基于低功耗蓝牙技术的胃动力监测系统设计

郑贵林，陶志浩

(武汉大学自动化系，武汉430072)

传感器研究

基于低功耗蓝牙技术的胃动力监测系统设计

郑贵林*，陶志浩

(武汉大学自动化系，武汉430072)

胃肠动力是影响人体消化的重要因素，如何评估胃肠动力成为了医疗诊断与研究的一个难点。基于低功耗蓝牙技术，设计了一套可同时动态监测胃内的压力、温度、电导率和pH值的低功耗胃动力监测系统，分别从硬、软件设计方面进行了分析，并介绍了临床动物试验的情况。系统对压力、温度、电导率和pH值的测量精度分别可达±0.5 kPa、±0.1℃、±0.1 ms和±0.05 PH，试验结果表明，系统性能稳定性好，通信成功率可达99%，能够连续工作90天以上，采集响应时间小于1 s，备份存储可达10 000帧数据。本研究可望为胃肠动力障碍性疾病和其他胃肠疾病的临床诊断和疗效评价等提供参考，为促进胃肠动力学的研究寻求一种新的途径。

胃肠动力;低功耗蓝牙;胃肠动力障碍性疾病;动态监测

胃肠动力障碍性疾病DGIM(Disorders of Gastrointestinal Motility)是一种临床常见的疾病，主要指因胃肠动力紊乱引起的以各种消化道症状为临床表现的疾病，胃肠动力障碍性疾病是临床治疗的难点，如何评估胃肠动力的重要性也越来越受到人们广泛的关注［1］。胃肠运动是一种复杂的、难以直接测量和量化描述的运动形式。目前，胃肠动力障碍的临床检测方法主要包括超声诊断、放射学、核素显像、核磁共振、胃肠电图、生物电阻抗、胶囊内镜、腔内测压等［2］，作为临床诊断胃肠动力的客观手段，这些方法缺乏对胃肠动力状态的实时动态监测，仍不能全面评估胃肠动力。文献［3］研制了一种无线胶囊内窥镜医疗机器人，对胃肠动力的诊断和评估仍需要依靠肉眼判断，缺乏客观、确切的数据。文献［4］采用生物电阻抗方法检测胃动力状态，通过仿真明确了电阻抗与胃内容物、胃收缩等有一定关系，但是仍缺乏实际数据说明问题，而且没有研究多种参数对胃动力的影响;文献［5］设计了一种用于治疗功能性胃肠疾病的植入式电刺激器，具有压力检测和电刺激的功能，压力检测为电刺激提供参考和疗效评价，但是胃压力与所需电刺激强度的关系未知，没有实现多参数检测与分析，而且功耗和体积较大。随着半导体微电子技术的发展，利用固件集成技术和低功耗设计技术把大部分模块集成在一个芯片上已成为可能。如今，无线胃肠动力多参数监测技术正在成为胃肠动力检测与研究的重要手段［6－7］。

研发出一种兼顾功能全面，灵活高效，使用简便且经济合算的胃动力监测系统，不仅有利于胃肠动力障碍性疾病的诊断和治疗效果的实时评估，而且有助于推动胃动力学的研究。胃部的压力、温度、电导率、pH值等参数是诊断胃肠道疾病的重要依据［8－9］，本文采用低功耗蓝牙技术，设计了一种植入式的胃动力监测系统，实现对胃内压力、温度、电导率、pH值等参数的动态监测与记录，为胃肠动力障碍检测和胃肠动力状态评估的研究提供了更直观、全面的检测方法，以期为胃肠动力障碍性疾病和其他胃肠动力性疾病的临床诊断、疗效评价和医学研究等提供一种新的方法。

1 胃动力监测系统的硬件设计

1.1 系统总体结构

本文所设计的胃动力监测系统总体结构如图1所示，该系统以Texas Instruments公司的低功耗蓝牙芯片CC2541为控制核心，主要由电源管理、胃压测量、温度测量、电导率测量、pH值测量以及上位机软件等部分组成。系统通过蓝牙无线通信方式与上位机软件进行交互，实现胃压、温度、电导率、pH值等参数的同步在线监测和记录功能。

图1 系统结构框图

1.2 主控芯片

蓝牙是一种短距离、低功耗、低成本的无线传输标准［10］，蓝牙4.0版本将3种蓝牙技术(即传统蓝牙，高速蓝牙和低功耗蓝牙技术)合而为一。它集成了蓝牙技术在无线上的固有优势，同时增加了高速蓝牙和低功耗蓝牙的特点，低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy)是蓝牙4.0的核心。表1为几款主流蓝牙芯片的对比，基于低功耗、低成本、应用简单等原则，选择了TI公司的CC2541作为主控芯片。该芯片具有高性能、超低功耗等特点，不仅支持蓝牙4.0，而且接收灵敏度高、ADC转换精度高、内存容量大、封装体积小。

表1 主流蓝牙芯片对比

1.3 电源管理

为实现系统低功耗设计，对于当前不需要工作的电路需要作断电处理。常用的开、断器件主要有继电器、模拟电子开关。继电器驱动电路本身会消耗比较大的电流，而且继电器为机械结构，寿命短、噪音大、体积大。模拟电子开关一般用作信号通道的选择，体积及导通电阻都较大。依据应用要求，本文设计了如图2所示的电子开关，主要由NPN三极管与PMOS管组成，NPN三极管采用S8050，PMOS管采用LP2301BLT1G。图3为在输出达2.8 A的情况下，开关电路导通电阻与输入电压的特征曲线。本系统的输入电压为3.3 V，最大功耗电流仅为1 mA，因此输入、输出压降值几乎可忽略不计(小于5 mV)。NPN三极管和PMOS管均为SOT－23微型封装，减小了电路体积。电路完全由分离元件组成，结构简单、稳定可靠。

图2 电源管理电路

图3 电路输入特征曲线

1.4 集成传感器设计

1.4.1 传感器结构

在胃动力监测系统的设计中，由于传感器为植入式的，而且工作在具有腐蚀性的胃液环境中，所以传感器的结构设计必须重点考虑，特别定制。

如图4所示，本文所设计的传感器结构主要包括:①导气管，用于非接触式检测胃内压力，避免胃液腐蚀压力传感器;②R型热电偶，用于测量温度，采用具有耐腐蚀性的铂、铑金属定制，偶丝直径为0.5 mm，其正极(RP)为铂铑合金，其中含铑为13%，含铂为87%，负极(RN)为纯铂;③铂金电极，用于测量胃液的电导率，耐腐蚀性好，能够减少电极的氧化和极化效应;④Ag/AgCl参比电极，作为电位参考点，与pH玻璃电极构成原电池来测量胃液pH值;⑤pH玻璃电极，用于测量胃液pH值;⑥传感器腔体，该腔体将会放置在胃部内，表面加工光洁度要求高，以避免食物堵塞。

图4 传感器结构

该传感器的实物图见图5左上方的透明锥体部分。图5下方为胃动力监测系统的印刷电路板，包括了传感器采集、蓝牙通信和电源管理等部分。

图5 监测系统样机照片

1.4.2 胃压测量

胃压测量传感器为Freescale公司的MP3V5010压力传感器，该传感器集成了片上技术、双极运算放大器电路和薄膜电阻器网络，可提供高输出信号、温度补偿和校准功能，具有结构简单、性能稳定、可靠性好、通用性强等优点，且价格低廉，替换性好，适用于医疗领域中的病人监测和诊断设备，如血压计、医疗监测仪表等［11］。MP3V5010的检测范围为0～10 kPa (表压)，输出范围为0.10 V～2.80 V，可直接使用CC2541的ADC模块采集，不需要额外的信号处理，便于简化电路。图6(a)为MP3V5010GCU压力传感器芯片的内部原理图，应用电路非常简单，具有外围器件极少，可靠性高，低功耗等优点。如图6(b)所示，采用FLUKE的微压活塞式压力计FPG8601的进行标定，标定曲线方程为y=0.280 5x+0.325 9，相关系数为0.992 8，测量精度可达±0.5 kPa，分辨率为0.003 kPa，重复性误差小于1%。

图6 胃压测量

1.4.3 温度测量

R型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测量温区宽，使用寿命长等优点，其物理、化学性能良好，热电势稳定性及抗氧化性能好。但是R型热电偶的不足之处是热电势和热电势率较小。因此，本文采用专门的热电偶数字转换器MAX31856，设计了高精度、带线性补偿的热电偶测量电路，如图7(a)所示。MAX31856可以对任何类型热电偶的信号进行冷端补偿和数字转换，输出数据以摄氏度为单位，温度分辨率达0.007 812 5℃，电压测量精度达±0.15%。如图7(b)所示，采用上海精宏恒温箱JHG－9023A进行标定，标定曲线方程为y=0.999 8x+0.283 3，相关系数为0.999 9，测量精度可达±0.1℃。

1.4.4 电导率测量

本文采用Analog Devices公司的阻抗测量芯片AD5933实现了电导率的测量［12］。AD5933是一款1 MSPS(Million Samples Per Second)、12 bit的高精度阻抗测量芯片，内置有直接数字合成器(DDS)、放大器、滤波器等，能通过对采样信号的数字化处理实现阻抗的测量，具有0.5%系统误差。如图8(a)所示，AD5933有一个电压输出引脚VOUT，它能发出一定频率的正弦扫描信号对外部阻抗z(ω)进行激励。信号通过被测样品后，再经放大、滤波后被模数转换器取样，并进行离散傅立叶变换，最终计算出待测阻抗值。如图 8(b)所示，采用配制的盐水和Bante52便携式电导率仪进行标定，标定曲线方程为y=290.50x+79.19，相关系数为0.998 7，测量精度可达±0.1 ms。

图7 温度测量

图8 电导率测量

1.4.5 pH值测量

pH传感器由一个玻璃测量电极和一个参比电极构成，类似于一块原电池。当把传感器置于溶液中时，测量电极产生一个电压，具体取决于溶液中氢的活性，然后将该电压与参考电极的电位进行比较，用能斯脱方程表示为［13］:

式中:E为电极电压，α为零点容差(±30 mV)，T为环境温度(单位:℃)，n为氢离子上的电荷数，F为法拉第常数(96 485 C/mol)，R为阿伏加德罗氏数(8.314(V·C)/°(K·mol))，pH为未知溶液的氢离子浓度，pHISO为参比氢离子浓度(等于7)。

方程表明，pH传感器产生的电压取决于溶液的酸度和碱度，并以已知方式随氢离子活性而变化。在理想情况下，典型的pH传感器在25℃下会产生59.154 mV/PH的输出。本文设计了如图9(a)所示的低功耗pH传感器信号调理电路，pH传感器具有极高的内阻阻抗，约为108Ω～1010Ω，因此设计了前置缓冲级，输入阻抗可达 1012Ω，偏置电流低于1 pA，信号经放大后输入到ADC模块进行模数转换。如图9(b)所示，通过pH标准溶液的标定，实现对胃液pH值的高精度监测。标定曲线方程为y=0.181 2x+0.039 5，相关系数为0.999 3，测量精度可达±0.05 PH。

图9 pH值测量

2 胃动力监测系统的软件设计

2.1 下位机软件

图10 下位机软件流程图

本系统的下位机软件工作流程如图10所示，该程序是一个不停循环的结构，周而复始地根据通信指令工作。程序开始先初始化各硬件模块，如系统时钟、IO口、ADC转换、定时器、串口通信等，然后在休眠中等待采集指令，接收到采集指令后打开传感器的电源，待数据稳定后读取胃压、温度、电导率、pH值的数据。接着关闭传感器的电源，以实现低功耗。为防止通信失败而造成的数据丢失，保存数据后才通过蓝牙进行无线通信，若通信失败则在下次通信中增加本次的数据。

2.2 上位机软件

图11为本文所设计的上位机软件工作界面，采用Qt平台设计，界面简洁美观，易于操作，能够同时监测3个不同的胃动力监测系统。图中显示的为实时胃压曲线，坐标横轴表示当前时间，纵轴表示测量的胃压值，单位为kPa。通过左上方的按钮可以切换显示胃压、温度、电导率和pH值的曲线，下方则显示了当前的电池电量、胃压、温度、电导率和pH值数据。该软件还具有文件保存功能，自动将接收到数据按日期和时间保存为文档格式，便于研究人员的查看和分析。

图11 上位机软件工作界面

3 临床动物试验

根据生物控制论的原理，胃肠运动受压力、温度、电活动、pH值以及激素、药物、疾病等因素的影响，并且存在着某种联系［8］。应用本文所设计的低功耗蓝牙胃动力监测系统在武汉市某陆军医院进行了临床动物试验，以研究、分析多变量胃肠动力学，探讨胃肠动力障碍性疾病的病理生理学机制。

试验对象为购自某大学畜牧科技发展研究中心的3只杜洛克幼猪，65～85日龄，雌雄不拘，体质量为10 kg～12 kg。所有幼猪单笼饲养，术前饲以标准商业饲料并自由摄食水，饲养环境遵循自然昼夜循环节律。术前禁食12 h，不禁水，手术当日禁食禁水，术后1～3日内予以流质及半流质饮食后过渡至正常饮食。集成传感器通过缝合固定在幼猪的胃内，而电路板主体及锂电池则固定在幼猪的背部。采用1块3.7 V、500 mAh的锂电池，本监测系统能够连续工作90天以上，监测采样间隔为10 min。系统的通信成功率达到了99%，响应时间小于1 s，而且可备份10 000帧数据，即每10 min保存一次，能够保存60天的数据，保证了数据的完整性。其中某只幼猪24 h监测的数据如图12所示，图12(a)为胃压随时间的变化曲线，单位为 kPa，统计均值和标准差为 1.918±0.613;图12(b)为温度随时间的变化曲线，单位为℃，统计均值和标准差为40.12±1.31;图12(c)为电导率随时间的变化曲线，单位为ms，统计均值和标准差为9.71±2.03;图12(d)为pH值随时间的变化曲线，统计均值和标准差为3.4±0.4。可见，在24 h之间，胃内的压力、温度、电导率和pH值都随着时间不停的变化，而这种变化可能与实验幼猪的饮食、活动、体质、疾病等有一定的关系，为相关医学研究奠定了基础。由于胃肠蠕动的实际情况非常复杂，国内外相关研究还处于一片空白状态，因此对胃动力监测数据更加有效的处理方式和算法仍在探索之中。

图12 24 h监测的数据

4 结论

本文分别从硬件设计和软件设计方面讨论了低功耗胃动力监测系统的研制，所设计的监测系统具有较为强大的功能:①低功耗，能够长期不间断地监测;②蓝牙通信，能够实时在线进行动态监测;③多参数监测，能够同时监测胃压、温度、电导率以及pH值;④数据现地存储，能够在通信失败时保存数据，保证数据不丢失;⑤数据文档记录，数据保存为文档格式，以便研究人员查看和分析。临床动物试验结果表明，本系统对压力、温度、电导率和pH值的测量精度较高，分别达到了±0.5 kPa、±0.1℃、±0.1 ms和±0.05 PH，而且性能稳定性好，续航时间长，动态响应时间短，工作可靠。由于目前的测试结果只是实验性的、部分的，监测系统是否真正有效还需要进一步的临床试验验证。本研究为复杂而抽象的胃肠运动学研究创造了条件，为建立出多参数胃肠动力学方程打下了良好的数据提取基础。在现有研究基础上，今后还将研究超微型、超低功耗的胃肠监测胶囊，以及兼具监测与治疗功能的智能传感机器人。

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郑贵林(1963－)，男，教授，博士生导师，IEEE武汉分会主席，IEEE高级会员。现主要从事智慧建筑、智能电网、智能传感器与检测技术等方向研究;

陶志浩(1989－)，男，硕士研究生，研究方向为测控技术与仪器，taozhihao@ whu.edu.cn。

Design of a Gastrointestinal Motility Monitoring System Base on Bluetooth Low Energy Technology

ZHENG Guilin*，TAO Zhihao
(Department of Automation，Wuhan University，Wuhan 430072，China)

Gastrointestinal motility is an important influencing factor of human body digestion，but how to assess gastrointestinal motility has become a difficult problem in medical diagnosis and research.Based on the Bluetooth Low Energy(BLE)Technology，a low power dissipation monitoring system is designed，which can dynamically monitor the pressure，temperature，electrical conductivity and pH of the stomach.After analyzing the hardware and software design respectively，the clinical animal experiment is presented.The measurement accuracy of pressure，temperature，electrical conductivity and pH can respectively reach±0.5 kPa，±0.1℃，±0.1 ms and±0.05 PH，and the experimental results show that the system has good performance and stability，communication success can reach 99%，can work more than 90 days，response time is less than 1 s，storage can backup 10 000 frame data.This design is expected to provide a reference for the clinical diagnosis and therapeutic evaluation of disorders of gastrointestinal motility(DGIM)and other gastrointestinal disorders，and to seek a new way to promote the study of gastrointestinal motility.

gastrointestinal motility;bluetooth low energy;DGIM;dynamic monitoring

R322.4

A

1004－1699(2017)02－0167－07

C:7230J

10.3969/j.issn.1004－1699.2017.02.001

2016－08－04 修改日期:2016－09－09