劉昕宇, 羅戴維, 陳 昕, 汪天富, 汪常樂

(1. 深圳大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心, 廣東 深圳 518000； 2. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 廣東 深圳 518172)

生物醫(yī)學(xué)工程是一門理工醫(yī)相結(jié)合的交叉學(xué)科,是一門新興的邊緣學(xué)科[1]。生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科主要的研究方向有醫(yī)學(xué)超聲及圖像處理、體外診斷儀器、生命信息監(jiān)測、分子影像等,其涉及科學(xué)領(lǐng)域較為廣泛,除生物學(xué)、醫(yī)學(xué)外,還有電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、光學(xué)、化學(xué)和機(jī)械學(xué)等。該專業(yè)要求學(xué)生深入掌握生物技術(shù)、電子技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù),同時也能勝任醫(yī)療器械生產(chǎn)開發(fā)、維修管理等相關(guān)工作。

1 醫(yī)學(xué)嵌入式系統(tǒng)課程介紹

醫(yī)學(xué)嵌入式系統(tǒng),是深圳大學(xué)為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)開設(shè)的特色課程,是一門集理論學(xué)習(xí)與課程實(shí)踐為一體的綜合性課程。該課程以嵌入式系統(tǒng)技術(shù)原理為基礎(chǔ),以培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的專業(yè)知識理論。配套的醫(yī)學(xué)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程,使學(xué)生將從課堂中學(xué)到的理論轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實(shí),對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力及養(yǎng)成良好工程意識有著重要意義。該課程要求學(xué)生在學(xué)習(xí)傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)課程的基礎(chǔ)上,對血壓計(jì)、監(jiān)護(hù)儀、生化分析儀等常用醫(yī)療器械的關(guān)鍵技術(shù)部件進(jìn)行了解和運(yùn)用,為學(xué)生今后的實(shí)習(xí)與就業(yè)打下基礎(chǔ)。

本文研制了一套功能全備的醫(yī)療電子嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺,該平臺采用目前市面上流行的基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32嵌入式單片機(jī)作為主控芯片,配合多種嵌入式系統(tǒng)通用技術(shù)模塊,同時加入了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特色的醫(yī)學(xué)生理參數(shù)模塊[2]。該實(shí)驗(yàn)平臺能有效幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中,掌握嵌入式系統(tǒng)的基本原理,同時也能夠?qū)︶t(yī)療儀器的開發(fā)有初步的認(rèn)識和了解,極大地增加了學(xué)生對本專業(yè)的學(xué)習(xí)熱情[3]。

2 平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺采用意法半導(dǎo)體公司STM32嵌入式單片機(jī),作為一款工業(yè)領(lǐng)域常用的微控制器,該芯片高性能、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn),在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有很強(qiáng)的實(shí)用性。平臺外部搭載觸控液晶屏、7段數(shù)碼管、流水燈、蜂鳴器、RGB、鍵盤、步進(jìn)電機(jī)、藍(lán)牙、WIFI等通用性實(shí)驗(yàn)?zāi)K,同時配置了血壓、心電、血氧飽和度、體溫等生理參數(shù)模塊見圖1。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

2.1 基于Cortex-M3內(nèi)核的最小系統(tǒng)模塊

該平臺的最小系統(tǒng)模塊由基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6嵌入式單片機(jī)、多通道電源模塊、晶振和RST等組成。該單片機(jī)內(nèi)置512 kB Flash,最高支持72 MHz工作頻率,內(nèi)置4個16位定時器,12通道的DMA控制器,3路12位AD轉(zhuǎn)換器,并有多達(dá)112個快速I/O端口,支持I2C、UART、CAN、USB等多種通信接口[4-5]。鑒于該單片機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的廣泛性,本平臺特意選取其為主控芯片。

系統(tǒng)的電源部分采用24 V/3 A電源適配器進(jìn)行外部供電,其輸出功率保證了實(shí)驗(yàn)平臺各種大功率器件(步進(jìn)電機(jī)、觸控液晶屏等)正常運(yùn)行。平臺內(nèi)部電源模塊采用LM2596和AMS1117等不同類型的電源芯片,形成+24 V、+12 V、+5 V、+3.3 V、+1.8 V等電源網(wǎng)絡(luò)。需要注意的是,功率器件和普通IC器件在接地時,需要將兩種地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分開布線,并用磁珠進(jìn)行隔離,以防止影響芯片的穩(wěn)定性[6-7]。

2.2 輸入控制模塊

系統(tǒng)的輸入控制模塊包括常用的矩陣鍵盤、撥位開關(guān)、和模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器等傳統(tǒng)的通用技術(shù)模塊,還增加了儀器中常見的光耦開關(guān)模塊。該模塊主要實(shí)現(xiàn)輸入或者采集操作。

2.3 輸出控制模塊

本平臺的通用輸出控制模塊功能十分強(qiáng)大,不僅包含通用的蜂鳴器、LED流水燈、7段數(shù)碼管等嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺常用部件,還增加了例如RGB燈珠、高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、彩色觸控液晶屏等當(dāng)今醫(yī)療電子設(shè)備中的常用器件。使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課中熟悉這些模塊的控制和操作,以便在日后的工作中更好地運(yùn)用[8]。

2.4 通信模塊

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展,傳統(tǒng)單片機(jī)基于串口的單一通信模式已經(jīng)不能滿足社會對于電子產(chǎn)品的需求。針對此情況,本平臺設(shè)計(jì)了多種通信模塊,使學(xué)生在學(xué)習(xí)時,不僅可以使用串口、USB模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信,也可以使用藍(lán)牙、WIFI等無線通信模塊，與手機(jī)、平板電腦進(jìn)行協(xié)同開發(fā)。以多種通信方式開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,提升學(xué)生的綜合競爭力。

3 醫(yī)療電子部件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺的醫(yī)療電子部件選用深圳大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)驗(yàn)中心自主研發(fā)的生理參數(shù)模塊(見圖2),其集成了血壓、心電、血氧飽和度、體溫、呼吸等多種測量模塊于一體的綜合性功能模塊,可同時完成多項(xiàng)生命體征監(jiān)測任務(wù)。該模塊通過串口與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,并可將測量結(jié)果顯示在觸控液晶屏上。

圖2 實(shí)驗(yàn)中心自主研發(fā)的生理參數(shù)模塊

3.1 血壓測量模塊

血壓測量模塊包括充氣泵、電磁閥、壓力傳感器等裝置,該模塊具有收縮壓、平均壓、舒張壓和脈率等參數(shù)的監(jiān)測功能,血壓測量范圍可達(dá)0～300 mmHg,精度±2 mmHg。學(xué)生通過學(xué)習(xí)各種裝置的使用來完成人體血壓測量,并將袖帶壓、脈率數(shù)據(jù)實(shí)時顯示到液晶屏上。該血壓測量算法由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師提供,對于水平較高的學(xué)生亦可讓他們獨(dú)立開發(fā)血壓測量算法。

3.2 心電信號測量模塊

心電信號測量模塊采用3導(dǎo)聯(lián)獨(dú)立通道,可同時監(jiān)測3路心電數(shù)據(jù),并帶有1路呼吸參數(shù),2路體溫監(jiān)測功能,可設(shè)置為診斷、監(jiān)護(hù)、HARDEST和手術(shù)測量模式,并支持心律失常診斷監(jiān)護(hù)。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的同時,不僅可以將多路心電信號顯示在液晶屏上,也可以通過藍(lán)牙、WIFI等多種通信模塊發(fā)送到電腦和手機(jī)上,為他們今后研發(fā)可穿戴醫(yī)療設(shè)備、POCT型儀器等打下基礎(chǔ)。

3.3 血氧飽和度測量模塊

血氧飽和度測量模塊采用基于紅外光譜吸收的光學(xué)傳感器,擁有脈搏氧、脈率和灌注指數(shù)的監(jiān)測功能,通過AD轉(zhuǎn)換器與主控模塊連接,可實(shí)時傳輸基于紅外光譜吸收的脈搏波信號。該模塊的測量精度可達(dá)±2%,并且采用先進(jìn)的抗運(yùn)動算法,具有強(qiáng)抗運(yùn)動性能。本實(shí)驗(yàn)平臺為學(xué)生配備了與臨床相同規(guī)格的血氧飽和度探頭,使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中所學(xué)到的知識可以和今后的工作進(jìn)行無縫連接。

4 實(shí)驗(yàn)課程及教學(xué)應(yīng)用

醫(yī)療電子嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)物見圖3,實(shí)驗(yàn)中心經(jīng)過2015—2017年的不斷改進(jìn),已于2017年第二學(xué)期投入推廣使用,面向我校生物醫(yī)學(xué)工程2015級本科生進(jìn)行醫(yī)學(xué)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)平臺包括實(shí)驗(yàn)箱主機(jī),并配有血壓袖帶、心電信號導(dǎo)聯(lián)線、體溫傳感器和血氧傳感器等。

圖3 醫(yī)療電子嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物

針對該課程的實(shí)際需求,設(shè)計(jì)了多層次、分等級的實(shí)驗(yàn)課程,實(shí)現(xiàn)梯次配置、循序漸進(jìn)的教學(xué)模式[9]。該課程總計(jì)14次實(shí)驗(yàn)課,每節(jié)課2課時,所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見表1。首先從基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)開始,讓學(xué)生了解STM32單片機(jī)的基本操作,并熟悉各種外部資源的配置方法；在此基礎(chǔ)上開展通用性實(shí)驗(yàn),使學(xué)生逐步掌握實(shí)驗(yàn)平臺各類外設(shè)模塊的用法。通過這一階段的學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)該熟悉使用STM32單片機(jī),并具備基本的開發(fā)能力。對于完成了前2個階段學(xué)習(xí)的學(xué)生,將開放所有創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課程,在這個階段主要以學(xué)生自己動手為主,教師提供一些算法類指導(dǎo),并以產(chǎn)品級的標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生[10]。對于一些基礎(chǔ)較好,或者已經(jīng)有過STM32單片機(jī)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生,可以直接進(jìn)入創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn),并可以設(shè)計(jì)更深層次的綜合性實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生提早接觸到醫(yī)療儀器研發(fā)和調(diào)試的常用方法[11]。

表1 配套實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的醫(yī)療電子嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺不僅滿足了該課程的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求,強(qiáng)化了醫(yī)學(xué)嵌入式系統(tǒng)課程承前啟后的作用。教學(xué)實(shí)踐表明,基于本平臺的實(shí)驗(yàn)教學(xué)鞏固了學(xué)生的專業(yè)知識,使學(xué)生對嵌入式單片機(jī)和電子電路有了更深入的了解,同時增加的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也提升了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣,對提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力以及課程的教學(xué)質(zhì)量具有很強(qiáng)的推動作用[12]。