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作者简介:郑国军(1987-),男,浙江温州人,本科生,生物医学工程专业。【摘要】目的:研制一种基于STM32测量人体多项生理指标的便携式体检装置。方法:以STM32作为核心控制模块控制各检测模块电路工作,再通过A/D口采集各生理量的信号,计算生理参数,将结果显示在液晶屏上并存入SD卡中。结果:该装置很好地测量了包括身高、体重、体温、血压、肺活量、血氧饱和度、心电等多项生理指标。结论:本装置操作简单,人机交互界面友好,性价比高,易于在全国中小型社区中推广使用。�
【关键词】STM32;生理指标;检测电路;液晶屏SD卡�
doi:10.3969/j.issn.1006-1959.2010.08.012文章编号:1006-1959(2010)-08-1989-03�
A portable medical devices based on the STM32ZHENG Guo-jun,DIAO Qiao-qi,XIAO De-rui,WU Jie,NAN Zhi-yi,CHENG Fu-yi,ZENG Bi-xin,XU WeiDepartment of Biomedical Engineering,Wenzhou Medical College,Wenzhou 325035,China�
【Abstract】Objective:To develop a portable medical devices based on STM32 which can be used to measure many physical indicators of human.Methods:STM32 is used as the core control module to control the each test module circuit and sampling the output of the detection circuit to calculate physiological parameters through A/D port,the results will appear in the LCD screen and write into SD card.Results:The device measures of a number of body parameters very well,including height,weight,body temperature,blood pressure,vital capacity,oxygen saturation,ECG and so on.Conclusion:The device is operated simple,the human-computer interaction interface is friendly,Cost-effective,and it is easy to be promoted in communities across the country.�
【Key words】STM32;Physical indicators;Detection circuit;LCD screen;SD card
我国正在大力推进全面小康社会建设,社区卫生医疗体系是其中的一个重点。国外的社区医疗保险制度已经相当成熟,我国的社区卫生医疗体系还处于刚起步阶段。现在的社区医疗现状是:大病小病都往大医院跑,因而大中医院就要承担大部分的医疗压力。虽然政府推出大力发展社区医院的政策,由于社区医院资金紧张不可能配备完善的医疗检测仪器,所以便携式医疗仪器的发展及在社区中推广使用就显得尤为重要。本文设计的一个便携式体检装置,用以检测人体的主要基本生理指标,如身高、体重、血压等,辅助社区医生的诊断。�
1.系统组成及设计方法�
体检箱采用STM32为核心控制模块,该核心模块包括STM32小系统,液晶触摸屏电路,SD卡存储电路,按键电路等常用的面向用户的模块。在STM32核心模块周围外接各种测量生理参数的电路,包括身高模块、体重模块、血压模块、体温模块、肺活量模块、心电模块、血氧饱和度模块等。各模块受STM32控制独立工作,互不影响。STM32控制各个模块测量生理信号,再通过内部的AD采样口对个模块检测得到的电信号进行采集,并根据各个模块的测量要求处理数据,把最后得到的生理指标数据显示到液晶屏上并保存到SD卡中,以便以后复查或则提供给医生查看。系统框图如(图1所示)。�
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图1系统框图�
1.1硬件电路设计:�
1.1.1身高模块:采用超声回波法测量身高。将超声收发探头固定于距离地面2m的高度,根据超声测距的原理测得反射超声波的阻挡物的距离,若忽略超声探头间的距离再通过2m减去此距离便可得到人的身高��[1-2]�。�
超声发射采用换能器TCT40-2T,由STM32发生40Khz的方波。由于端口输出功率不够,40kHz方波脉冲信号分成两路,送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远,满足测量距离要求,最后送给超声波发射换能器TCT40-2T以声波形式发射到空气中。�
超声波接收部分是将反射波接收到超声波接收换能器TCT40-2S,再进行转换变成电信号,并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理,这里使用了索尼公司生产的集成芯片CX20106处理回波信号,得到一个负脉冲送给STM32的外部中断引脚,以产生一个中断。经过计算发射和接受回的信号的时间差经计算可获得身高数据。�
1.1.2体重模块:人体压力若压在电阻应变片上则会使其产生形变,用四个电阻应变片组成全桥臂电路,在加上电源,则根据压在之上的压力的大小会产生相应的电压,再经放大滤波处理即可获得体重压力信号。�
在测种台的四个角上放上四片电阻应变片,其中对角两个是受压力电阻上升的,另外两个是受压力电阻下降型的,这样使四个电阻应变片组成全臂电桥,再经并联零位补偿,使桥臂电阻达到平衡。桥路输出经过差模放大之后再经过电压跟随器得出输出结果,送到STM32模块。�
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图2温度测量电路�
1.1.3体温模块。体温测量采用AD590传感器。AD590是AD公司生产的电流输出型集成温度传感器的代表产品,它是利用PN结正向电流与温度的关系的原理制成的。其测量电路如(图2所示)。当温度为零度时,即热力学温度为273.15K时流出AD590的电流为273.15uA,在10K电阻上产生的电压为2.7315V。根据传感器输出与温度的关系可得温度值为T=U*100-273.15。�
1.1.4血氧饱和度模块:人体动脉的搏动能够造成测试部位血液容量的波动,从而引起光吸收量的变化,当透光区域动脉血管搏动时,动脉血液对光的吸收量将随之变化,称为脉动分量或交流量(AC);而皮肤、肌肉、骨骼和静脉血等其他组织对光的吸收是恒定不变的,称为直流量(DC)。脉搏式血氧饱和度测量技术就是利用这个特点,通过检测血液容量波动引起的光吸收量变化,消除非血液组织的影响,求得血氧饱和度。由于光路径长度变化属于未知量,所以采用两束不同波长的光作为入射光分别照射被测区域,即双光束法。双波长法测量脉搏式血氧饱和度的线性经验公式为��[3]�。�
SpO�2=A+B×I��AC��λ/I��DC��λI��AC���λ�2�/I��DC���λ�2�
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其中A、B是经验常数,可以通过定标确定。�
为减少组织对测量精度的影响,选择光波波长时,要求氧合血红蛋白HbO2和还原血红蛋白Hb对该波长的吸光系数要大于非血液组织对它的吸光系数,但不要太大使透过部分难于检测。根据入射光波长和吸收系数之间的关系,最终选取了650nm和940nn这两个波长。�
本装置采用两路发光管交替发光采集脉搏波信号,使用硅光电池接受信号。再经放大滤波处理传输给STM32。�
1.1.5肺活量模块:人体呼出的气流通过截流装置形成差压,接入MPX5010DP产生电压信号,将电压信号进行放大(10倍左右)和0.014Hz~8Hz的带通滤波处理,即可获得与瞬时流量相对应的电压,送到STM32进行采样后,再在程序里对流速进行积分即可获得肺活量值。�
1.1.6血压模块:我们采用测振法测量血压。利用STM32控制电机打气,再控制泄气阀将袖袋内的气体逐渐放掉,用压力传感器检出袖带内的压力和微弱的脉搏振荡信号,再经放大电路放大,送入A/D转换器,经过STM32处理得到收缩压和舒张压。�
其中压力传感器选择GXP5050。MPX5050GP是Motorala公司生产的一款采用离子注入工艺生产的压力传感器,其压敏电阻元件是利用离子注入工艺光刻在单个硅膜片上,同时采用计算机控制的激光修正技术和温度补偿技术,使得MPX5050GP压力传感器精度极高,具有广泛的应用范围。�
MPX5050GP的输出直接一路接A/D采样获得血压值,另一路经RC网络及放大得到心脏收缩信号送另一路A/D。心脏收缩信号随着袖带压力的减小先减小再增大,如(图3所示)。我们设定一个阈值(定标得到),在阈值处测量当时袖带内压力即为血压。�
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图3脉搏波的幅度变化情况�
1.1.7心电模块:心电模块的具体设计步骤如(图4所示)。对由电极采集到的心电信号,先通过前置放大,将微弱的心电信号高保真放大,再通过低通滤波、高通滤波及50Hz陷波滤除干扰,最后进行A/D转换��[4]�。�
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图4心电提取步骤�
理论上,人体任意两点之间都存在心电引起的电位差,两个电极即可实现心电测量。但是,在采集心电信号过程中,必须设法消除或降低来自交流市电共模电压的干扰,工程上常用“右脚驱动”的方法来消除,因此这里我们使用3个电极来提取心电信号,即左右手和右脚。�
前置放大电路采用差分方式输入,形成差模信号。为了提高精度,使用高精度仪表放大器AD620作为心电的前置放大器的运放。前置放大电路由输入跟随、仪用放大器、右腿浮地驱动等3部分组成。�
滤波电路中,低通滤波器采用归一化设计的BUTTERWORTH四阶低通滤波,截止频率fH为100Hz。高通电路中由于噪声主要集中于0.03Hz～2Hz,为了尽可能在不影响心电信号的情况下尽量多的滤除干扰,选择截止频率f��L�为0.036Hz。50Hz陷波电路中采用“双T带阻滤波”电路来滤除工频干扰。�
经过陷波器后的心电信号是双极性,由于系统中的A/D芯片只能量化单极性信号,所以必须使用电平提升电路把双极性信号转化为单极性信号。�
1.2软件设计:STM32的包括处理用户按键数据输入,定时外部中断控制超声测量身高,A/D采样体温、体重、肺活量、心电等信号。控制电机打气,泄气阀放气并测量血压值。将测得的信号显示在液晶屏上。其流程图如(图5所示)。�
2.结果�
STM32显示界面如(图6所示)。其中准水银体温计和体检装置实验对比,所有体有误差≤0.1℃;体重测量的误差≤2公斤;标准水银血压计和体检装置实验对比,所有收缩压和舒张压数据误差小于7%;卷尺测量结果和体检装置实验对比,所有误差≤1cm;均能够满足监护要求。�
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图5程序整体流程图�
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图6显示界面图�
3.结束语�
经实验测量结果显示,该设计方案成本低,功能完善,操作简单,人机界面友好,非常人性化。随着人们对健康的关注度越来越高,国家对医疗事业越来越重视,该便携式体检箱将有很广的应用前景。本文的创新点在于集成了多项测量人体生理数据功能于一体,应用液晶彩屏显示,并将结果保存,非常人性化。
参考文献�
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