基于蓝牙无线通讯的屏气辅助装置设计与实现

王可伍，苏峻，胡吉波，肖圣祥，余小超，唐慧娜

（浙江大学医学院附属第四医院放射科，浙江 义乌 322000）

随着医用X 光机、CT 和MR 等医学放射检查设备技术越来越成熟，放射检查也越来越普遍，其对疾病的初筛、定位和定性起着重要作用[1，2]。现有的放射检查中，患者的头颅需要按照标准放置，胸腹部检查需尽可能的屏气才能得到符合诊断要求的医学图像[3]。如果患者在放射检查过程中头颅晃动或者呼吸，容易出现影像模糊、锯齿状伪影，甚至得不到具有诊断意义的图像[4，5]。检查失败会给患者造成身体、精神的痛苦及经济的损失，减低医务人员的工作效率，并造成医疗资源的浪费[6]。在现有技术中，患者常因暴躁、意识不清或者其它原因导致无法与医护人员进行有效沟通[7]，从而无法保证头颅固定以及保持屏气，需要家属陪同进行放射检查。在检查过程中，家属固定患者的头颅并捂住患者的口鼻，保证检查顺利进行。但是，家属的陪同也给放射检查的操作带来了不便，容易影响检查效果，陪同的家属受到辐射[8]，也会对身体造成一定的影响。本文将基于蓝牙通讯模块设计一种屏气辅助装置。本实用新型的屏气辅助装置无需家属辅助陪同（降低家属不必要的辐射伤害），自动固定患者的头颅以及进行屏气，使放射检查得以有效进行，检查获得的医学图像符合临床诊断的要求。

1 系统设计

1.1 屏气辅助实施模块 在患者进行放射检查时利用容纳槽将患者的头颅固定，有利于对患者进行放射检查。同时，利用鼻部闭气模块和口部闭气模块配合分别将患者的鼻部和口部封住，患者无法使用鼻部和口部进行呼吸，自动处于屏气状态。系统设计模块见图1。

图1 系统模块

本模块的控制器采用低功耗STM32F103RET6芯片（图2），设计专门的电池电量检测电路来监测电池电量。以及对患者进行屏气辅助、主要涉及鼻部闭气模块、口部闭气模块、容纳患者头颅的容纳槽。鼻部闭气辅助模块与操作界面控制模块通信连接，并在控制模块的控制下封闭患者的鼻部。口部闭气模块与控制模块通信连接，并在控制模块的控制下封闭患者的口部。

图2 STM32F103RET6 最小系统原理图

另外，鼻部闭气模块包括：手指驱动件，设置于本体的侧面，并在控制模块的控制下动作；闭气手指，设置于手指驱动件的活动端，从而在手指驱动件的驱动下完成动作。根据该优选方案，控制模块控制手指驱动件动作，手指驱动件驱动闭气手指动作以封闭患者的鼻部，鼻部闭气模块的结构简单、动作高效。手指驱动件分设于本体两面，每一手指驱动件的活动端均设置有闭气手指。两个闭气手指在患者头颅的两侧分别封闭患者的两个鼻孔，手指驱动件仅需一维动作，其驱动动作简单、鼻孔的封闭更加高效。

口部闭气模块包括：口罩驱动件，设置于本体的容纳槽的上方，并在控制模块的控制下动作；控制模块控制口罩驱动件动作，口罩驱动件驱动闭气口罩动作以封闭患者的口部，口部闭气模块的结构简单、动作高效。压力传感器与控制模块通信连接，压力传感器具有多个且分设于鼻部闭气模块和口部闭气模块的用于与患者的鼻部和口部接触的端部。利用压力传感器及时检测到患者的鼻部和口部的封闭状态，既保证了对患者的鼻部和口部的良好封闭，也避免对患者的鼻部和口部的过分挤压而对患者造成伤害。装置实物见图3。

图3 系统实物图

1.2 操作界面控制模块 本屏气辅助装置部分还包括先进的蓝牙MIDI 模块，利用蓝牙MIDI 模块与设备的外部设置连接，蓝牙作为装置下位机与装置上位机进行通讯的纽带，实现了数据的接收与发送功能，见图4。蓝牙模块采用Cypess CYBLE-022001，该模块体积小，兼容性强，功能齐全，通讯时不需要对蓝牙进行环境配置、底层文件设置、协议配置。将设计的系统模块与CT 机的操作界面进行蓝牙连接，实现屏气辅助装置与CT 操作界面的联动，在CT 操作界面对屏气辅助装置进行控制，即可完成对检查患者屏气的控制。本系统中蓝牙通信模块选用 HC-06，模块有两种工作模式：命令响应和自动连接。第一种模式下，可以通过配置AT 指令，与单片机直连，实现透传[9，10]。本设计主要选择单片机STM32F103RET6，其精度高、体积小，功能齐全[11，12]。可通过单片机STM32F103RET6 实现对屏气辅助实施模块的实时启动/停止控制[13，14]。控制模块通过无线通信模块接收来自控制端的控制指令[15，16]，对辅助实施模块进行实时控制。

图4 蓝牙控制电路

1.3 显示模块 本设计模块采用双核技术，主芯片STM32F103RET6 单片机和控制LCD 显示采用的PIC24FJ256DA210 芯片[17]，主要目的是加快机器的运行速度，延长设备使用寿命。本设计中的辅助装置将患者实时呼吸状态显示在LCD上，LCD 采用PIC24FJ256DA210 系列器件对Microchip 现有的16位单片机产品线扩展，增加了新的图形控制器（GFX）模块与图形LCD 显示屏接口，还增加了96 kb的RAM[18]。该系列器件允许CPU 使用EPMP 模块直接从外部存储器读取数据。PIC24FJ256DA210 通过串口从外部FLASH 中读取数据[19，20]，然后通过按钮选择进行相应信息的显示，见图5。

图5 显示模块

2 应用效果

辅助装置应用过程中，可通过蓝牙无线进行操作，人工操作界面清晰、简单易操作、灵敏度较高，模块能够实时显示患者呼吸情况。但也存在一些不足，如本设计无法显示患者心电信号，无法做到动态关注患者的生命体征等。在无辅助设备的情况下，对急诊急躁以及无法配合的患者进行CT 检查时，目前仍然选择家属陪同患者检查。而在有相关辅助设备的配合情况下，对急诊急躁以及无法配合的患者进行CT 检查，即使无家属陪同检查，成功率也较高。在放射检查中，若患者无法配合相关放射检查，在无需家属陪同以及其他相关辅助的情况下，利用本文设计的辅助的装置，可以提高放射检查的成功率，有效改善此类无法配合放射检查的图像质量。利用本文设计的辅助装置，可避免家属的检查辅助与陪同，使其避免受到的不必要的辐射危害。总之，利用本装置不仅仅可减少家属陪同、降低其不必要的辐射危害，还可以改善图像质量，提高无法配合患者的放射检查成功率。

3 总结

在无患者检查条件下，对装置进行功能质量检测，分别对装置的电池电量检测、人工交互界面检查、开光控制、数据传输等性能参数进行质控检查，得出通信距离在小于6 m 时数据传输准确率达100%，电池电量在工作情况下保持良好、设备开关控制成功率同样达到100%，人工操作界面清晰、简单易操作。通过对本装置的硬件以及软件的裸机质量测试，装置的控制可靠性、控制开关、电池电量检测功能、屏气辅助效果的测试结果均达到应用条件。本文设计的辅助装置鼻部闭气模块和口部闭气模块配合分别将危重或急躁患者的鼻部和口部封住，使危重或急躁患者无法使用鼻部和口部进行呼吸，自动处于屏气状态。利用该辅助装置可有效的降低危重或急躁患者放射检查过程中头颅晃动或者以及呼吸运动伪影，得到具有诊断意义的医学影像图像，提高放射检查成功率。通过本装置的使用，可以大大降低放射检查中家属陪同的情况，减少家属不必要的散射线照射。总之，利用本装置进行相关放射检查，既能提高检查成功率，同时可降低不必要辐射伤害。但该装置存在一定的局限性，如其不可用于磁共振相关辅助检查以及智能化有待提高。