鄭貴林，陶志浩

(武漢大學自動化系，武漢430072)

傳感器研究

基于低功耗藍牙技術的胃動力監(jiān)測系統(tǒng)設計

鄭貴林*，陶志浩

(武漢大學自動化系，武漢430072)

胃腸動力是影響人體消化的重要因素，如何評估胃腸動力成為了醫(yī)療診斷與研究的一個難點?；诘凸乃{牙技術，設計了一套可同時動態(tài)監(jiān)測胃內的壓力、溫度、電導率和pH值的低功耗胃動力監(jiān)測系統(tǒng)，分別從硬、軟件設計方面進行了分析，并介紹了臨床動物試驗的情況。系統(tǒng)對壓力、溫度、電導率和pH值的測量精度分別可達±0.5 kPa、±0.1℃、±0.1 ms和±0.05 PH，試驗結果表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定性好，通信成功率可達99%，能夠連續(xù)工作90天以上，采集響應時間小于1 s，備份存儲可達10 000幀數(shù)據(jù)。本研究可望為胃腸動力障礙性疾病和其他胃腸疾病的臨床診斷和療效評價等提供參考，為促進胃腸動力學的研究尋求一種新的途徑。

胃腸動力;低功耗藍牙;胃腸動力障礙性疾病;動態(tài)監(jiān)測

胃腸動力障礙性疾病DGIM(Disorders of Gastrointestinal Motility)是一種臨床常見的疾病，主要指因胃腸動力紊亂引起的以各種消化道癥狀為臨床表現(xiàn)的疾病，胃腸動力障礙性疾病是臨床治療的難點，如何評估胃腸動力的重要性也越來越受到人們廣泛的關注［1］。胃腸運動是一種復雜的、難以直接測量和量化描述的運動形式。目前，胃腸動力障礙的臨床檢測方法主要包括超聲診斷、放射學、核素顯像、核磁共振、胃腸電圖、生物電阻抗、膠囊內鏡、腔內測壓等［2］，作為臨床診斷胃腸動力的客觀手段，這些方法缺乏對胃腸動力狀態(tài)的實時動態(tài)監(jiān)測，仍不能全面評估胃腸動力。文獻［3］研制了一種無線膠囊內窺鏡醫(yī)療機器人，對胃腸動力的診斷和評估仍需要依靠肉眼判斷，缺乏客觀、確切的數(shù)據(jù)。文獻［4］采用生物電阻抗方法檢測胃動力狀態(tài)，通過仿真明確了電阻抗與胃內容物、胃收縮等有一定關系，但是仍缺乏實際數(shù)據(jù)說明問題，而且沒有研究多種參數(shù)對胃動力的影響;文獻［5］設計了一種用于治療功能性胃腸疾病的植入式電刺激器，具有壓力檢測和電刺激的功能，壓力檢測為電刺激提供參考和療效評價，但是胃壓力與所需電刺激強度的關系未知，沒有實現(xiàn)多參數(shù)檢測與分析，而且功耗和體積較大。隨著半導體微電子技術的發(fā)展，利用固件集成技術和低功耗設計技術把大部分模塊集成在一個芯片上已成為可能。如今，無線胃腸動力多參數(shù)監(jiān)測技術正在成為胃腸動力檢測與研究的重要手段［6－7］。

研發(fā)出一種兼顧功能全面，靈活高效，使用簡便且經濟合算的胃動力監(jiān)測系統(tǒng)，不僅有利于胃腸動力障礙性疾病的診斷和治療效果的實時評估，而且有助于推動胃動力學的研究。胃部的壓力、溫度、電導率、pH值等參數(shù)是診斷胃腸道疾病的重要依據(jù)［8－9］，本文采用低功耗藍牙技術，設計了一種植入式的胃動力監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對胃內壓力、溫度、電導率、pH值等參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測與記錄，為胃腸動力障礙檢測和胃腸動力狀態(tài)評估的研究提供了更直觀、全面的檢測方法，以期為胃腸動力障礙性疾病和其他胃腸動力性疾病的臨床診斷、療效評價和醫(yī)學研究等提供一種新的方法。

1 胃動力監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計

1.1 系統(tǒng)總體結構

本文所設計的胃動力監(jiān)測系統(tǒng)總體結構如圖1所示，該系統(tǒng)以Texas Instruments公司的低功耗藍牙芯片CC2541為控制核心，主要由電源管理、胃壓測量、溫度測量、電導率測量、pH值測量以及上位機軟件等部分組成。系統(tǒng)通過藍牙無線通信方式與上位機軟件進行交互，實現(xiàn)胃壓、溫度、電導率、pH值等參數(shù)的同步在線監(jiān)測和記錄功能。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

1.2 主控芯片

藍牙是一種短距離、低功耗、低成本的無線傳輸標準［10］，藍牙4.0版本將3種藍牙技術(即傳統(tǒng)藍牙，高速藍牙和低功耗藍牙技術)合而為一。它集成了藍牙技術在無線上的固有優(yōu)勢，同時增加了高速藍牙和低功耗藍牙的特點，低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy)是藍牙4.0的核心。表1為幾款主流藍牙芯片的對比，基于低功耗、低成本、應用簡單等原則，選擇了TI公司的CC2541作為主控芯片。該芯片具有高性能、超低功耗等特點，不僅支持藍牙4.0，而且接收靈敏度高、ADC轉換精度高、內存容量大、封裝體積小。

表1 主流藍牙芯片對比

1.3 電源管理

為實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗設計，對于當前不需要工作的電路需要作斷電處理。常用的開、斷器件主要有繼電器、模擬電子開關。繼電器驅動電路本身會消耗比較大的電流，而且繼電器為機械結構，壽命短、噪音大、體積大。模擬電子開關一般用作信號通道的選擇，體積及導通電阻都較大。依據(jù)應用要求，本文設計了如圖2所示的電子開關，主要由NPN三極管與PMOS管組成，NPN三極管采用S8050，PMOS管采用LP2301BLT1G。圖3為在輸出達2.8 A的情況下，開關電路導通電阻與輸入電壓的特征曲線。本系統(tǒng)的輸入電壓為3.3 V，最大功耗電流僅為1 mA，因此輸入、輸出壓降值幾乎可忽略不計(小于5 mV)。NPN三極管和PMOS管均為SOT－23微型封裝，減小了電路體積。電路完全由分離元件組成，結構簡單、穩(wěn)定可靠。

圖2 電源管理電路

圖3 電路輸入特征曲線

1.4 集成傳感器設計

1.4.1 傳感器結構

在胃動力監(jiān)測系統(tǒng)的設計中，由于傳感器為植入式的，而且工作在具有腐蝕性的胃液環(huán)境中，所以傳感器的結構設計必須重點考慮，特別定制。

如圖4所示，本文所設計的傳感器結構主要包括:①導氣管，用于非接觸式檢測胃內壓力，避免胃液腐蝕壓力傳感器;②R型熱電偶，用于測量溫度，采用具有耐腐蝕性的鉑、銠金屬定制，偶絲直徑為0.5 mm，其正極(RP)為鉑銠合金，其中含銠為13%，含鉑為87%，負極(RN)為純鉑;③鉑金電極，用于測量胃液的電導率，耐腐蝕性好，能夠減少電極的氧化和極化效應;④Ag/AgCl參比電極，作為電位參考點，與pH玻璃電極構成原電池來測量胃液pH值;⑤pH玻璃電極，用于測量胃液pH值;⑥傳感器腔體，該腔體將會放置在胃部內，表面加工光潔度要求高，以避免食物堵塞。

圖4 傳感器結構

該傳感器的實物圖見圖5左上方的透明錐體部分。圖5下方為胃動力監(jiān)測系統(tǒng)的印刷電路板，包括了傳感器采集、藍牙通信和電源管理等部分。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)樣機照片

1.4.2 胃壓測量

胃壓測量傳感器為Freescale公司的MP3V5010壓力傳感器，該傳感器集成了片上技術、雙極運算放大器電路和薄膜電阻器網絡，可提供高輸出信號、溫度補償和校準功能，具有結構簡單、性能穩(wěn)定、可靠性好、通用性強等優(yōu)點，且價格低廉，替換性好，適用于醫(yī)療領域中的病人監(jiān)測和診斷設備，如血壓計、醫(yī)療監(jiān)測儀表等［11］。MP3V5010的檢測范圍為0～10 kPa (表壓)，輸出范圍為0.10 V～2.80 V，可直接使用CC2541的ADC模塊采集，不需要額外的信號處理，便于簡化電路。圖6(a)為MP3V5010GCU壓力傳感器芯片的內部原理圖，應用電路非常簡單，具有外圍器件極少，可靠性高，低功耗等優(yōu)點。如圖6(b)所示，采用FLUKE的微壓活塞式壓力計FPG8601的進行標定，標定曲線方程為y=0.280 5x+0.325 9，相關系數(shù)為0.992 8，測量精度可達±0.5 kPa，分辨率為0.003 kPa，重復性誤差小于1%。

圖6 胃壓測量

1.4.3 溫度測量

R型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高，穩(wěn)定性最好，測量溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點，其物理、化學性能良好，熱電勢穩(wěn)定性及抗氧化性能好。但是R型熱電偶的不足之處是熱電勢和熱電勢率較小。因此，本文采用專門的熱電偶數(shù)字轉換器MAX31856，設計了高精度、帶線性補償?shù)臒犭娕紲y量電路，如圖7(a)所示。MAX31856可以對任何類型熱電偶的信號進行冷端補償和數(shù)字轉換，輸出數(shù)據(jù)以攝氏度為單位，溫度分辨率達0.007 812 5℃，電壓測量精度達±0.15%。如圖7(b)所示，采用上海精宏恒溫箱JHG－9023A進行標定，標定曲線方程為y=0.999 8x+0.283 3，相關系數(shù)為0.999 9，測量精度可達±0.1℃。

1.4.4 電導率測量

本文采用Analog Devices公司的阻抗測量芯片AD5933實現(xiàn)了電導率的測量［12］。AD5933是一款1 MSPS(Million Samples Per Second)、12 bit的高精度阻抗測量芯片，內置有直接數(shù)字合成器(DDS)、放大器、濾波器等，能通過對采樣信號的數(shù)字化處理實現(xiàn)阻抗的測量，具有0.5%系統(tǒng)誤差。如圖8(a)所示，AD5933有一個電壓輸出引腳VOUT，它能發(fā)出一定頻率的正弦掃描信號對外部阻抗z(ω)進行激勵。信號通過被測樣品后，再經放大、濾波后被模數(shù)轉換器取樣，并進行離散傅立葉變換，最終計算出待測阻抗值。如圖 8(b)所示，采用配制的鹽水和Bante52便攜式電導率儀進行標定，標定曲線方程為y=290.50x+79.19，相關系數(shù)為0.998 7，測量精度可達±0.1 ms。

圖7 溫度測量

圖8 電導率測量

1.4.5 pH值測量

pH傳感器由一個玻璃測量電極和一個參比電極構成，類似于一塊原電池。當把傳感器置于溶液中時，測量電極產生一個電壓，具體取決于溶液中氫的活性，然后將該電壓與參考電極的電位進行比較，用能斯脫方程表示為［13］:

式中:E為電極電壓，α為零點容差(±30 mV)，T為環(huán)境溫度(單位:℃)，n為氫離子上的電荷數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)(96 485 C/mol)，R為阿伏加德羅氏數(shù)(8.314(V·C)/°(K·mol))，pH為未知溶液的氫離子濃度，pHISO為參比氫離子濃度(等于7)。

方程表明，pH傳感器產生的電壓取決于溶液的酸度和堿度，并以已知方式隨氫離子活性而變化。在理想情況下，典型的pH傳感器在25℃下會產生59.154 mV/PH的輸出。本文設計了如圖9(a)所示的低功耗pH傳感器信號調理電路，pH傳感器具有極高的內阻阻抗，約為108Ω～1010Ω，因此設計了前置緩沖級，輸入阻抗可達 1012Ω，偏置電流低于1 pA，信號經放大后輸入到ADC模塊進行模數(shù)轉換。如圖9(b)所示，通過pH標準溶液的標定，實現(xiàn)對胃液pH值的高精度監(jiān)測。標定曲線方程為y=0.181 2x+0.039 5，相關系數(shù)為0.999 3，測量精度可達±0.05 PH。

圖9 pH值測量

2 胃動力監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計

2.1 下位機軟件

圖10 下位機軟件流程圖

本系統(tǒng)的下位機軟件工作流程如圖10所示，該程序是一個不停循環(huán)的結構，周而復始地根據(jù)通信指令工作。程序開始先初始化各硬件模塊，如系統(tǒng)時鐘、IO口、ADC轉換、定時器、串口通信等，然后在休眠中等待采集指令，接收到采集指令后打開傳感器的電源，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后讀取胃壓、溫度、電導率、pH值的數(shù)據(jù)。接著關閉傳感器的電源，以實現(xiàn)低功耗。為防止通信失敗而造成的數(shù)據(jù)丟失，保存數(shù)據(jù)后才通過藍牙進行無線通信，若通信失敗則在下次通信中增加本次的數(shù)據(jù)。

2.2 上位機軟件

圖11為本文所設計的上位機軟件工作界面，采用Qt平臺設計，界面簡潔美觀，易于操作，能夠同時監(jiān)測3個不同的胃動力監(jiān)測系統(tǒng)。圖中顯示的為實時胃壓曲線，坐標橫軸表示當前時間，縱軸表示測量的胃壓值，單位為kPa。通過左上方的按鈕可以切換顯示胃壓、溫度、電導率和pH值的曲線，下方則顯示了當前的電池電量、胃壓、溫度、電導率和pH值數(shù)據(jù)。該軟件還具有文件保存功能，自動將接收到數(shù)據(jù)按日期和時間保存為文檔格式，便于研究人員的查看和分析。

圖11 上位機軟件工作界面

3 臨床動物試驗

根據(jù)生物控制論的原理，胃腸運動受壓力、溫度、電活動、pH值以及激素、藥物、疾病等因素的影響，并且存在著某種聯(lián)系［8］。應用本文所設計的低功耗藍牙胃動力監(jiān)測系統(tǒng)在武漢市某陸軍醫(yī)院進行了臨床動物試驗，以研究、分析多變量胃腸動力學，探討胃腸動力障礙性疾病的病理生理學機制。

試驗對象為購自某大學畜牧科技發(fā)展研究中心的3只杜洛克幼豬，65～85日齡，雌雄不拘，體質量為10 kg～12 kg。所有幼豬單籠飼養(yǎng)，術前飼以標準商業(yè)飼料并自由攝食水，飼養(yǎng)環(huán)境遵循自然晝夜循環(huán)節(jié)律。術前禁食12 h，不禁水，手術當日禁食禁水，術后1～3日內予以流質及半流質飲食后過渡至正常飲食。集成傳感器通過縫合固定在幼豬的胃內，而電路板主體及鋰電池則固定在幼豬的背部。采用1塊3.7 V、500 mAh的鋰電池，本監(jiān)測系統(tǒng)能夠連續(xù)工作90天以上，監(jiān)測采樣間隔為10 min。系統(tǒng)的通信成功率達到了99%，響應時間小于1 s，而且可備份10 000幀數(shù)據(jù)，即每10 min保存一次，能夠保存60天的數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的完整性。其中某只幼豬24 h監(jiān)測的數(shù)據(jù)如圖12所示，圖12(a)為胃壓隨時間的變化曲線，單位為 kPa，統(tǒng)計均值和標準差為 1.918±0.613;圖12(b)為溫度隨時間的變化曲線，單位為℃，統(tǒng)計均值和標準差為40.12±1.31;圖12(c)為電導率隨時間的變化曲線，單位為ms，統(tǒng)計均值和標準差為9.71±2.03;圖12(d)為pH值隨時間的變化曲線，統(tǒng)計均值和標準差為3.4±0.4?？梢?，在24 h之間，胃內的壓力、溫度、電導率和pH值都隨著時間不停的變化，而這種變化可能與實驗幼豬的飲食、活動、體質、疾病等有一定的關系，為相關醫(yī)學研究奠定了基礎。由于胃腸蠕動的實際情況非常復雜，國內外相關研究還處于一片空白狀態(tài)，因此對胃動力監(jiān)測數(shù)據(jù)更加有效的處理方式和算法仍在探索之中。

圖12 24 h監(jiān)測的數(shù)據(jù)

4 結論

本文分別從硬件設計和軟件設計方面討論了低功耗胃動力監(jiān)測系統(tǒng)的研制，所設計的監(jiān)測系統(tǒng)具有較為強大的功能:①低功耗，能夠長期不間斷地監(jiān)測;②藍牙通信，能夠實時在線進行動態(tài)監(jiān)測;③多參數(shù)監(jiān)測，能夠同時監(jiān)測胃壓、溫度、電導率以及pH值;④數(shù)據(jù)現(xiàn)地存儲，能夠在通信失敗時保存數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)不丟失;⑤數(shù)據(jù)文檔記錄，數(shù)據(jù)保存為文檔格式，以便研究人員查看和分析。臨床動物試驗結果表明，本系統(tǒng)對壓力、溫度、電導率和pH值的測量精度較高，分別達到了±0.5 kPa、±0.1℃、±0.1 ms和±0.05 PH，而且性能穩(wěn)定性好，續(xù)航時間長，動態(tài)響應時間短，工作可靠。由于目前的測試結果只是實驗性的、部分的，監(jiān)測系統(tǒng)是否真正有效還需要進一步的臨床試驗驗證。本研究為復雜而抽象的胃腸運動學研究創(chuàng)造了條件，為建立出多參數(shù)胃腸動力學方程打下了良好的數(shù)據(jù)提取基礎。在現(xiàn)有研究基礎上，今后還將研究超微型、超低功耗的胃腸監(jiān)測膠囊，以及兼具監(jiān)測與治療功能的智能傳感機器人。

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鄭貴林(1963－)，男，教授，博士生導師，IEEE武漢分會主席，IEEE高級會員?，F(xiàn)主要從事智慧建筑、智能電網、智能傳感器與檢測技術等方向研究;

陶志浩(1989－)，男，碩士研究生，研究方向為測控技術與儀器，taozhihao@ whu.edu.cn。

Design of a Gastrointestinal Motility Monitoring System Base on Bluetooth Low Energy Technology

ZHENG Guilin*，TAO Zhihao
(Department of Automation，Wuhan University，Wuhan 430072，China)

Gastrointestinal motility is an important influencing factor of human body digestion，but how to assess gastrointestinal motility has become a difficult problem in medical diagnosis and research.Based on the Bluetooth Low Energy(BLE)Technology，a low power dissipation monitoring system is designed，which can dynamically monitor the pressure，temperature，electrical conductivity and pH of the stomach.After analyzing the hardware and software design respectively，the clinical animal experiment is presented.The measurement accuracy of pressure，temperature，electrical conductivity and pH can respectively reach±0.5 kPa，±0.1℃，±0.1 ms and±0.05 PH，and the experimental results show that the system has good performance and stability，communication success can reach 99%，can work more than 90 days，response time is less than 1 s，storage can backup 10 000 frame data.This design is expected to provide a reference for the clinical diagnosis and therapeutic evaluation of disorders of gastrointestinal motility(DGIM)and other gastrointestinal disorders，and to seek a new way to promote the study of gastrointestinal motility.

gastrointestinal motility;bluetooth low energy;DGIM;dynamic monitoring

R322.4

A

1004－1699(2017)02－0167－07

C:7230J

10.3969/j.issn.1004－1699.2017.02.001

2016－08－04 修改日期:2016－09－09