基于STM32的便攜體檢裝置的設計與實現 - 全文

我國正在大力推進全面小康社會建設，社區衛生醫療體系是其中的一個重點。國外的社區醫療保險制度已經相當成熟，我國的社區衛生醫療體系還處于剛起步階段。現在的社區醫療現狀是: 大病小病都往大醫院跑，因而大中醫院就要承擔大部分的醫療壓力。雖然政府推出大力發展社區醫院的政策，由于社區醫院資金緊張不可能配備完善的醫療檢測儀器，所以便攜式醫療儀器的發展及在社區中推廣使用就顯得尤為重要。本文設計的一個便攜式體檢裝置，用以檢測人體的主要基本生理指標，如身高、體重、血壓等，輔助社區醫生的診斷。

1．系統組成及設計方法

體檢箱采用STM32 為核心控制模塊，該核心模塊包括STM32 小系統，液晶觸摸屏電路，SD 卡存儲電路，按鍵電路等常用的面向用戶的模塊。在STM32 核心模塊周圍外接各種測量生理參數的電路，包括身高模塊、體重模塊、血壓模塊、體溫模塊、肺活量模塊、心電模塊、血氧飽和度模塊等。各模塊受STM32 控制獨立工作，互不影響。STM32 控制各個模塊測量生理信號，再通過內部的AD 采樣口對個模塊檢測得到的電信號進行采集，并根據各個模塊的測量要求處理數據，把最后得到的生理指標數據顯示到液晶屏上并保存到SD 卡中，以便以后復查或則提供給醫生查看。系統框圖如( 圖1 所示) 。

1． 1 硬件電路設計:

1． 1． 1 身高模塊:

采用超聲回波法測量身高。將超聲收發探頭固定于距離地面2m 的高度，根據超聲測距的原理測得反射超聲波的阻擋物的距離，若忽略超聲探頭間的距離再通過2m 減去此距離便可得到人的身高［1 － 2］。
超聲發射采用換能器TCT40 － 2T，由STM32 發生40Khz 的方波。由于端口輸出功率不夠， 40kHz 方波脈沖信號分成兩路，送給一個由74HC04 組成的推挽式電路進行功率放大以便使發射距離足夠遠，滿足測量距離要求，最后送給超聲波發射換能器TCT40 － 2T 以聲波形式發射到空氣中。

超聲波接收部分是將反射波接收到超聲波接收換能器TCT40 － 2S，再進行轉換變成電信號，并對此電信號進行放大、濾波、整形等處理，這里使用了索尼公司生產的集成芯片CX20106 處理回波信號，得到一個負脈沖送給STM32 的外部中斷引腳，以產生一個中斷。經過計算發射和接受回的信號的時間差經計算可獲得身高數據。

1． 1． 2 體重模塊:

人體壓力若壓在電阻應變片上則會使其產生形變，用四個電阻應變片組成全橋臂電路，在加上電源，則根據壓在之上的壓力的大小會產生相應的電壓，再經放大濾波處理即可獲得體重壓力信號。在測種臺的四個角上放上四片電阻應變片，其中對角兩個是受壓力電阻上升的，另外兩個是受壓力電阻下降型的，這樣使四個電阻應變片組成全臂電橋，再經并聯零位補償，使橋臂電阻達到平衡。橋路輸出經過差模放大之后再經過電壓跟隨器得出輸出結果，送到STM32 模塊。

圖2 溫度測量電路

1． 3 體溫模塊

體溫測量采用AD590 傳感器。AD590 是AD 公司生產的電流輸出型集成溫度傳感器的代表產品，它是利用PN 結正向電流與溫度的關系的原理制成的。其測量電路如( 圖2 所示) 。當溫度為零度時，即熱力學溫度為273． 15K 時流出AD590 的電流為273． 15uA，在10K 電阻上產生的電壓為2． 7315V。根據傳感器輸出與溫度的關系可得溫度值為T = U
* 100 － 273． 15。

1． 1． 4 血氧飽和度模塊:

人體動脈的搏動能夠造成測試部位血液容量的波動，從而引起光吸收量的變化，當透光區域動脈血管搏動時，動脈血液對光的吸收量將隨之變化，稱為脈動分量或交流量( AC) ; 而皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等其他組織對光的吸收是恒定不變的，稱為直流量( DC) 。脈搏式血氧飽和度測量技術就是利用這個特點，通過檢測血液容量波動引起的光吸收量變化，消除非血液組織的影響，求得血氧飽和度。由于光路徑長度變化屬于未知量，所以采用兩束不同波長的光作為入射光分別照射被測區域，即雙光束法。雙波長法測量脈搏式血氧飽和度的線性經驗公式為［3］。

其中A、B 是經驗常數，可以通過定標確定。

為減少組織對測量精度的影響，選擇光波波長時，要求氧合血紅蛋白HbO2 和還原血紅蛋白Hb 對該波長的吸光系數要大于非血液組織對它的吸光系數，但不要太大使透過部分難于檢測。根據入射光波長和吸收系數之間的關系，最終選取了650nm 和940nn 這兩個波長。
本裝置采用兩路發光管交替發光采集脈搏波信號，使用硅光電池接受信號。再經放大濾波處理傳輸給STM32。

1． 1． 5 肺活量模塊:

人體呼出的氣流通過截流裝置形成差壓，接入MPX5010DP 產生電壓信號，將電壓信號進行放大( 10 倍左右) 和0． 014Hz ～8Hz 的帶通濾波處理，即可獲得與瞬時流量相對應的電壓，送到STM32 進行采樣后，再在程序里對流速進行積分即可獲得肺活量值。

1． 1． 6 血壓模塊:

我們采用測振法測量血壓。利用STM32 控制電機打氣，再控制泄氣閥將袖袋內的氣體逐漸放掉，用壓力傳感器檢出袖帶內的壓力和微弱的脈搏振蕩信號，再經放大電路放大，送入A/D 轉換器，經過STM32 處理得到收縮壓和舒張壓。

其中壓力傳感器選擇GXP5050。MPX5050GP 是Motorala 公司生產的一款采用離子注入工藝生產的壓力傳感器，其壓敏電阻元件是利用離子注入工藝光刻在單個硅膜片上，同時采用計算機控制的激光修正技術和溫度補償技術，使得MPX5050GP 壓力傳感器精度極高，具有廣泛的應用范圍。MPX5050GP 的輸出直接一路接A/D 采樣獲得血壓值，另一路經RC 網絡及放大得到心臟收縮信號送另一路A/D。心臟收縮信號隨著袖帶壓力的減小先減小再增大，如( 圖3 所示) 。我們設定一個閾值( 定標得到) ，在閾值處測量當時袖帶內壓力即為血壓。

圖3 脈搏波的幅度變化情況

1． 1． 7 心電模塊:

心電模塊的具體設計步驟如( 圖4 所示) 。對由電極采集到的心電信號，先通過前置放大，將微弱的心電信號高保真放大，再通過低通濾波、高通濾波及50Hz 陷波濾除干擾，最后進行A/D 轉換［4］。

圖4 心電提取步驟

理論上，人體任意兩點之間都存在心電引起的電位差，兩個電極即可實現心電測量。但是，在采集心電信號過程中，必須設法消除或降低來自交流市電共模電壓的干擾，工程上常用“右腳驅動”的方法來消除，因此這里我們使用3 個電極來提取心電信號，即左右手和右腳。

前置放大電路采用差分方式輸入，形成差模信號。為了提高精度，使用高精度儀表放大器AD620 作為心電的前置放大器的運放。前置放大電路由輸入跟隨、儀用放大器、右腿浮地驅動等3 部分組成。

濾波電路中，低通濾波器采用歸一化設計的BUTTERWORTH 四階低通濾波，截止頻率fH 為100Hz。高通電路中由于噪聲主要集中于0． 03Hz ～2Hz，為了盡可能在不影響心電信號的情況下盡量多的濾除干擾，選擇截止頻率fL為0． 036Hz。50Hz 陷波電路中采用“雙T 帶阻濾波”電路來濾除工頻干擾。

經過陷波器后的心電信號是雙極性，由于系統中的A/D 芯片只能量化單極性信號，所以必須使用電平提升電路把雙極性信號轉化為單極性信號。

1． 2 軟件設計:

STM32 的包括處理用戶按鍵數據輸入，定時外部中斷控制超聲測量身高，A/D 采樣體溫、體重、肺活量、心電等信號。控制電機打氣，泄氣閥放氣并測量血壓值。將測得的信號顯示在液晶屏上。其流程圖如( 圖5 所示) 。

2．結果

STM32 顯示界面如( 圖6 所示) 。其中準水銀體溫計和體檢裝置實驗對比，所有體有誤差≤0． 1℃; 體重測量的誤差≤2 公斤; 標準水銀血壓計和體檢裝置實驗對比，所有收縮壓和舒張壓數據誤差小于7%; 卷尺測量結果和體檢裝置實驗對比，所有誤差≤1cm; 均能夠滿足監護要求。