基于STM32 的医用倾角仪的研制

2021-10-20万晅润张海军杨琴金哲益罗嘉庆贾晓宇江地吴锋杰

医疗装备 2021年17期

万晅润，张海军，杨琴，金哲益，罗嘉庆，贾晓宇，江地，吴锋杰

1 嘉兴学院信息科学与工程学院（浙江嘉兴 314001）；2 嘉兴学院数据科学学院（浙江嘉兴 314001）；3 嘉兴市第二医院（浙江嘉兴 314001）

CT 引导肺穿刺活检术是目前临床检查肺内病变常用的方法，即将一根活检针插入肺部获得病变组织和细胞，然后通过对这些组织和细胞进行检查来明确疾病性质（图1），诊断率一般大于90%，且操作简单，手术所引起的并发症少，在现代临床医学上得到广泛应用[1]。目前，该术式主要依靠医师手动操作，术中穿刺针杆的插入角度非常关键，医师必须保持针杆插入角度不变[2-5]。但是，在实际操作过程中，医师握持针杆的姿势长时间保持一个角度易引起疲劳，进而使针杆插入角度产生偏差，导致活检手术操作失败，并发症发生风险增加。鉴于此，本研究设计了一种基于STM32[6]的穿刺针杆插入角度测量装置，能够实时监测、显示针杆的插入角度，确保医师随时调节针杆的握持姿势，以保持针杆插入角度不变。

图1 CT 引导肺穿刺活检术示意图

1 系统设计

该倾角仪主要由单片机控制单元、传感器单元和显示器单元三部分组成。设计中，单片机作为控制单元，负责接收传感器单元发来的数据，并加以处理发送到显示器单元，见图2。

图2 系统组成

1.1 硬件设计

1.1.1 单片机控制单元

设计中，选择STM32开发板（图3）作为倾角仪的控制单元，其中，STM32是意法半导体公司推出的基于CoreTex-M3内核的32位微控制器，处理速度可达72 MHz，具有丰富的片内资源，可满足本监测系统对数据采集、处理、传输等的应用要求。

图3 STM32 开发板

1.1.2 传感器单元

在角度测量方面，选用MPU6050模块（图4）作为倾角仪的传感器单元。作为一种运动传感器，MPU6050模块集成了陀螺仪和加速度计两种传感器，同时还集成了一个姿态解算器，将采集到的角速度信息和加速度信息融合在一起，求解出相应的姿态角。MPU6050具有良好的抗干扰能力和较低的功耗，且在设计上尽量降低了陀螺仪与加速度计间的相互影响，以便提高测量精度。

图4 MPU6050 模块

1.1.3 显示器单元

显示器单元在倾角仪中的功能是确保医师能够时刻清晰地观察到穿刺针杆的插入角度，进而辅助医师完成手术操作，所以，响应速度快、清晰、稳定是该显示器单元的基本要求。设计中，选择有机发光二极管OLED（图5），与传统的液晶显示比较，有机发光二极管OLED 单元结构简单，响应速度快，且可视角度大。

图5 0.96 寸OLED 显示屏

1.2 软件设计

由上述内容可知，整个倾角仪系统硬件部分简单，因此，软件程序设计成了研制工作中的重点。程序设计中，先初始化串口、I/O 口和显示模块，然后在中断程序内读取传感器模块发来的数据信息，随后对数据信息进行换算处理发送到OLED 模块显示，见图6。

图6 倾角仪软件程序的流程

1.2.1 STM32 I/O 口初始化

将传感器单元MPU6050模块的RX 引脚和TX 引脚分别连接到STM32的PA3和PA2口，其中，PA2口用来接收MPU6050发送来的数据，PA3口用来向MPU6050发送数据。程序中，将PA2口配置成浮空输入模式，PA3口配置成复用推挽输出模式，通过调用库函数中的I/O 口初始化函数GPIO_Init（），即可对这两个端口进行初始化。

1.2.2 显示模块OLED 初始化

OLED 的初始化通过对驱动芯片SSD1306的初始化来实现，首先，初始化OLED 用到的STM32 I/O 口，将STM32的PA7、PA6、PA5、PA4 4个端口的输出模式均配置成推挽输出模式，这4个端口分别与OLED_SCL、OLED_SDA、OLED_RST、OLED_DC 端连接，然后调用OLED_Init（void）函数进行初始化操作。

1.2.3 数据采集过程

倾角仪通过MPU6050模块实现数据采集，不仅可采集到角度信息，还可采集到角速度信息和加速度信息。待MPU6050模块完成数据采集后，即会向STM32发出一个中断请求，STM32在接收到中断请求后即会结束当时的工作转去接收数据，然后将接收到的数据放至一个数组中。程序中，设计一个定时中断，当计数器溢出中断临时读取数据时，在死循环中调用Dis_Float（）函数将数据写入OLED中，如此即可不断地更新数据。

通过硬件选取和软件程序设计，基于STM32的倾角仪制作完成（见图7），其中，OLED 中显示的角度数据表示铅笔（穿刺针杆）与竖直方向间的夹角。