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

1. 系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)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(tǒng)，液晶觸摸屏電路，SD 卡存儲(chǔ)電路，按鍵電路等常用的面向用戶的模塊。在STM32 核心模塊周圍外接各種測(cè)量生理參數(shù)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(dú)立工作，互不影響。STM32 控制各個(gè)模塊測(cè)量生理信號(hào)，再通過(guò)內(nèi)部的AD 采樣口對(duì)個(gè)模塊檢測(cè)得到的電信號(hào)進(jìn)行采集，并根據(jù)各個(gè)模塊的測(cè)量要求處理數(shù)據(jù)，把最后得到的生理指標(biāo)數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上并保存到SD 卡中，以便以后復(fù)查或則提供給醫(yī)生查看。系統(tǒng)框圖如( 圖1 所示) 。

1. 1 硬件電路設(shè)計(jì):

1. 1. 1 身高模塊:

采用超聲回波法測(cè)量身高。將超聲收發(fā)探頭固定于距離地面2m 的高度，根據(jù)超聲測(cè)距的原理測(cè)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(hào)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(yuǎn)，滿足測(cè)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(zhuǎn)換變成電信號(hào)，并對(duì)此電信號(hào)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(hào)，得到一個(gè)負(fù)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(jì)算發(fā)射和接受回的信號(hào)的時(shí)間差經(jīng)計(jì)算可獲得身高數(shù)據(jù)。

1. 1. 2 體重模塊:

人體壓力若壓在電阻應(yīng)變片上則會(huì)使其產(chǎn)生形變，用四個(gè)電阻應(yīng)變片組成全橋臂電路，在加上電源，則根據(jù)壓在之上的壓力的大小會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，再經(jīng)放大濾波處理即可獲得體重壓力信號(hào)。在測(cè)種臺(tái)的四個(gè)角上放上四片電阻應(yīng)變片，其中對(duì)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(yīng)變片組成全臂電橋，再經(jīng)并聯(lián)零位補(bǔ)償，使橋臂電阻達(dá)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(jié)果，送到STM32 模塊。

圖2 溫度測(cè)量電路

1. 3 體溫模塊

體溫測(cè)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(jié)正向電流與溫度的關(guān)系的原理制成的。其測(cè)量電路如( 圖2 所示) 。當(dāng)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(jù)傳感器輸出與溫度的關(guān)系可得溫度值為T = 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(cè)試部位血液容量的波動(dòng)，從而引起光吸收量的變化，當(dāng)透光區(qū)域動(dòng)脈血管搏動(dòng)時(shí)，動(dòng)脈血液對(duì)光的吸收量將隨之變化，稱為脈動(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(duì)光的吸收是恒定不變的，稱為直流量( DC) 。脈搏式血氧飽和度測(cè)量技術(shù)就是利用這個(gè)特點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)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(zhǎng)度變化屬于未知量，所以采用兩束不同波長(zhǎng)的光作為入射光分別照射被測(cè)區(qū)域，即雙光束法。雙波長(zhǎng)法測(cè)量脈搏式血氧飽和度的線性經(jīng)驗(yàn)公式為[3]。

其中A、B 是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，可以通過(guò)定標(biāo)確定。

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

本裝置采用兩路發(fā)光管交替發(fā)光采集脈搏波信號(hào)，使用硅光電池接受信號(hào)。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(hào)，將電壓信號(hào)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(duì)應(yīng)的電壓，送到STM32 進(jìn)行采樣后，再在程序里對(duì)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(cè)振法測(cè)量血壓。利用STM32 控制電機(jī)打氣，再控制泄氣閥將袖袋內(nèi)的氣體逐漸放掉，用壓力傳感器檢出袖帶內(nèi)的壓力和微弱的脈搏振蕩信號(hào)，再經(jīng)放大電路放大，送入A/D 轉(zhuǎn)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(jì)算機(jī)控制的激光修正技術(shù)和溫度補(bǔ)償技術(shù)，使得MPX5050GP 壓力傳感器精度極高，具有廣泛的應(yīng)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(hào)送另一路A/D。心臟收縮信號(hào)隨著袖帶壓力的減小先減小再增大，如( 圖3 所示) 。我們?cè)O(shè)定一個(gè)閾值( 定標(biāo)得到) ，在閾值處測(cè)量當(dāng)時(shí)袖帶內(nèi)壓力即為血壓。

圖3 脈搏波的幅度變化情況

1. 1. 7 心電模塊:

心電模塊的具體設(shè)計(jì)步驟如( 圖4 所示) 。對(duì)由電極采集到的心電信號(hào)，先通過(guò)前置放大，將微弱的心電信號(hào)高保真放大，再通過(guò)低通濾波、高通濾波及50Hz 陷波濾除干擾，最后進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換[4]。

圖4 心電提取步驟

理論上，人體任意兩點(diǎn)之間都存在心電引起的電位差，兩個(gè)電極即可實(shí)現(xiàn)心電測(cè)量。但是，在采集心電信號(hào)過(guò)程中，必須設(shè)法消除或降低來(lái)自交流市電共模電壓的干擾，工程上常用“右腳驅(qū)動(dòng)”的方法來(lái)消除，因此這里我們使用3 個(gè)電極來(lái)提取心電信號(hào)，即左右手和右腳。

前置放大電路采用差分方式輸入，形成差模信號(hào)。為了提高精度，使用高精度儀表放大器AD620 作為心電的前置放大器的運(yùn)放。前置放大電路由輸入跟隨、儀用放大器、右腿浮地驅(qū)動(dòng)等3 部分組成。

濾波電路中，低通濾波器采用歸一化設(shè)計(jì)的BUTTERWORTH 四階低通濾波，截止頻率fH 為100Hz。高通電路中由于噪聲主要集中于0. 03Hz ～2Hz，為了盡可能在不影響心電信號(hào)的情況下盡量多的濾除干擾，選擇截止頻率fL為0. 036Hz。50Hz 陷波電路中采用“雙T 帶阻濾波”電路來(lái)濾除工頻干擾。

經(jīng)過(guò)陷波器后的心電信號(hào)是雙極性，由于系統(tǒng)中的A/D 芯片只能量化單極性信號(hào)，所以必須使用電平提升電路把雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)化為單極性信號(hào)。

1. 2 軟件設(shè)計(jì):

STM32 的包括處理用戶按鍵數(shù)據(jù)輸入，定時(shí)外部中斷控制超聲測(cè)量身高，A/D 采樣體溫、體重、肺活量、心電等信號(hào)。控制電機(jī)打氣，泄氣閥放氣并測(cè)量血壓值。將測(cè)得的信號(hào)顯示在液晶屏上。其流程圖如( 圖5 所示) 。

2. 結(jié)果

STM32 顯示界面如( 圖6 所示) 。其中準(zhǔn)水銀體溫計(jì)和體檢裝置實(shí)驗(yàn)對(duì)比，所有體有誤差≤0. 1℃; 體重測(cè)量的誤差≤2 公斤; 標(biāo)準(zhǔn)水銀血壓計(jì)和體檢裝置實(shí)驗(yàn)對(duì)比，所有收縮壓和舒張壓數(shù)據(jù)誤差小于7%; 卷尺測(cè)量結(jié)果和體檢裝置實(shí)驗(yàn)對(duì)比，所有誤差≤1cm; 均能夠滿足監(jiān)護(hù)要求。

圖5 程序整體流程圖

圖6 顯示界面圖

3. 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果顯示，該設(shè)計(jì)方案成本低，功能完善，操作簡(jiǎn)單，人機(jī)界面友好，非常人性化。隨著人們對(duì)健康的關(guān)注度越來(lái)越高，國(guó)家對(duì)醫(yī)療事業(yè)越來(lái)越重視，該便攜式體檢箱將有很廣的應(yīng)用前景。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于集成了多項(xiàng)測(cè)量人體生理數(shù)據(jù)功能于一體，應(yīng)用液晶彩屏顯示，并將結(jié)果保存，非常人性化。