醫療電子嵌入式實驗平臺設計及應用

劉昕宇, 羅戴維, 陳 昕, 汪天富, 汪常樂

(1. 深圳大學 生物醫學工程教學實驗中心, 廣東 深圳 518000； 2. 深圳信息職業技術學院, 廣東 深圳 518172)

生物醫學工程是一門理工醫相結合的交叉學科,是一門新興的邊緣學科[1]。生物醫學工程學科主要的研究方向有醫學超聲及圖像處理、體外診斷儀器、生命信息監測、分子影像等,其涉及科學領域較為廣泛,除生物學、醫學外,還有電子學、計算機科學、光學、化學和機械學等。該專業要求學生深入掌握生物技術、電子技術,計算機技術,同時也能勝任醫療器械生產開發、維修管理等相關工作。

1 醫學嵌入式系統課程介紹

醫學嵌入式系統,是深圳大學為生物醫學工程專業開設的特色課程,是一門集理論學習與課程實踐為一體的綜合性課程。該課程以嵌入式系統技術原理為基礎,以培養學生扎實的專業知識理論。配套的醫學嵌入式系統實驗課程,使學生將從課堂中學到的理論轉換為現實,對培養學生的實踐能力及養成良好工程意識有著重要意義。該課程要求學生在學習傳統嵌入式系統課程的基礎上,對血壓計、監護儀、生化分析儀等常用醫療器械的關鍵技術部件進行了解和運用,為學生今后的實習與就業打下基礎。

本文研制了一套功能全備的醫療電子嵌入式實驗平臺,該平臺采用目前市面上流行的基于Cortex-M3內核的STM32嵌入式單片機作為主控芯片,配合多種嵌入式系統通用技術模塊,同時加入了生物醫學工程專業特色的醫學生理參數模塊[2]。該實驗平臺能有效幫助學生在學習的過程中,掌握嵌入式系統的基本原理,同時也能夠對醫療儀器的開發有初步的認識和了解,極大地增加了學生對本專業的學習熱情[3]。

2 平臺系統設計

本實驗平臺采用意法半導體公司STM32嵌入式單片機,作為一款工業領域常用的微控制器,該芯片高性能、低成本、低功耗等優點,在實驗教學中具有很強的實用性。平臺外部搭載觸控液晶屏、7段數碼管、流水燈、蜂鳴器、RGB、鍵盤、步進電機、藍牙、WIFI等通用性實驗模塊,同時配置了血壓、心電、血氧飽和度、體溫等生理參數模塊見圖1。

圖1 系統功能模塊

2.1 基于Cortex-M3內核的最小系統模塊

該平臺的最小系統模塊由基于Cortex-M3內核的STM32F103ZET6嵌入式單片機、多通道電源模塊、晶振和RST等組成。該單片機內置512 kB Flash,最高支持72 MHz工作頻率,內置4個16位定時器,12通道的DMA控制器,3路12位AD轉換器,并有多達112個快速I/O端口,支持I2C、UART、CAN、USB等多種通信接口[4-5]。鑒于該單片機在工業領域應用的廣泛性,本平臺特意選取其為主控芯片。

系統的電源部分采用24 V/3 A電源適配器進行外部供電,其輸出功率保證了實驗平臺各種大功率器件(步進電機、觸控液晶屏等)正常運行。平臺內部電源模塊采用LM2596和AMS1117等不同類型的電源芯片,形成+24 V、+12 V、+5 V、+3.3 V、+1.8 V等電源網絡。需要注意的是,功率器件和普通IC器件在接地時,需要將兩種地網絡進行分開布線,并用磁珠進行隔離,以防止影響芯片的穩定性[6-7]。

2.2 輸入控制模塊

系統的輸入控制模塊包括常用的矩陣鍵盤、撥位開關、和模擬/數字信號轉換器等傳統的通用技術模塊,還增加了儀器中常見的光耦開關模塊。該模塊主要實現輸入或者采集操作。

2.3 輸出控制模塊

本平臺的通用輸出控制模塊功能十分強大,不僅包含通用的蜂鳴器、LED流水燈、7段數碼管等嵌入式實驗平臺常用部件,還增加了例如RGB燈珠、高精度步進電機驅動模塊、彩色觸控液晶屏等當今醫療電子設備中的常用器件。使學生在實驗課中熟悉這些模塊的控制和操作,以便在日后的工作中更好地運用[8]。

2.4 通信模塊

隨著計算機技術的日益發展,傳統單片機基于串口的單一通信模式已經不能滿足社會對于電子產品的需求。針對此情況,本平臺設計了多種通信模塊,使學生在學習時,不僅可以使用串口、USB模塊與上位機進行通信,也可以使用藍牙、WIFI等無線通信模塊，與手機、平板電腦進行協同開發。以多種通信方式開發學生的創新思維,提升學生的綜合競爭力。

3 醫療電子部件設計

本實驗平臺的醫療電子部件選用深圳大學生物醫學工程實驗中心自主研發的生理參數模塊(見圖2),其集成了血壓、心電、血氧飽和度、體溫、呼吸等多種測量模塊于一體的綜合性功能模塊,可同時完成多項生命體征監測任務。該模塊通過串口與主控芯片進行數據傳輸,并可將測量結果顯示在觸控液晶屏上。

圖2 實驗中心自主研發的生理參數模塊

3.1 血壓測量模塊

血壓測量模塊包括充氣泵、電磁閥、壓力傳感器等裝置,該模塊具有收縮壓、平均壓、舒張壓和脈率等參數的監測功能,血壓測量范圍可達0～300 mmHg,精度±2 mmHg。學生通過學習各種裝置的使用來完成人體血壓測量,并將袖帶壓、脈率數據實時顯示到液晶屏上。該血壓測量算法由實驗指導教師提供,對于水平較高的學生亦可讓他們獨立開發血壓測量算法。

3.2 心電信號測量模塊

心電信號測量模塊采用3導聯獨立通道,可同時監測3路心電數據,并帶有1路呼吸參數,2路體溫監測功能,可設置為診斷、監護、HARDEST和手術測量模式,并支持心律失常診斷監護。學生在進行實驗的同時,不僅可以將多路心電信號顯示在液晶屏上,也可以通過藍牙、WIFI等多種通信模塊發送到電腦和手機上,為他們今后研發可穿戴醫療設備、POCT型儀器等打下基礎。

3.3 血氧飽和度測量模塊

血氧飽和度測量模塊采用基于紅外光譜吸收的光學傳感器,擁有脈搏氧、脈率和灌注指數的監測功能,通過AD轉換器與主控模塊連接,可實時傳輸基于紅外光譜吸收的脈搏波信號。該模塊的測量精度可達±2%,并且采用先進的抗運動算法,具有強抗運動性能。本實驗平臺為學生配備了與臨床相同規格的血氧飽和度探頭,使得學生在實驗課程中所學到的知識可以和今后的工作進行無縫連接。

4 實驗課程及教學應用

醫療電子嵌入式實驗平臺的實物見圖3,實驗中心經過2015—2017年的不斷改進,已于2017年第二學期投入推廣使用,面向我校生物醫學工程2015級本科生進行醫學嵌入式系統實驗教學。實驗平臺包括實驗箱主機,并配有血壓袖帶、心電信號導聯線、體溫傳感器和血氧傳感器等。

圖3 醫療電子嵌入式實驗平臺實物

針對該課程的實際需求,設計了多層次、分等級的實驗課程,實現梯次配置、循序漸進的教學模式[9]。該課程總計14次實驗課,每節課2課時,所開設的實驗項目見表1。首先從基礎類實驗開始,讓學生了解STM32單片機的基本操作,并熟悉各種外部資源的配置方法；在此基礎上開展通用性實驗,使學生逐步掌握實驗平臺各類外設模塊的用法。通過這一階段的學習,學生應該熟悉使用STM32單片機,并具備基本的開發能力。對于完成了前2個階段學習的學生,將開放所有創新性實驗課程,在這個階段主要以學生自己動手為主,教師提供一些算法類指導,并以產品級的標準要求學生[10]。對于一些基礎較好,或者已經有過STM32單片機開發經驗的學生,可以直接進入創新性實驗,并可以設計更深層次的綜合性實驗,讓學生提早接觸到醫療儀器研發和調試的常用方法[11]。

表1 配套實驗教學項目

5 結語

本文設計的醫療電子嵌入式實驗平臺不僅滿足了該課程的基礎實驗教學需求,強化了醫學嵌入式系統課程承前啟后的作用。教學實踐表明,基于本平臺的實驗教學鞏固了學生的專業知識,使學生對嵌入式單片機和電子電路有了更深入的了解,同時增加的創新性實驗內容也提升了學生們的學習興趣,對提高學生的工程實踐能力以及課程的教學質量具有很強的推動作用[12]。