基于無線探頭的肝儲備功能檢測儀的設計

鐘云靖　李凱揚

摘 要： 為了檢測人體脈搏和血氧信號，評估人體的肝臟儲備功能，開發(fā)一種基于無線探頭的三波長肝儲備功能檢測儀。設備以STM32微處理器為核心設計了模擬式信號采集探頭，然后利用nRF24L01射頻模塊建立探頭與主機之間的無線數(shù)據(jù)通信，最后設備在基于S3C2440平臺的主機上對數(shù)據(jù)進行處理和顯示。測試結果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠實時有效地檢測人體相關生理參數(shù)，而且功能強大，使用方便，具備臨床實用性。

關鍵詞： 肝儲備功能； STM32； nRF24L01； 信號采集； 無線傳輸

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0001?04

Abstract： In order to detect the human body′s pulse and blood oxygen signal， and evaluate the liver reserve function of the human body， a new three?wavelength liver reserve function detector based on wireless probe was developed. The analog signal acquisition probe was designed by taking STM32 MCU as the core. The RF module nRF24L01 is used to realize the wireless data transmission between the probe and host computer. The data is processed and displayed on the S3C2440?based host computer. The test results show that the detector has stable and reliable running， and can effectively detect the physiological parameters related to human body in real time. The detector has powerful function， convenience use， and clinical practicability.

Keywords： liver reserve function； STM32； nRF24L01； signal acquisition； wireless transmission

0 引 言

肝儲備能力評估在臨床上具有重要意義，是肝葉切除手術之前評估切肝量的重要依據(jù)。肝儲備功能的評估方法有很多，吲哚青綠（Indocyanine Green，ICG）排泄試驗就是其中一種。20世紀70年代，日本人Aoyagi以朗伯?比爾定律[1?2]為基礎提出脈搏分光光度法[3]用來計算血氧飽和度。此后他又改進[4]此方法，結合ICG排泄試驗，提出脈搏染料密度分光光度法，用來測量動脈血中ICG的濃度，以此來評價肝的儲備功能。

本文介紹了一種基于脈搏染料密度分光光度法的三波長肝儲備功能檢測儀，設備包括無線探頭和主機。其中，探頭采集人體信號后通過射頻模塊進行無線傳輸，打破了傳統(tǒng)設備的探頭與主機“一對一”的固定模式，可以建立多個探頭與一臺主機之間“多對一”的數(shù)據(jù)傳輸鏈，實現(xiàn)多人同時檢測，提高了設備的使用效率；主機基于ARM S3C2440平臺，接收并處理數(shù)據(jù)，代入相關公式[5]后可以計算出血氧參數(shù)和ICG濃度，實現(xiàn)了對肝臟儲備能力的有效檢測。

1 硬件設計

如圖1所示，設備硬件結構主要由無線探頭和主機組成。首先，由分布在手指兩側的發(fā)光二極管和光電芯片組成的探頭前端采集信號，然后送入模擬信號處理電路進行放大、信號分離、濾波，再經(jīng)STM32處理器A/D轉換，最后通過nRF14L01模塊發(fā)送出去；主機以S3C2440平臺為核心，通過nRF14L01接收數(shù)據(jù)，然后進行相應處理。

1.1 探頭前端

動脈的搏動改變了動脈血液的光程長，動脈血液對光的吸收量也隨之改變[6]，探頭前端用來實現(xiàn)對光吸收變化量的有源探測。人體指尖動脈成分含量高，且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強相對較大，因此通常選取人體指尖作為測量對象。

探頭前端的探測光源選擇了Epitex公司的L660/805/940?35B42芯片，該芯片集成了三個波長（660 nm，805 nm，940 nm）的發(fā)光二極管，體積小，照射區(qū)域集中、便于光電轉換。二極管芯片由單片機輸出的三路時序信號分時驅動發(fā)光，光透過手指后的強度變化反應了人體的脈搏血氧信息[7]。光電探測芯片采用的是TI公司生產(chǎn)的OPT101，它的靈敏度較高，且集成了前置放大器單元，輸出的電壓與光照強度成線性關系。通過OPT101可以很方便地將透過手指的光信號轉換為電壓信號。

1.2 模擬信號處理電路

從OPT101出來的人體信號是三路波長的分時疊加信號，強度比較弱，而且可能摻雜有干擾信號，因此在模擬信號處理電路中需設計增益可調的反向放大電路、分離電路以及低通濾波電路等。濾波后的信號再經(jīng)跟隨器進入STM32自帶的ADC進行模數(shù)轉換。設備采用低成本、低功耗、高精度的儀表放大器AD620設計微小信號放大電路[8]，僅需使用一個外部電阻即可設置增益。

經(jīng)過放大的電壓信號依然是三個波長的混合信號，而在主機中需要分別用到三個波長信號的交流值和直流值，因此必須設計信號分離電路來將三路信號分離。本設備將三個雙向模擬開關CD4066并聯(lián)組合，使用三路脈沖序列分別作為三個CD4066的選通信號，以此將三路信號分離出來。最后，為了提高信噪比并解調信號，分離后的信號必須進行低通濾波。人體脈搏信號的主頻在20 Hz以下，因此設備選擇了截止頻率在20 Hz的四階低通巴特沃斯濾波器。巴特沃斯濾波器通帶平坦度很大，再利用高階次加快通帶到阻帶的衰減，可以有效降低信號噪聲并完成解調。

1.3 nRF24L01模塊

通過射頻技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸在各個領域的應用日益廣泛和成熟。本設備采用nRF24L01射頻模塊向主機傳輸探頭采集到的數(shù)據(jù)。nRF24L01是由挪威NORDIC公司設計的一款工作在2.4～2.5 GHz的ISM頻段的單片無線射頻收發(fā)芯片，內置硬件CRC（循環(huán)冗余校驗）和一點對多點通信地址控制，集成了所有與RF協(xié)議相關的高速信號處理單元，具有體積小、成本低、便于開發(fā)等特點。另外，nRF24L01可以同時控制應答及重發(fā)功能而無需增加MCU工作量，使得雙向鏈接協(xié)議執(zhí)行起來更為簡單有效。設置為接收模式的nRF24L01可以識別6個發(fā)射端，對使用了不同地址的6 路通道的數(shù)據(jù)進行同時接收，如圖2所示。因此，本設備可利用nRF24L01多路發(fā)送、一路接收的傳輸性能，實現(xiàn)多探頭共用主機的工作方式，同時為多達6名患者進行檢測，提高了設備的便捷性和可利用性。

nRF24L01及其外圍電路原理圖如圖3所示，其工作頻率為16 MHz，通過由MOSI，MISO和SCK組成的SPI接口與處理器連接進行通信，其中，SCK為時鐘信號線，MOSI為主設備輸出/從設備輸入端，MISO為從設備輸入/主設備輸出端。本設備STM32與S3C2440處理器為主設備，產(chǎn)生時鐘信號控制輸入/輸出，nRF24L01模塊為從設備。另外，CSN（低電平有效）為片選信號線，CE為芯片的使能端，CE和芯片寄存器PWR_UP，PRIM_RX共同決定了nRF24L01的主要工作模式，如表1所示。

2 軟件設計

與硬件系統(tǒng)相對應，軟件包括兩部分：基于庫開發(fā)的STM32軟件；運行于Window CE系統(tǒng)的主機軟件。其中，STM32需完成：脈沖驅動信號輸出； A/D轉換；nRF24L01控制。主機軟件則完成數(shù)據(jù)處理及顯示等功能。

2.1 STM32軟件系統(tǒng)

STM32是ST公司基于Cortex?M3內核開發(fā)的一系列中端MCU。STM32倡導基于固件庫的開發(fā)方式，僅通過調用庫里的API（應用程序接口）就可以迅速搭建一個大型程序，寫出各種用戶所需的應用，大大降低了開發(fā)周期。本設備設計的探頭以STM32F103VET6為核心，它具有3個12位ADC、3個SPI接口和8個16位定時器等片上資源，完全滿足需求。

2.1.1 LED時序驅動脈沖

人體脈搏信號的頻率主要分布在10 Hz以下[9]，為了使采樣信號在后續(xù)模擬信號處理中得到完整解調，根據(jù)奈奎斯特定律，設備選用50 Hz的時序脈沖信號驅動探頭前端的發(fā)光二極管，如圖4所示。三路脈沖占空比為[16]，用來分別驅動三個發(fā)光二極管。另外，脈沖序列還用于硬件分離電路中的選通信號。

將STM32的三個定時器（TIM2，TIM3，TIM4）設置為PWM波輸出方式，以[150] s為一個計數(shù)周期，設定高電平持續(xù)時間為整個周期的[16]，使能重載寄存器，這樣就能持續(xù)輸出脈沖波形了。最后利用一個定時器（TIM7）定時[150] s作為三路脈沖波之間的延時，TIM7設置為每次打開計數(shù)一次。具體輸出方法為：打開TIM2，輸出第一個波形，再打開TIM7延時[150] s，接著打開TIM3，輸出第二個波形，依次類推。

2.1.2 三路信號的模/數(shù)轉換

A/D過程充分利用了STM32片上資源，將分離解調后的三路信號分別輸入到3個ADC（ADC1，ADC2，ADC3）的轉換通道中。ADC需要受到觸發(fā)信號才開始轉換，這里采用軟件觸發(fā)方式，每次觸發(fā)轉換一次，得到一個轉換數(shù)據(jù)。三個ADC的觸發(fā)點分別設置在產(chǎn)生脈沖波的三個定時器的計數(shù)溢出中斷里，這樣ADC在每個脈沖周期都會采樣一次。設置合適的采樣保持時間，就能實現(xiàn)三個ADC的分時轉換，避免相互串擾。

由于三個波長的數(shù)據(jù)在射頻傳輸中共用一路通道，進入主機后需要進行辨別，因此在發(fā)送前必須標記數(shù)據(jù)。考慮到STM32的A/D轉換精度為12位，轉換值存在16位的數(shù)據(jù)寄存器中，故可利用其剩余的高4位作為標志位，具體為：660 nm波長數(shù)據(jù)高4位設置為6（轉換值|0x6000），805 nm波長數(shù)據(jù)高4位設置為8（轉換值|0x8000），940 nm波長數(shù)據(jù)高4位設置為9（轉換值|0x9000）。這樣主機便可根據(jù)高4位的值判斷數(shù)據(jù)類別。A/D轉換過程如圖5所示。

2.1.3 nRF24L01驅動

nRF24L01的發(fā)送過程如下：

（1） 配置nRF24L01。設置為發(fā)送模式，并選擇數(shù)據(jù)通道、通信頻率等參數(shù)，使能自動應答。

（2） 裝入有效數(shù)據(jù)。當片選端CSN為低時，MCU通過SPI接口將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按字節(jié)寫入到nRF24L01的TX FIFO寄存器中。

（3） 使能發(fā)射。設置CE為高啟動發(fā)射，高電平持續(xù)時間最小為10 μs。

（4） 等待應答信號。自動應答模式下，發(fā)送完一包數(shù)據(jù)后芯片立即進入接收模式。在設定時間范圍內沒有接收到應答信號則重發(fā)數(shù)據(jù)。收到應答信號則認為數(shù)據(jù)成功發(fā)送到了接收端，中斷引腳（IRQ）由高置低。

（5） nRF24L01進入待機模式，等待新數(shù)據(jù)。

使用nRF24L01芯片進行無線數(shù)據(jù)通信時編碼和校驗都由芯片完成，編程和應用非常方便。本設備STM32對nRF24L01的操作包括初始化配置、裝載數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)[10]。由于STM32的SPI接口能夠自動傳輸位于數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)，因此裝載數(shù)據(jù)是由STM32硬件自動完成的，然后STM32通過查詢IRQ引腳電平狀態(tài)控制發(fā)射過程。具體的發(fā)送流程如圖6所示。

2.2 主機軟件

主機是基于三星公司S3C2440平臺，運行于Windows CE 5.0操作系統(tǒng)環(huán)境下，采用EVC++進行多線程程序設計，可以實時處理接收到的數(shù)據(jù)并顯示結果。

為避免內存溢出，系統(tǒng)采取每接收300個數(shù)據(jù)進行一次處理的方法，處理過程包括數(shù)字濾波，特征值提取等。接著計算出脈搏、血氧飽和度和ICG濃度等人體參數(shù)，最后在顯示屏上顯示，這個過程如圖7所示。界面顯示程序利用Embedded Visual C++ 4.0工具，調用MFC類庫和系統(tǒng)Win32 API函數(shù)，得到了友好的人機交互界面。設備顯示界面和測試結果如圖8所示，三個波長的脈搏信號分三路實時顯示，圖8左邊分別是計算得到的血氧飽和度和心率。用來評估患者肝儲備功能的ICG濃度數(shù)據(jù)可以通過串口輸入到PC機，再由相關軟件繪制出來，如圖9所示。該測試檢測出的ICG的15 min滯留率（ICG15）大致在10%，證明實驗對象肝功能正常。若ICG15介于10%～20%，說明肝功能輕度不足；若ICG15大于20%之間，說明肝功能嚴重不足。實驗結果初步驗證了該設備的可行性。

3 結 語

本文所設計的基于無線射頻探頭的三波長肝儲備功能檢測儀是一種可以實時檢測人體脈搏、血氧信息以及肝臟儲備能力的醫(yī)療設備。該設備采用了射頻數(shù)據(jù)傳輸技術，可實現(xiàn)多個探頭與主機之間的多路通信，大大提高了數(shù)據(jù)采集的便捷性和高效性；數(shù)據(jù)處理算法方面若與臨床相結合，對人體參數(shù)測量值進行持續(xù)修正，最終可能會達到醫(yī)學應用的精度要求。測試結果表明，本設備的軟硬件系統(tǒng)有效實用，在臨床檢測和監(jiān)護方面具有很大的應用前景。

注：本文通訊作者為李凱揚。

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