高性能生物信號檢測儀

曹 妮 范夢穎 丁 煊 傅曉慶 楊佳紅 陳付毅

（溫州醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程系，浙江 溫州 325035）

0 引言

隨著社會醫(yī)療水平的提升和人類平均壽命的增長。人們在享受生活的同時對于自身健康狀況的關(guān)注越來越多。家庭醫(yī)療的重心由原來的疾病治療為主轉(zhuǎn)為預(yù)防為主，體溫計、血壓計、血氧儀、心電監(jiān)護儀等監(jiān)護產(chǎn)品逐漸被引入人們的日常生活中。近些年，醫(yī)療監(jiān)護儀由單純診斷向多功能方向發(fā)展，從醫(yī)療機構(gòu)擴展到家庭醫(yī)療保健市場當中。

和現(xiàn)有監(jiān)護儀相比較，本文涉及的檢測儀具有以下優(yōu)勢：（1）檢測功能強大：集多項監(jiān)測技術(shù)于一身，設(shè)計人性化且集成化程度高，可以長時間監(jiān)測心電、血氧飽和度、血壓、體溫等生理參數(shù)或波形，為用戶的健康提供全面呵護；（2）小巧便捷：設(shè)計輕巧，便于攜帶；（3）回放查詢：具有多數(shù)據(jù)列表和趨勢圖功能，支持數(shù)據(jù)的回放和查看；（4）心律異常提示：具有心率異常實時分析及GSM 報警功能，時刻關(guān)注健康狀況。

1 系統(tǒng)基本工作原理

1.1 心電測量基本原理

心臟在機械性收縮之前，首先產(chǎn)生電激動，產(chǎn)生生物電流，并經(jīng)組織和體液的傳導至體表，于身體不同部位產(chǎn)生不同的電位變化，形成體表電位差。把這種變化著的電位差記錄下來，形成動態(tài)曲線，即為心電圖（ECG）。

本產(chǎn)品的心電信號采集使用世界上最小的心電SOC 芯片——BMD101，只要將指尖（最好使用酒精清潔過后）放于檢測電極上就可檢測心電的實時變化。

1.2 血壓測量基本原理

采用測振法測量，通過建立收縮壓Ps、舒張壓Pd、平均壓Pm 與袖套壓力波的關(guān)系來判別血壓。其原理是由檢測裝置內(nèi)的壓力傳感器感知袖帶下的肱動脈最初和最大搏動，將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)過放大、濾波處理，提取靜壓直流分量和脈動交流分量，并給予相應(yīng)的采集處理，獲取所需的被測量。

與柯氏音法相比，示波法不依賴與柯氏聽音，抗環(huán)境干擾能力強，同時排除了操作者主觀因素的影響，具有較廣的適用范圍。此外，由于脈搏波與血壓有較為穩(wěn)定的相關(guān)性，因此利用示波原理測量的血壓結(jié)果比柯氏音法更為準確。

1.3 血氧飽和度測量基本原理

首先將采集到的光電流分量并進行數(shù)字化，再發(fā)送到數(shù)字處理芯片中進行數(shù)字信號處理和控制設(shè)計。芯片包括了電流-電壓轉(zhuǎn)換器，連續(xù)積分器并具有可編程的采樣范圍，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波等功能，可以獲得精確的結(jié)果。由于這些功能集成在單芯片內(nèi)部，還有利于噪聲的處理。

1.4 體溫測量基本原理

溫度測量原理：本產(chǎn)品采用微型的嵌入式HY11P32 芯片（體溫測量），根據(jù)熱敏電阻（Thermistor）不同溫度對應(yīng)不同電阻值這一特性，即可以通過測量電阻值實現(xiàn)溫度測量。

人體溫度測量原理：測量將熱敏電阻與參比電阻接成非平衡惠斯通電橋測溫電路，把人體的溫度變化的電阻阻值變量轉(zhuǎn)化為電壓變量。

2 儀器硬件設(shè)計

2.1 整體系統(tǒng)構(gòu)思圖（圖1）

圖1 系統(tǒng)整體框圖

（1）單片機STM32L（主控芯片）；（2）ARM Cortex-M3 32MHz 處理器；（3）內(nèi)置64～128K 字節(jié)閃存，16K 字節(jié)RAM 和最多4K 字節(jié)EEPROM；（4）2 個子系列：子系列間管腳、軟件和外設(shè)兼容；（5）超低能耗：低至185uA/DMIPS；（6）6 種超低功耗模式：功耗最低可達270nA；（7）超低功耗動態(tài)模式：低功耗運行時功耗低至10.4uA，低功耗睡眠且有1 個定時器運行時功耗低至6.1uA；（8）運行模式，代碼從FLASH 執(zhí)行加動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(3 種模式)，經(jīng)濟功耗低達230uA/MHz。

2.2 心電檢測模塊（圖2）

圖2 BMD101 應(yīng)用模塊

采用導聯(lián)法測量心電信號，將檢測到的導聯(lián)信號通過高通濾波器、模擬端變換、數(shù)字端處理等一系列的信號處理，傳給單片機進行AD 采樣后得到心電信號，經(jīng)過SPI 口由無線射頻芯片進行無線發(fā)送。測量所用該傳感器核心芯片為BMD101，單導聯(lián)信號輸入，快速完成心電信號采集。

2.3 血氧測量模塊（圖3）

圖3 模塊構(gòu)思圖

使用波長660 nm 的紅光和940 nm 的近紅外光作為射入光源，測定通過手指的光傳導強度，再利用光電傳感器采集信號，經(jīng)過前置級放大、濾波等信號處理電路，將其轉(zhuǎn)變成脈沖電壓信號，再利用32 單片機對數(shù)據(jù)進行計算處理分析；將處理后的信號再次轉(zhuǎn)化為模擬信號后藍牙端傳輸。此硬件設(shè)計用到TI 公司測血氧度芯片AFE4490，無需過多外部電路。

2.4 體溫檢測模塊（圖4）

圖4 體溫測量電路

測量溫度變化是利用測量Thermistor 上的電壓變化 參考電阻RF，作用分壓，SD18 通過RF 獲得參考電壓，測量到的電阻值是否精確與參考電阻的精度有關(guān)，所以必須保證參考電阻的精度。

2.5 血壓測量模塊（圖5）

圖5 血壓模塊圖

采用的傳感器是MP3V5050。測試時，由CPU 控制下的泵氣電路對泵閥控制，快速充氣，臺階放氣，最后再快速放氣。袖套內(nèi)的壓力是氣袖靜壓和脈搏波信號的疊加，壓力傳感器把壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號后送由放大器，輸出端電壓在0—5V 之間。經(jīng)濾波作用及A/D 轉(zhuǎn)換送RAM后由CPU 處理，剔除干擾，檢出真正脈搏波，并根據(jù)放氣過程中脈搏波的振幅變化確定平均壓，再確定收縮壓和舒張壓，由脈搏波的周期確定心率。通過LED 數(shù)碼顯示測量最終結(jié)果。

2.6 GSM 短信提醒模塊（圖6）

通過檢測儀中GSM 模塊，將此信息發(fā)送給患者的親屬，使之對患者加以關(guān)注。

圖6 GSM 模塊圖

3 軟件設(shè)計（圖7）

軟件部分設(shè)計以良好的用戶體驗為原則，分為心電監(jiān)測、血壓監(jiān)測、血氧監(jiān)測、體溫監(jiān)測、報警和我的記錄六個模塊。開發(fā)工具使用Eclipse，可以與Android 等第三方軟件進行無縫隙連接，也可集合各種插件使用，降低了開發(fā)難度。

圖7 APP 主界面設(shè)計圖

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