基于STM32的便攜體檢裝置的設計與實(shí)現

我國正在大力推進(jìn)全面小康社會(huì )建設，社區衛生醫療體系是其中的一個(gè)重點(diǎn)。國外的社區醫療保險制度已經(jīng)相當成熟，我國的社區衛生醫療體系還處于剛起步階段?，F在的社區醫療現狀是: 大病小病都往大醫院跑，因而大中醫院就要承擔大部分的醫療壓力。雖然政府推出大力發(fā)展社區醫院的政策，由于社區醫院資金緊張不可能配備完善的醫療檢測儀器，所以便攜式醫療儀器的發(fā)展及在社區中推廣使用就顯得尤為重要。本文設計的一個(gè)便攜式體檢裝置，用以檢測人體的主要基本生理指標，如身高、體重、血壓等，輔助社區醫生的診斷。

1. 系統組成及設計方法

體檢箱采用STM32 為核心控制模塊，該核心模塊包括STM32 小系統，液晶觸摸屏電路，SD 卡存儲電路，按鍵電路等常用的面向用戶(hù)的模塊。在STM32 核心模塊周?chē)饨痈鞣N測量生理參數的電路，包括身高模塊、體重模塊、血壓模塊、體溫模塊、肺活量模塊、心電模塊、血氧飽和度模塊等。各模塊受STM32 控制獨立工作，互不影響。STM32 控制各個(gè)模塊測量生理信號，再通過(guò)內部的AD 采樣口對個(gè)模塊檢測得到的電信號進(jìn)行采集，并根據各個(gè)模塊的測量要求處理數據，把最后得到的生理指標數據顯示到液晶屏上并保存到SD 卡中，以便以后復查或則提供給醫生查看。系統框圖如( 圖1 所示) 。

1. 1 硬件電路設計:

1. 1. 1 身高模塊:

采用超聲回波法測量身高。將超聲收發(fā)探頭固定于距離地面2m 的高度，根據超聲測距的原理測得反射超聲波的阻擋物的距離，若忽略超聲探頭間的距離再通過(guò)2m 減去此距離便可得到人的身高[1 - 2]。

超聲發(fā)射采用換能器TCT40 - 2T，由STM32 發(fā)生40Khz 的方波。由于端口輸出功率不夠， 40kHz 方波脈沖信號分成兩路，送給一個(gè)由74HC04 組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠，滿(mǎn)足測量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器TCT40 - 2T 以聲波形式發(fā)射到空氣中。

超聲波接收部分是將反射波接收到超聲波接收換能器TCT40 - 2S，再進(jìn)行轉換變成電信號，并對此電信號進(jìn)行放大、濾波、整形等處理，這里使用了索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20106 處理回波信號，得到一個(gè)負脈沖送給STM32 的外部中斷引腳，以產(chǎn)生一個(gè)中斷。經(jīng)過(guò)計算發(fā)射和接受回的信號的時(shí)間差經(jīng)計算可獲得身高數據。

1. 1. 2 體重模塊:

人體壓力若壓在電阻應變片上則會(huì )使其產(chǎn)生形變，用四個(gè)電阻應變片組成全橋臂電路，在加上電源，則根據壓在之上的壓力的大小會(huì )產(chǎn)生相應的電壓，再經(jīng)放大濾波處理即可獲得體重壓力信號。在測種臺的四個(gè)角上放上四片電阻應變片，其中對角兩個(gè)是受壓力電阻上升的，另外兩個(gè)是受壓力電阻下降型的，這樣使四個(gè)電阻應變片組成全臂電橋，再經(jīng)并聯(lián)零位補償，使橋臂電阻達到平衡。橋路輸出經(jīng)過(guò)差模放大之后再經(jīng)過(guò)電壓跟隨器得出輸出結果，送到STM32 模塊。

圖2 溫度測量電路

1. 3 體溫模塊

體溫測量采用AD590 傳感器。AD590 是AD 公司生產(chǎn)的電流輸出型集成溫度傳感器的代表產(chǎn)品，它是利用PN 結正向電流與溫度的關(guān)系的原理制成的。其測量電路如( 圖2 所示) 。當溫度為零度時(shí)，即熱力學(xué)溫度為273. 15K 時(shí)流出AD590 的電流為273. 15uA，在10K 電阻上產(chǎn)生的電壓為2. 7315V。根據傳感器輸出與溫度的關(guān)系可得溫度值為T(mén) = U

* 100 - 273. 15。

1. 1. 4 血氧飽和度模塊:

人體動(dòng)脈的搏動(dòng)能夠造成測試部位血液容量的波動(dòng)，從而引起光吸收量的變化，當透光區域動(dòng)脈血管搏動(dòng)時(shí)，動(dòng)脈血液對光的吸收量將隨之變化，稱(chēng)為脈動(dòng)分量或交流量( AC) ; 而皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等其他組織對光的吸收是恒定不變的，稱(chēng)為直流量( DC) 。脈搏式血氧飽和度測量技術(shù)就是利用這個(gè)特點(diǎn)，通過(guò)檢測血液容量波動(dòng)引起的光吸收量變化，消除非血液組織的影響，求得血氧飽和度。由于光路徑長(cháng)度變化屬于未知量，所以采用兩束不同波長(cháng)的光作為入射光分別照射被測區域，即雙光束法。雙波長(cháng)法測量脈搏式血氧飽和度的線(xiàn)性經(jīng)驗公式為[3]。

其中A、B 是經(jīng)驗常數，可以通過(guò)定標確定。

為減少組織對測量精度的影響，選擇光波波長(cháng)時(shí)，要求氧合血紅蛋白HbO2 和還原血紅蛋白Hb 對該波長(cháng)的吸光系數要大于非血液組織對它的吸光系數，但不要太大使透過(guò)部分難于檢測。根據入射光波長(cháng)和吸收系數之間的關(guān)系，最終選取了650nm 和940nn 這兩個(gè)波長(cháng)。

本裝置采用兩路發(fā)光管交替發(fā)光采集脈搏波信號，使用硅光電池接受信號。再經(jīng)放大濾波處理傳輸給STM32。

1. 1. 5 肺活量模塊:

人體呼出的氣流通過(guò)截流裝置形成差壓，接入MPX5010DP 產(chǎn)生電壓信號，將電壓信號進(jìn)行放大( 10 倍左右) 和0. 014Hz ～8Hz 的帶通濾波處理，即可獲得與瞬時(shí)流量相對應的電壓，送到STM32 進(jìn)行采樣后，再在程序里對流速進(jìn)行積分即可獲得肺活量值。

1. 1. 6 血壓模塊:

我們采用測振法測量血壓。利用STM32 控制電機打氣，再控制泄氣閥將袖袋內的氣體逐漸放掉，用壓力傳感器檢出袖帶內的壓力和微弱的脈搏振蕩信號，再經(jīng)放大電路放大，送入A/D 轉換器，經(jīng)過(guò)STM32 處理得到收縮壓和舒張壓。

其中壓力傳感器選擇GXP5050。MPX5050GP 是Motorala 公司生產(chǎn)的一款采用離子注入工藝生產(chǎn)的壓力傳感器，其壓敏電阻元件是利用離子注入工藝光刻在單個(gè)硅膜片上，同時(shí)采用計算機控制的激光修正技術(shù)和溫度補償技術(shù)，使得MPX5050GP 壓力傳感器精度極高，具有廣泛的應用范圍。MPX5050GP 的輸出直接一路接A/D 采樣獲得血壓值，另一路經(jīng)RC 網(wǎng)絡(luò )及放大得到心臟收縮信號送另一路A/D。心臟收縮信號隨著(zhù)袖帶壓力的減小先減小再增大，如( 圖3 所示) 。我們設定一個(gè)閾值( 定標得到) ，在閾值處測量當時(shí)袖帶內壓力即為血壓。

圖3 脈搏波的幅度變化情況