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

（溫州醫科大學生物醫學工程系，浙江 溫州 325035）

0 引言

隨著社會醫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注越來越多。家庭醫療的重心由原來的疾病治療為主轉為預防為主，體溫計、血壓計、血氧儀、心電監護儀等監護產品逐漸被引入人們的日常生活中。近些年，醫療監護儀由單純診斷向多功能方向發展，從醫療機構擴展到家庭醫療保健市場當中。

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

1 系統基本工作原理

1.1 心電測量基本原理

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

本產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 與袖套壓力波的關系來判別血壓。其原理是由檢測裝置內的壓力傳感器感知袖帶下的肱動脈最初和最大搏動，將壓力信號轉換為電信號經過放大、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定的相關性，因此利用示波原理測量的血壓結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字化，再發送到數字處理芯片中進行數字信號處理和控制設計。芯片包括了電流-電壓轉換器，連續積分器并具有可編程的采樣范圍，模數轉換器和數字濾波等功能，可以獲得精確的結果。由于這些功能集成在單芯片內部，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：本產品采用微型的嵌入式HY11P32 芯片（體溫測量），根據熱敏電阻（Thermistor）不同溫度對應不同電阻值這一特性，即可以通過測量電阻值實現溫度測量。

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化為電壓變量。

2 儀器硬件設計

2.1 整體系統構思圖（圖1）

圖1 系統整體框圖

（1）單片機STM32L（主控芯片）；（2）ARM Cortex-M3 32MHz 處理器；（3）內置64～128K 字節閃存，16K 字節RAM 和最多4K 字節EEPROM；（4）2 個子系列：子系列間管腳、軟件和外設兼容；（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 執行加動態電壓調節(3 種模式)，經濟功耗低達230uA/MHz。

2.2 心電檢測模塊（圖2）

圖2 BMD101 應用模塊

采用導聯法測量心電信號，將檢測到的導聯信號通過高通濾波器、模擬端變換、數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，經過SPI 口由無線射頻芯片進行無線發送。測量所用該傳感器核心芯片為BMD101，單導聯信號輸入，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，經過前置級放大、濾波等信號處理電路，將其轉變成脈沖電壓信號，再利用32 單片機對數據進行計算處理分析；將處理后的信號再次轉化為模擬信號后藍牙端傳輸。此硬件設計用到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，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換為電信號后送由放大器，輸出端電壓在0—5V 之間。經濾波作用及A/D 轉換送RAM后由CPU 處理，剔除干擾，檢出真正脈搏波，并根據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 數碼顯示測量最終結果。

2.6 GSM 短信提醒模塊（圖6）

通過檢測儀中GSM 模塊，將此信息發送給患者的親屬，使之對患者加以關注。

圖6 GSM 模塊圖

3 軟件設計（圖7）

軟件部分設計以良好的用戶體驗為原則，分為心電監測、血壓監測、血氧監測、體溫監測、報警和我的記錄六個模塊。開發工具使用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，降低了開發難度。

圖7 APP 主界面設計圖

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