便携式医学电子学开发系统设计

董 磊，陈旭萍，唐 浒，万其伟，陈 昕

（1. 深圳大学 生物医学工程学院，广东 深圳 518060；2. 深圳大学 广东省生物医学工程实验教学示范中心，广东 深圳 518060）

生物医学工程是一门将工程学与生命科学、医学紧密相融，同时汲取了物理、化学、材料等众多学科领域最新成果的交叉学科，其支撑产业——医疗器械，属于国家重点支持的战略新兴产业[1]。该学科致力于将工程学设计理念应用于医学、生物学和生命健康领域，研制用于预防、诊断、治疗疾病及促进健康的创新性医疗设备、生物制剂、生物材料和植入设备等[2]。生物医学工程专业的本科生需要在短短的4 年时间内同时学好电子类、计算机类、医学类和生物类课程，对学生来说是一个巨大的挑战[3]。学生需要学习的内容多而不精，就业时竞争力不强[4-5]。因此，从能力培养的角度来看，应该加强专业技能的实践训练，为学生的专业学习和终身发展打下坚实的基础[6]。

医学电子仪器是我校生物医学工程专业的一个重要方向，在课程设置上，专注于培养学生学习电子工程技术相关课程[7]。医学电子学是该方向的必修课程之一，其目的是让学生掌握电子设计基础和项目实现能力，是引导学生学习将电子工程技术应用于医学领域的重要环节。生物医学电子学实验是该课程的配套实验课程，目的是让学生将所学医学电子学知识应用于项目实践之中，培养自己的项目实践能力。针对当前医学电子学方向缺少完整教学体系和实验教学平台的问题，结合TDBU (top-down & bottom-up)创新教学模式[8]，开发了可以满足生物医学工程专业实践教学要求的便携式医学电子学开发系统，设计了医学电子学实验教学方法和内容，并在教学实践中取得了良好的效果。

1 系统设计理念

医学电子学是一门将医学、生命科学和工程学、电子学等学科知识融合在一起的专业课程，也是生物医学工程、康复工程、医疗器械工程等专业的核心课程。一方面现代电子技术高度发展，另一方面医学领域引进越来越多的电子技术，加深了医学与电子技术的交叉渗透[9]。课程内容主要是利用与电子学相关的物理、电路知识，学习对人体生理信号提取、处理和分析的完整系统流程。由于采集到的原始生理信号具有信噪比低、信号微弱等特点[10]，普通的处理电路并不适用于此类信号的分析，因此将在医学电子学中重点学习共模反馈抑制电路、仪器仪表放大电路等处理微弱信号、低信噪比的信号专用电路，将所学与所用有效结合。除了高性能的信号处理电路，在系统设计时亦要兼顾医学电子仪器的小型化和集成化趋势。小型化的医疗仪器便于携带，提高其使用率；集成化使仪器能够搭载更多功能，提高空间利用率[11]。

目前，由于缺少专用教材，医学电子学的授课只能按照电子专业的课程安排进行，而医学相关知识比较缺乏[12]，这就导致了在教学过程中存在多方面的问题：一是重离散、轻综合，在电子类课程中，过多地强调分析独立、经典的电路从而缺乏对多个模块组合电路的学习；二是重理论、轻实践，过于重视课堂的基本电路讲解而忽略了相应实验课程的部署；三是重知识、轻应用，即便是在电子学的基础上增加了医学相关知识，学生也难以将二者很好地联系在一起，无法应用于实际项目设计。

在硬件资源方面，许多院校缺少专用实验设备，市面上的许多医学电子教学仪器具有价格高、操作复杂、功能单一等缺点，很多课程只能通过仿真软件搭建电路进行分析，学生缺乏感性认识，无法体会调试和误差分析对于系统设计的重要性[13]。基于上述问题，我们开发了便携式医学电子学开发系统。

2 系统硬件结构

便携式医学电子学开发系统由主机、参数模拟板和传感器三部分组成，其系统结构如图1 所示。主机具有整体供电、信息显示、无线通信、参数传输和核心主控的功能。参数模拟板是外扩单元，将主机传输来的原始参数信号经特定电路处理后再传回主机。目前已完成人体5 大生理参数：体温、心电、呼吸、血压和血氧测量电路板的开发与测试。

图1 便携式医学电子学开发系统结构

2.1 主机设计

便携式医学电子学开发系统主机电路结构如图2所示，分为STM32 核心电路、通信电路、电源电路、声光指示电路、传感器驱动电路、参数模拟板接口电路和传感器接口电路等 7 个模块。主机使用STM32F103 芯片设计核心电路，能够满足整个系统的功能与需求。通信电路由蓝牙模块和Wi-Fi 模块组成，实现系统与计算机或移动平台（如Android 或IOS 终端）之间的通信。两节18650 型号的电池并联接入，为整个系统供电，并可通过USB 充电接口经电池充放电管理电路向机内电池充电。声光指示电路包括OLED 显示电路、LED 电路和蜂鸣器电路，用于指示系统工作状态。参数模拟板接口电路是主机与参数模拟板之间的通信桥梁。传感器接口电路将心电导联、体温探头、血氧探头连接到主机。传感器驱动电路主要包括血压部分的气阀、气泵、压力传感器驱动电路。

图2 主机电路结构

2.2 参数模拟板设计

参数模拟板以可替换性为设计理念，采用同一个外形模板和同一套连接体系，使5 种不同功能的模拟板都能与主机实现通信和供电等功能，参考模拟板如图3 所示。在设计上，由于5 种参数模拟板都以“连接模块—电源模块—信号处理模块”为模板进行电路设计，其结构相似，故在此主要介绍体温模拟板的工作原理。

图3 5 块参数模拟板

（1）体温参数模拟板。体温测量以热敏电阻为测温元件，在一定范围内实现了对温度的精确测量。体温模拟板可分为连接电路、电源电路和体温处理电路。连接电路为信号传输的路径，传输的信号有：从主机传感器传来的原始参数信号、单片机控制测量探头的信号、经过处理后的参数信号和电源。电源电路包含电池转7.5V 电路、7.5V 转5V 电路和5V 转3.3V 电路。体温处理电路从功能上可分为体温通道选择电路、信号处理电路和探头连接检测电路。体温模拟板的电路结构如图4 所示，主机的核心电路通过IO 控制选择4 个通道的采样开关，采样后的数据经由体温信号处理电路处理，再传给主机分析，最终得到较为稳定的数据。探头连接检测电路用于判断体温测量时是否接入体温探头，确保测量正常进行。

图4 体温模拟板电路结构

（2）血氧参数模拟板。血氧测量是根据血液中HbO2（氧合血红蛋白）和Hb（还原血红蛋白）对光吸收量不同的原理，设计了透射式血氧测量的方法与实现电路。基本电路包括电源电路、压控恒流源电路、血氧探头发光管驱动电路、参考电压输出电路、信号放大滤波电路等。

（3）呼吸参数模拟板。呼吸模拟板采用阻抗式呼吸测量法，通过设计针对高阻抗、微信号的处理电路，实现呼吸参数的测量。呼吸处理电路由4 部分组成，分别是载波电路、仪器仪表放大电路、检波电路以及滤波放大电路。

（4）心电参数模拟板。心电模拟板采用双极导联的信号采集方式，针对心电信号电磁干扰大、信噪比低等特点设计电路，其基本电路包括RC 低通滤波电路、运放跟随器电路、仪器仪表放大电路、放大滤波电路和右腿驱动电路。同时，模拟板中还包含了导联脱落检测电路，主机可以根据检测电路的输出信号是高电平还是低电平判断导联是否连接成功。

（5）血压参数模拟板。血压模拟板采用示波法，通过压力传感器检测血压信号和脉搏波信号，经过放大、滤波、分压等处理，通过微处理器计算得到血压值。血压模拟板的基本电路包括电源转换电路、有源低通滤波电路、三极管开关电路、反相比例放大电路等。

2.3 便携式医学电子学开发系统

便携式医学电子学开发系统设计如图5 所示。系统核心电路板封闭于主机中仅留出必要的接口，使用蓝牙和Wi-Fi 两种通信方式。主机可通过扩展槽分别和5 种生理参数信号测量电路板（体温、心电、血压、血氧和呼吸）以及对应传感器的导联线相连使用，数据通过蓝牙或Wi-Fi 发送至上位机。

图5 便携式医学电子学开发系统设计图

从正面看，主机的左侧提供了5 大生理参数的传感器接口，右侧是电池充电接口。主机正面有一个OLED 显示屏，显示参数板信息、电池电量和蓝牙连接等信息，两侧分别是开关按键和复位按键。参数模拟板在主机的正中间，并在其卡槽位置设计了凹槽，利用四周的特殊轮廓设计，便于安装与拆卸，同时避免参数板插反。

使用时，将其中一个参数模拟板装在主机上，同时在对应功能的接口接上测量探头或袖带，将测量探头或袖带准确放置在被测量者的身体部位上，在测量到人体的生理参数数据之后，主机通过蓝牙将数据发送至电脑上的医学信号采集平台，在上位机平台上显示信号波形、计算参数和分析结果，心电测量连接方式如图6 所示。

图6 心电测量连接示意图

本系统使用医学信号采集平台实现上位机的显示。在完成串口选择、模块选择和显示比例等设置后，该平台能够采集模拟板上的参数信号并显示，可在平台界面上直接观察到波形等测量结果，同时也便于对参数模拟板进行调试。医学信号采集平台的心电信号采集结果如图7 所示。

图7 医学信号采集平台的心电信号采集结果

3 教学应用

本系统在教学应用上以项目为目标，侧重于实操性，将分散的电路模块，通过项目串接起来，做出具有实际意义的功能电路。首先，通过对5 大参数测量原理的理解、学习电路性能参数等相关知识，使学生能完成电路的理论计算和仿真验证。然后，通过各个参数的实验开展，熟悉各个参数的测量方法，在测量过程中对电路进行测试和验证。最后，设计带有处理芯片的5 大参数测量系统，同时还要对关键参数进行调整，提高测量精度和系统性能。

例如心电模拟板，该板包含电源转换电路、RC低通滤波电路、仪器仪表放大电路、基准电压电路、双向模拟开关电路、右腿驱动电路、导联脱落检测电路等，囊括了模电数电、信号处理等相关课程的知识。

第一步：学生通过学习模电知识，了解诸如基准电压、滤波器的原理和通带控制、仪表放大电路的放大倍数和共模抑制比、右腿驱动电路等与心电相关联的模拟电路实例。

第二步：通过理论计算，结合相关公式计算出电路上每个测试点的理论电压、理论电流和波形参数，并在Multisim 或者Proteus 中进行仿真，仿真时使用信号发生器产生毫伏级低频信号，并估算其合理波动范围。

第三步：将心电参数模拟板插到主机上，并与上位机相互连接，再将心电导联线按照规定的连接方法接到生理参数模拟器或身上，测量心电信号。

第四步：在上位机的医学信号采集平台观测生理参数信号，利用示波器对参数模拟板上的测试点进行检测，验证各点数值是否与之前的理论计算相符，并分析导致误差的原因。

第五步：根据所学的电路设计知识，结合便携式医学电子学设计系统的相关设计方案，对其中的一些性能参数进行优化，设计出自己的作品。这一步骤鼓励分工合作，建议将学生划分为硬件组、单片机组、算法组和软件组，最后再将作品整合在一起实现完整的医疗电子系统。

通过本系统实践，学生可以快速掌握医学电子学基本电路系统的设计方法，从电路分析到模拟电路，从理论计算到电路仿真，再从仪器操作到实测分析，最终不仅能够熟练掌握仪器仪表的使用和电路的设计、制作与调试，还能够自行设计出一个完整可行的测量系统。

此外，通过开发系统以蓝牙模块和Wi-Fi 模块为通信媒介，学生可以将采集到的信号发送到计算机或移动终端（如Android 或IOS 终端），进行拓展学习，了解通信协议和操作系统的工作机理，有助于学生将知识体系进一步延伸至软件和算法领域，将相关课程知识融汇贯通，便携式医学电子学开发系统的教学实验项目及实验内容如表1 所示。

表1 教学实验项目及实验内容

4 教学成果

本系统已经在深圳大学、南方科技大学和南方医科大学推广使用，取得了良好的效果。根据教学反馈，绝大部分学生不仅能熟练地掌握医学电子学相关知识的原理与应用，还进一步了解了本专业的目标与方向，提高了专业素养。在深入学习医学电子学后，学生可根据需求与自身能力，设计出具有一定功能的医学电子设备，独立完成电路设计、打样、贴片、焊接、程序设计和撰写文档。图8 是由学生自主设计的便携式体温单参数测量系统，将体温参数处理电路与核心板电路相结合，实现了一个完整医学电子系统，并对电路的性能进行了升级，体现了本系统的良好教学成果。

图8 学生设计的便携式体温测量系统电路板

5 结语

便携式医学电子学开发系统以体温、心电、呼吸、血压、血氧5 个人体参数为切入点，分别设计了相关电路与实验内容，系统展示了生物信号采集、放大、滤波、处理和显示的整个流程。该系统不仅有利于加深学生对电路设计的理解、增强综合应用技能，而且激发了学生的学习兴趣，提高了实践和创新能力。同时，本系统为医学电子学课程改革与创新提供了崭新的途径。