曲线和当前模拟的血氧饱和度、脉率数值对信号进行进一步的信号调制，得到交流信号79，以此来模拟生理信号的交流量部分，交流信号79在第二电流/电压转换电路76的信号712的控制下分离出红光红外光，作为第三个数模转换电路73的参考信号，微处理器1根据当前模拟的灌注度信息对交流信号79进行调制处理，模拟出生理信号灌注度的交流信号710；模拟直流量部分的直流信号78经放大器74进行调整之后与携带灌注度信息的交流量部分的交流信号710合成为模拟人体生理参数的信号711并传送给模拟手指，经过电压到电流转换电路后用于驱动红光发光管；同时，如果需要模拟环境光的干扰时，微处理器控制数模转换电路（715）输出一基准电压信号，用运算放大器构成一恒流源，恒流源的信号传送给模拟手指，利用红光发光管的光强模拟生物组织对光的吸收效果。
