高性能生物信号检测仪

曹 妮 范梦颖 丁 煊 傅晓庆 杨佳红 陈付毅

（温州医科大学生物医学工程系，浙江 温州 325035）

0 引言

随着社会医疗水平的提升和人类平均寿命的增长。人们在享受生活的同时对于自身健康状况的关注越来越多。家庭医疗的重心由原来的疾病治疗为主转为预防为主，体温计、血压计、血氧仪、心电监护仪等监护产品逐渐被引入人们的日常生活中。近些年，医疗监护仪由单纯诊断向多功能方向发展，从医疗机构扩展到家庭医疗保健市场当中。

和现有监护仪相比较，本文涉及的检测仪具有以下优势：（1）检测功能强大：集多项监测技术于一身，设计人性化且集成化程度高，可以长时间监测心电、血氧饱和度、血压、体温等生理参数或波形，为用户的健康提供全面呵护；（2）小巧便捷：设计轻巧，便于携带；（3）回放查询：具有多数据列表和趋势图功能，支持数据的回放和查看；（4）心律异常提示：具有心率异常实时分析及GSM 报警功能，时刻关注健康状况。

1 系统基本工作原理

1.1 心电测量基本原理

心脏在机械性收缩之前，首先产生电激动，产生生物电流，并经组织和体液的传导至体表，于身体不同部位产生不同的电位变化，形成体表电位差。把这种变化着的电位差记录下来，形成动态曲线，即为心电图（ECG）。

本产品的心电信号采集使用世界上最小的心电SOC 芯片——BMD101，只要将指尖（最好使用酒精清洁过后）放于检测电极上就可检测心电的实时变化。

1.2 血压测量基本原理

采用测振法测量，通过建立收缩压Ps、舒张压Pd、平均压Pm 与袖套压力波的关系来判别血压。其原理是由检测装置内的压力传感器感知袖带下的肱动脉最初和最大搏动，将压力信号转换为电信号经过放大、滤波处理，提取静压直流分量和脉动交流分量，并给予相应的采集处理，获取所需的被测量。

与柯氏音法相比，示波法不依赖与柯氏听音，抗环境干扰能力强，同时排除了操作者主观因素的影响，具有较广的适用范围。此外，由于脉搏波与血压有较为稳定的相关性，因此利用示波原理测量的血压结果比柯氏音法更为准确。

1.3 血氧饱和度测量基本原理

首先将采集到的光电流分量并进行数字化，再发送到数字处理芯片中进行数字信号处理和控制设计。芯片包括了电流-电压转换器，连续积分器并具有可编程的采样范围，模数转换器和数字滤波等功能，可以获得精确的结果。由于这些功能集成在单芯片内部，还有利于噪声的处理。

1.4 体温测量基本原理

温度测量原理：本产品采用微型的嵌入式HY11P32 芯片（体温测量），根据热敏电阻（Thermistor）不同温度对应不同电阻值这一特性，即可以通过测量电阻值实现温度测量。

人体温度测量原理：测量将热敏电阻与参比电阻接成非平衡惠斯通电桥测温电路，把人体的温度变化的电阻阻值变量转化为电压变量。

2 仪器硬件设计

2.1 整体系统构思图（图1）

图1 系统整体框图

（1）单片机STM32L（主控芯片）；（2）ARM Cortex-M3 32MHz 处理器；（3）内置64～128K 字节闪存，16K 字节RAM 和最多4K 字节EEPROM；（4）2 个子系列：子系列间管脚、软件和外设兼容；（5）超低能耗：低至185uA/DMIPS；（6）6 种超低功耗模式：功耗最低可达270nA；（7）超低功耗动态模式：低功耗运行时功耗低至10.4uA，低功耗睡眠且有1 个定时器运行时功耗低至6.1uA；（8）运行模式，代码从FLASH 执行加动态电压调节(3 种模式)，经济功耗低达230uA/MHz。

2.2 心电检测模块（图2）

图2 BMD101 应用模块

采用导联法测量心电信号，将检测到的导联信号通过高通滤波器、模拟端变换、数字端处理等一系列的信号处理，传给单片机进行AD 采样后得到心电信号，经过SPI 口由无线射频芯片进行无线发送。测量所用该传感器核心芯片为BMD101，单导联信号输入，快速完成心电信号采集。

2.3 血氧测量模块（图3）

图3 模块构思图

使用波长660 nm 的红光和940 nm 的近红外光作为射入光源，测定通过手指的光传导强度，再利用光电传感器采集信号，经过前置级放大、滤波等信号处理电路，将其转变成脉冲电压信号，再利用32 单片机对数据进行计算处理分析；将处理后的信号再次转化为模拟信号后蓝牙端传输。此硬件设计用到TI 公司测血氧度芯片AFE4490，无需过多外部电路。

2.4 体温检测模块（图4）

图4 体温测量电路

测量温度变化是利用测量Thermistor 上的电压变化 参考电阻RF，作用分压，SD18 通过RF 获得参考电压，测量到的电阻值是否精确与参考电阻的精度有关，所以必须保证参考电阻的精度。

2.5 血压测量模块（图5）

图5 血压模块图

采用的传感器是MP3V5050。测试时，由CPU 控制下的泵气电路对泵阀控制，快速充气，台阶放气，最后再快速放气。袖套内的压力是气袖静压和脉搏波信号的叠加，压力传感器把压力信号转换为电信号后送由放大器，输出端电压在0—5V 之间。经滤波作用及A/D 转换送RAM后由CPU 处理，剔除干扰，检出真正脉搏波，并根据放气过程中脉搏波的振幅变化确定平均压，再确定收缩压和舒张压，由脉搏波的周期确定心率。通过LED 数码显示测量最终结果。

2.6 GSM 短信提醒模块（图6）

通过检测仪中GSM 模块，将此信息发送给患者的亲属，使之对患者加以关注。

图6 GSM 模块图

3 软件设计（图7）

软件部分设计以良好的用户体验为原则，分为心电监测、血压监测、血氧监测、体温监测、报警和我的记录六个模块。开发工具使用Eclipse，可以与Android 等第三方软件进行无缝隙连接，也可集合各种插件使用，降低了开发难度。

图7 APP 主界面设计图

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