医疗电子嵌入式实验平台设计及应用

刘昕宇, 罗戴维, 陈 昕, 汪天富, 汪常乐

(1. 深圳大学 生物医学工程教学实验中心, 广东 深圳 518000； 2. 深圳信息职业技术学院, 广东 深圳 518172)

生物医学工程是一门理工医相结合的交叉学科,是一门新兴的边缘学科[1]。生物医学工程学科主要的研究方向有医学超声及图像处理、体外诊断仪器、生命信息监测、分子影像等,其涉及科学领域较为广泛,除生物学、医学外,还有电子学、计算机科学、光学、化学和机械学等。该专业要求学生深入掌握生物技术、电子技术,计算机技术,同时也能胜任医疗器械生产开发、维修管理等相关工作。

1 医学嵌入式系统课程介绍

医学嵌入式系统,是深圳大学为生物医学工程专业开设的特色课程,是一门集理论学习与课程实践为一体的综合性课程。该课程以嵌入式系统技术原理为基础,以培养学生扎实的专业知识理论。配套的医学嵌入式系统实验课程,使学生将从课堂中学到的理论转换为现实,对培养学生的实践能力及养成良好工程意识有着重要意义。该课程要求学生在学习传统嵌入式系统课程的基础上,对血压计、监护仪、生化分析仪等常用医疗器械的关键技术部件进行了解和运用,为学生今后的实习与就业打下基础。

本文研制了一套功能全备的医疗电子嵌入式实验平台,该平台采用目前市面上流行的基于Cortex-M3内核的STM32嵌入式单片机作为主控芯片,配合多种嵌入式系统通用技术模块,同时加入了生物医学工程专业特色的医学生理参数模块[2]。该实验平台能有效帮助学生在学习的过程中,掌握嵌入式系统的基本原理,同时也能够对医疗仪器的开发有初步的认识和了解,极大地增加了学生对本专业的学习热情[3]。

2 平台系统设计

本实验平台采用意法半导体公司STM32嵌入式单片机,作为一款工业领域常用的微控制器,该芯片高性能、低成本、低功耗等优点,在实验教学中具有很强的实用性。平台外部搭载触控液晶屏、7段数码管、流水灯、蜂鸣器、RGB、键盘、步进电机、蓝牙、WIFI等通用性实验模块,同时配置了血压、心电、血氧饱和度、体温等生理参数模块见图1。

图1 系统功能模块

2.1 基于Cortex-M3内核的最小系统模块

该平台的最小系统模块由基于Cortex-M3内核的STM32F103ZET6嵌入式单片机、多通道电源模块、晶振和RST等组成。该单片机内置512 kB Flash,最高支持72 MHz工作频率,内置4个16位定时器,12通道的DMA控制器,3路12位AD转换器,并有多达112个快速I/O端口,支持I2C、UART、CAN、USB等多种通信接口[4-5]。鉴于该单片机在工业领域应用的广泛性,本平台特意选取其为主控芯片。

系统的电源部分采用24 V/3 A电源适配器进行外部供电,其输出功率保证了实验平台各种大功率器件(步进电机、触控液晶屏等)正常运行。平台内部电源模块采用LM2596和AMS1117等不同类型的电源芯片,形成+24 V、+12 V、+5 V、+3.3 V、+1.8 V等电源网络。需要注意的是,功率器件和普通IC器件在接地时,需要将两种地网络进行分开布线,并用磁珠进行隔离,以防止影响芯片的稳定性[6-7]。

2.2 输入控制模块

系统的输入控制模块包括常用的矩阵键盘、拨位开关、和模拟/数字信号转换器等传统的通用技术模块,还增加了仪器中常见的光耦开关模块。该模块主要实现输入或者采集操作。

2.3 输出控制模块

本平台的通用输出控制模块功能十分强大,不仅包含通用的蜂鸣器、LED流水灯、7段数码管等嵌入式实验平台常用部件,还增加了例如RGB灯珠、高精度步进电机驱动模块、彩色触控液晶屏等当今医疗电子设备中的常用器件。使学生在实验课中熟悉这些模块的控制和操作,以便在日后的工作中更好地运用[8]。

2.4 通信模块

随着计算机技术的日益发展,传统单片机基于串口的单一通信模式已经不能满足社会对于电子产品的需求。针对此情况,本平台设计了多种通信模块,使学生在学习时,不仅可以使用串口、USB模块与上位机进行通信,也可以使用蓝牙、WIFI等无线通信模块，与手机、平板电脑进行协同开发。以多种通信方式开发学生的创新思维,提升学生的综合竞争力。

3 医疗电子部件设计

本实验平台的医疗电子部件选用深圳大学生物医学工程实验中心自主研发的生理参数模块(见图2),其集成了血压、心电、血氧饱和度、体温、呼吸等多种测量模块于一体的综合性功能模块,可同时完成多项生命体征监测任务。该模块通过串口与主控芯片进行数据传输,并可将测量结果显示在触控液晶屏上。

图2 实验中心自主研发的生理参数模块

3.1 血压测量模块

血压测量模块包括充气泵、电磁阀、压力传感器等装置,该模块具有收缩压、平均压、舒张压和脉率等参数的监测功能,血压测量范围可达0～300 mmHg,精度±2 mmHg。学生通过学习各种装置的使用来完成人体血压测量,并将袖带压、脉率数据实时显示到液晶屏上。该血压测量算法由实验指导教师提供,对于水平较高的学生亦可让他们独立开发血压测量算法。

3.2 心电信号测量模块

心电信号测量模块采用3导联独立通道,可同时监测3路心电数据,并带有1路呼吸参数,2路体温监测功能,可设置为诊断、监护、HARDEST和手术测量模式,并支持心律失常诊断监护。学生在进行实验的同时,不仅可以将多路心电信号显示在液晶屏上,也可以通过蓝牙、WIFI等多种通信模块发送到电脑和手机上,为他们今后研发可穿戴医疗设备、POCT型仪器等打下基础。

3.3 血氧饱和度测量模块

血氧饱和度测量模块采用基于红外光谱吸收的光学传感器,拥有脉搏氧、脉率和灌注指数的监测功能,通过AD转换器与主控模块连接,可实时传输基于红外光谱吸收的脉搏波信号。该模块的测量精度可达±2%,并且采用先进的抗运动算法,具有强抗运动性能。本实验平台为学生配备了与临床相同规格的血氧饱和度探头,使得学生在实验课程中所学到的知识可以和今后的工作进行无缝连接。

4 实验课程及教学应用

医疗电子嵌入式实验平台的实物见图3,实验中心经过2015—2017年的不断改进,已于2017年第二学期投入推广使用,面向我校生物医学工程2015级本科生进行医学嵌入式系统实验教学。实验平台包括实验箱主机,并配有血压袖带、心电信号导联线、体温传感器和血氧传感器等。

图3 医疗电子嵌入式实验平台实物

针对该课程的实际需求,设计了多层次、分等级的实验课程,实现梯次配置、循序渐进的教学模式[9]。该课程总计14次实验课,每节课2课时,所开设的实验项目见表1。首先从基础类实验开始,让学生了解STM32单片机的基本操作,并熟悉各种外部资源的配置方法；在此基础上开展通用性实验,使学生逐步掌握实验平台各类外设模块的用法。通过这一阶段的学习,学生应该熟悉使用STM32单片机,并具备基本的开发能力。对于完成了前2个阶段学习的学生,将开放所有创新性实验课程,在这个阶段主要以学生自己动手为主,教师提供一些算法类指导,并以产品级的标准要求学生[10]。对于一些基础较好,或者已经有过STM32单片机开发经验的学生,可以直接进入创新性实验,并可以设计更深层次的综合性实验,让学生提早接触到医疗仪器研发和调试的常用方法[11]。

表1 配套实验教学项目

5 结语

本文设计的医疗电子嵌入式实验平台不仅满足了该课程的基础实验教学需求,强化了医学嵌入式系统课程承前启后的作用。教学实践表明,基于本平台的实验教学巩固了学生的专业知识,使学生对嵌入式单片机和电子电路有了更深入的了解,同时增加的创新性实验内容也提升了学生们的学习兴趣,对提高学生的工程实践能力以及课程的教学质量具有很强的推动作用[12]。