便攜式醫學電子學開發系統設計

董 磊，陳旭萍，唐 滸，萬其偉，陳 昕

（1. 深圳大學 生物醫學工程學院，廣東 深圳 518060；2. 深圳大學 廣東省生物醫學工程實驗教學示范中心，廣東 深圳 518060）

生物醫學工程是一門將工程學與生命科學、醫學緊密相融，同時汲取了物理、化學、材料等眾多學科領域最新成果的交叉學科，其支撐產業——醫療器械，屬于國家重點支持的戰略新興產業[1]。該學科致力于將工程學設計理念應用于醫學、生物學和生命健康領域，研制用于預防、診斷、治療疾病及促進健康的創新性醫療設備、生物制劑、生物材料和植入設備等[2]。生物醫學工程專業的本科生需要在短短的4 年時間內同時學好電子類、計算機類、醫學類和生物類課程，對學生來說是一個巨大的挑戰[3]。學生需要學習的內容多而不精，就業時競爭力不強[4-5]。因此，從能力培養的角度來看，應該加強專業技能的實踐訓練，為學生的專業學習和終身發展打下堅實的基礎[6]。

醫學電子儀器是我校生物醫學工程專業的一個重要方向，在課程設置上，專注于培養學生學習電子工程技術相關課程[7]。醫學電子學是該方向的必修課程之一，其目的是讓學生掌握電子設計基礎和項目實現能力，是引導學生學習將電子工程技術應用于醫學領域的重要環節。生物醫學電子學實驗是該課程的配套實驗課程，目的是讓學生將所學醫學電子學知識應用于項目實踐之中，培養自己的項目實踐能力。針對當前醫學電子學方向缺少完整教學體系和實驗教學平臺的問題，結合TDBU (top-down & bottom-up)創新教學模式[8]，開發了可以滿足生物醫學工程專業實踐教學要求的便攜式醫學電子學開發系統，設計了醫學電子學實驗教學方法和內容，并在教學實踐中取得了良好的效果。

1 系統設計理念

醫學電子學是一門將醫學、生命科學和工程學、電子學等學科知識融合在一起的專業課程，也是生物醫學工程、康復工程、醫療器械工程等專業的核心課程。一方面現代電子技術高度發展，另一方面醫學領域引進越來越多的電子技術，加深了醫學與電子技術的交叉滲透[9]。課程內容主要是利用與電子學相關的物理、電路知識，學習對人體生理信號提取、處理和分析的完整系統流程。由于采集到的原始生理信號具有信噪比低、信號微弱等特點[10]，普通的處理電路并不適用于此類信號的分析，因此將在醫學電子學中重點學習共模反饋抑制電路、儀器儀表放大電路等處理微弱信號、低信噪比的信號專用電路，將所學與所用有效結合。除了高性能的信號處理電路，在系統設計時亦要兼顧醫學電子儀器的小型化和集成化趨勢。小型化的醫療儀器便于攜帶，提高其使用率；集成化使儀器能夠搭載更多功能，提高空間利用率[11]。

目前，由于缺少專用教材，醫學電子學的授課只能按照電子專業的課程安排進行，而醫學相關知識比較缺乏[12]，這就導致了在教學過程中存在多方面的問題：一是重離散、輕綜合，在電子類課程中，過多地強調分析獨立、經典的電路從而缺乏對多個模塊組合電路的學習；二是重理論、輕實踐，過于重視課堂的基本電路講解而忽略了相應實驗課程的部署；三是重知識、輕應用，即便是在電子學的基礎上增加了醫學相關知識，學生也難以將二者很好地聯系在一起，無法應用于實際項目設計。

在硬件資源方面，許多院校缺少專用實驗設備，市面上的許多醫學電子教學儀器具有價格高、操作復雜、功能單一等缺點，很多課程只能通過仿真軟件搭建電路進行分析，學生缺乏感性認識，無法體會調試和誤差分析對于系統設計的重要性[13]。基于上述問題，我們開發了便攜式醫學電子學開發系統。

2 系統硬件結構

便攜式醫學電子學開發系統由主機、參數模擬板和傳感器三部分組成，其系統結構如圖1 所示。主機具有整體供電、信息顯示、無線通信、參數傳輸和核心主控的功能。參數模擬板是外擴單元，將主機傳輸來的原始參數信號經特定電路處理后再傳回主機。目前已完成人體5 大生理參數：體溫、心電、呼吸、血壓和血氧測量電路板的開發與測試。

圖1 便攜式醫學電子學開發系統結構

2.1 主機設計

便攜式醫學電子學開發系統主機電路結構如圖2所示，分為STM32 核心電路、通信電路、電源電路、聲光指示電路、傳感器驅動電路、參數模擬板接口電路和傳感器接口電路等 7 個模塊。主機使用STM32F103 芯片設計核心電路，能夠滿足整個系統的功能與需求。通信電路由藍牙模塊和Wi-Fi 模塊組成，實現系統與計算機或移動平臺（如Android 或IOS 終端）之間的通信。兩節18650 型號的電池并聯接入，為整個系統供電，并可通過USB 充電接口經電池充放電管理電路向機內電池充電。聲光指示電路包括OLED 顯示電路、LED 電路和蜂鳴器電路，用于指示系統工作狀態。參數模擬板接口電路是主機與參數模擬板之間的通信橋梁。傳感器接口電路將心電導聯、體溫探頭、血氧探頭連接到主機。傳感器驅動電路主要包括血壓部分的氣閥、氣泵、壓力傳感器驅動電路。

圖2 主機電路結構

2.2 參數模擬板設計

參數模擬板以可替換性為設計理念，采用同一個外形模板和同一套連接體系，使5 種不同功能的模擬板都能與主機實現通信和供電等功能，參考模擬板如圖3 所示。在設計上，由于5 種參數模擬板都以“連接模塊—電源模塊—信號處理模塊”為模板進行電路設計，其結構相似，故在此主要介紹體溫模擬板的工作原理。

圖3 5 塊參數模擬板

（1）體溫參數模擬板。體溫測量以熱敏電阻為測溫元件，在一定范圍內實現了對溫度的精確測量。體溫模擬板可分為連接電路、電源電路和體溫處理電路。連接電路為信號傳輸的路徑，傳輸的信號有：從主機傳感器傳來的原始參數信號、單片機控制測量探頭的信號、經過處理后的參數信號和電源。電源電路包含電池轉7.5V 電路、7.5V 轉5V 電路和5V 轉3.3V 電路。體溫處理電路從功能上可分為體溫通道選擇電路、信號處理電路和探頭連接檢測電路。體溫模擬板的電路結構如圖4 所示，主機的核心電路通過IO 控制選擇4 個通道的采樣開關，采樣后的數據經由體溫信號處理電路處理，再傳給主機分析，最終得到較為穩定的數據。探頭連接檢測電路用于判斷體溫測量時是否接入體溫探頭，確保測量正常進行。

圖4 體溫模擬板電路結構

（2）血氧參數模擬板。血氧測量是根據血液中HbO2（氧合血紅蛋白）和Hb（還原血紅蛋白）對光吸收量不同的原理，設計了透射式血氧測量的方法與實現電路。基本電路包括電源電路、壓控恒流源電路、血氧探頭發光管驅動電路、參考電壓輸出電路、信號放大濾波電路等。

（3）呼吸參數模擬板。呼吸模擬板采用阻抗式呼吸測量法，通過設計針對高阻抗、微信號的處理電路，實現呼吸參數的測量。呼吸處理電路由4 部分組成，分別是載波電路、儀器儀表放大電路、檢波電路以及濾波放大電路。

（4）心電參數模擬板。心電模擬板采用雙極導聯的信號采集方式，針對心電信號電磁干擾大、信噪比低等特點設計電路，其基本電路包括RC 低通濾波電路、運放跟隨器電路、儀器儀表放大電路、放大濾波電路和右腿驅動電路。同時，模擬板中還包含了導聯脫落檢測電路，主機可以根據檢測電路的輸出信號是高電平還是低電平判斷導聯是否連接成功。

（5）血壓參數模擬板。血壓模擬板采用示波法，通過壓力傳感器檢測血壓信號和脈搏波信號，經過放大、濾波、分壓等處理，通過微處理器計算得到血壓值。血壓模擬板的基本電路包括電源轉換電路、有源低通濾波電路、三極管開關電路、反相比例放大電路等。

2.3 便攜式醫學電子學開發系統

便攜式醫學電子學開發系統設計如圖5 所示。系統核心電路板封閉于主機中僅留出必要的接口，使用藍牙和Wi-Fi 兩種通信方式。主機可通過擴展槽分別和5 種生理參數信號測量電路板（體溫、心電、血壓、血氧和呼吸）以及對應傳感器的導聯線相連使用，數據通過藍牙或Wi-Fi 發送至上位機。

圖5 便攜式醫學電子學開發系統設計圖

從正面看，主機的左側提供了5 大生理參數的傳感器接口，右側是電池充電接口。主機正面有一個OLED 顯示屏，顯示參數板信息、電池電量和藍牙連接等信息，兩側分別是開關按鍵和復位按鍵。參數模擬板在主機的正中間，并在其卡槽位置設計了凹槽，利用四周的特殊輪廓設計，便于安裝與拆卸，同時避免參數板插反。

使用時，將其中一個參數模擬板裝在主機上，同時在對應功能的接口接上測量探頭或袖帶，將測量探頭或袖帶準確放置在被測量者的身體部位上，在測量到人體的生理參數數據之后，主機通過藍牙將數據發送至電腦上的醫學信號采集平臺，在上位機平臺上顯示信號波形、計算參數和分析結果，心電測量連接方式如圖6 所示。

圖6 心電測量連接示意圖

本系統使用醫學信號采集平臺實現上位機的顯示。在完成串口選擇、模塊選擇和顯示比例等設置后，該平臺能夠采集模擬板上的參數信號并顯示，可在平臺界面上直接觀察到波形等測量結果，同時也便于對參數模擬板進行調試。醫學信號采集平臺的心電信號采集結果如圖7 所示。

圖7 醫學信號采集平臺的心電信號采集結果

3 教學應用

本系統在教學應用上以項目為目標，側重于實操性，將分散的電路模塊，通過項目串接起來，做出具有實際意義的功能電路。首先，通過對5 大參數測量原理的理解、學習電路性能參數等相關知識，使學生能完成電路的理論計算和仿真驗證。然后，通過各個參數的實驗開展，熟悉各個參數的測量方法，在測量過程中對電路進行測試和驗證。最后，設計帶有處理芯片的5 大參數測量系統，同時還要對關鍵參數進行調整，提高測量精度和系統性能。

例如心電模擬板，該板包含電源轉換電路、RC低通濾波電路、儀器儀表放大電路、基準電壓電路、雙向模擬開關電路、右腿驅動電路、導聯脫落檢測電路等，囊括了模電數電、信號處理等相關課程的知識。

第一步：學生通過學習模電知識，了解諸如基準電壓、濾波器的原理和通帶控制、儀表放大電路的放大倍數和共模抑制比、右腿驅動電路等與心電相關聯的模擬電路實例。

第二步：通過理論計算，結合相關公式計算出電路上每個測試點的理論電壓、理論電流和波形參數，并在Multisim 或者Proteus 中進行仿真，仿真時使用信號發生器產生毫伏級低頻信號，并估算其合理波動范圍。

第三步：將心電參數模擬板插到主機上，并與上位機相互連接，再將心電導聯線按照規定的連接方法接到生理參數模擬器或身上，測量心電信號。

第四步：在上位機的醫學信號采集平臺觀測生理參數信號，利用示波器對參數模擬板上的測試點進行檢測，驗證各點數值是否與之前的理論計算相符，并分析導致誤差的原因。

第五步：根據所學的電路設計知識，結合便攜式醫學電子學設計系統的相關設計方案，對其中的一些性能參數進行優化，設計出自己的作品。這一步驟鼓勵分工合作，建議將學生劃分為硬件組、單片機組、算法組和軟件組，最后再將作品整合在一起實現完整的醫療電子系統。

通過本系統實踐，學生可以快速掌握醫學電子學基本電路系統的設計方法，從電路分析到模擬電路，從理論計算到電路仿真，再從儀器操作到實測分析，最終不僅能夠熟練掌握儀器儀表的使用和電路的設計、制作與調試，還能夠自行設計出一個完整可行的測量系統。

此外，通過開發系統以藍牙模塊和Wi-Fi 模塊為通信媒介，學生可以將采集到的信號發送到計算機或移動終端（如Android 或IOS 終端），進行拓展學習，了解通信協議和操作系統的工作機理，有助于學生將知識體系進一步延伸至軟件和算法領域，將相關課程知識融匯貫通，便攜式醫學電子學開發系統的教學實驗項目及實驗內容如表1 所示。

表1 教學實驗項目及實驗內容

4 教學成果

本系統已經在深圳大學、南方科技大學和南方醫科大學推廣使用，取得了良好的效果。根據教學反饋，絕大部分學生不僅能熟練地掌握醫學電子學相關知識的原理與應用，還進一步了解了本專業的目標與方向，提高了專業素養。在深入學習醫學電子學后，學生可根據需求與自身能力，設計出具有一定功能的醫學電子設備，獨立完成電路設計、打樣、貼片、焊接、程序設計和撰寫文檔。圖8 是由學生自主設計的便攜式體溫單參數測量系統，將體溫參數處理電路與核心板電路相結合，實現了一個完整醫學電子系統，并對電路的性能進行了升級，體現了本系統的良好教學成果。

圖8 學生設計的便攜式體溫測量系統電路板

5 結語

便攜式醫學電子學開發系統以體溫、心電、呼吸、血壓、血氧5 個人體參數為切入點，分別設計了相關電路與實驗內容，系統展示了生物信號采集、放大、濾波、處理和顯示的整個流程。該系統不僅有利于加深學生對電路設計的理解、增強綜合應用技能，而且激發了學生的學習興趣，提高了實踐和創新能力。同時，本系統為醫學電子學課程改革與創新提供了嶄新的途徑。