董 磊，陳旭萍，唐 滸，萬其偉，陳 昕

（1. 深圳大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2. 深圳大學(xué) 廣東省生物醫(yī)學(xué)工程實驗教學(xué)示范中心，廣東 深圳 518060）

生物醫(yī)學(xué)工程是一門將工程學(xué)與生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)緊密相融，同時汲取了物理、化學(xué)、材料等眾多學(xué)科領(lǐng)域最新成果的交叉學(xué)科，其支撐產(chǎn)業(yè)——醫(yī)療器械，屬于國家重點支持的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)[1]。該學(xué)科致力于將工程學(xué)設(shè)計理念應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和生命健康領(lǐng)域，研制用于預(yù)防、診斷、治療疾病及促進健康的創(chuàng)新性醫(yī)療設(shè)備、生物制劑、生物材料和植入設(shè)備等[2]。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的本科生需要在短短的4 年時間內(nèi)同時學(xué)好電子類、計算機類、醫(yī)學(xué)類和生物類課程，對學(xué)生來說是一個巨大的挑戰(zhàn)[3]。學(xué)生需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容多而不精，就業(yè)時競爭力不強[4-5]。因此，從能力培養(yǎng)的角度來看，應(yīng)該加強專業(yè)技能的實踐訓(xùn)練，為學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)和終身發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)[6]。

醫(yī)學(xué)電子儀器是我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一個重要方向，在課程設(shè)置上，專注于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)電子工程技術(shù)相關(guān)課程[7]。醫(yī)學(xué)電子學(xué)是該方向的必修課程之一，其目的是讓學(xué)生掌握電子設(shè)計基礎(chǔ)和項目實現(xiàn)能力，是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)將電子工程技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實驗是該課程的配套實驗課程，目的是讓學(xué)生將所學(xué)醫(yī)學(xué)電子學(xué)知識應(yīng)用于項目實踐之中，培養(yǎng)自己的項目實踐能力。針對當(dāng)前醫(yī)學(xué)電子學(xué)方向缺少完整教學(xué)體系和實驗教學(xué)平臺的問題，結(jié)合TDBU (top-down & bottom-up)創(chuàng)新教學(xué)模式[8]，開發(fā)了可以滿足生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實踐教學(xué)要求的便攜式醫(yī)學(xué)電子學(xué)開發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計了醫(yī)學(xué)電子學(xué)實驗教學(xué)方法和內(nèi)容，并在教學(xué)實踐中取得了良好的效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計理念

醫(yī)學(xué)電子學(xué)是一門將醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)和工程學(xué)、電子學(xué)等學(xué)科知識融合在一起的專業(yè)課程，也是生物醫(yī)學(xué)工程、康復(fù)工程、醫(yī)療器械工程等專業(yè)的核心課程。一方面現(xiàn)代電子技術(shù)高度發(fā)展，另一方面醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引進越來越多的電子技術(shù)，加深了醫(yī)學(xué)與電子技術(shù)的交叉滲透[9]。課程內(nèi)容主要是利用與電子學(xué)相關(guān)的物理、電路知識，學(xué)習(xí)對人體生理信號提取、處理和分析的完整系統(tǒng)流程。由于采集到的原始生理信號具有信噪比低、信號微弱等特點[10]，普通的處理電路并不適用于此類信號的分析，因此將在醫(yī)學(xué)電子學(xué)中重點學(xué)習(xí)共模反饋抑制電路、儀器儀表放大電路等處理微弱信號、低信噪比的信號專用電路，將所學(xué)與所用有效結(jié)合。除了高性能的信號處理電路，在系統(tǒng)設(shè)計時亦要兼顧醫(yī)學(xué)電子儀器的小型化和集成化趨勢。小型化的醫(yī)療儀器便于攜帶，提高其使用率；集成化使儀器能夠搭載更多功能，提高空間利用率[11]。

目前，由于缺少專用教材，醫(yī)學(xué)電子學(xué)的授課只能按照電子專業(yè)的課程安排進行，而醫(yī)學(xué)相關(guān)知識比較缺乏[12]，這就導(dǎo)致了在教學(xué)過程中存在多方面的問題：一是重離散、輕綜合，在電子類課程中，過多地強調(diào)分析獨立、經(jīng)典的電路從而缺乏對多個模塊組合電路的學(xué)習(xí)；二是重理論、輕實踐，過于重視課堂的基本電路講解而忽略了相應(yīng)實驗課程的部署；三是重知識、輕應(yīng)用，即便是在電子學(xué)的基礎(chǔ)上增加了醫(yī)學(xué)相關(guān)知識，學(xué)生也難以將二者很好地聯(lián)系在一起，無法應(yīng)用于實際項目設(shè)計。

在硬件資源方面，許多院校缺少專用實驗設(shè)備，市面上的許多醫(yī)學(xué)電子教學(xué)儀器具有價格高、操作復(fù)雜、功能單一等缺點，很多課程只能通過仿真軟件搭建電路進行分析，學(xué)生缺乏感性認(rèn)識，無法體會調(diào)試和誤差分析對于系統(tǒng)設(shè)計的重要性[13]?；谏鲜鰡栴}，我們開發(fā)了便攜式醫(yī)學(xué)電子學(xué)開發(fā)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

便攜式醫(yī)學(xué)電子學(xué)開發(fā)系統(tǒng)由主機、參數(shù)模擬板和傳感器三部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。主機具有整體供電、信息顯示、無線通信、參數(shù)傳輸和核心主控的功能。參數(shù)模擬板是外擴單元，將主機傳輸來的原始參數(shù)信號經(jīng)特定電路處理后再傳回主機。目前已完成人體5 大生理參數(shù)：體溫、心電、呼吸、血壓和血氧測量電路板的開發(fā)與測試。

圖1 便攜式醫(yī)學(xué)電子學(xué)開發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 主機設(shè)計

便攜式醫(yī)學(xué)電子學(xué)開發(fā)系統(tǒng)主機電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，分為STM32 核心電路、通信電路、電源電路、聲光指示電路、傳感器驅(qū)動電路、參數(shù)模擬板接口電路和傳感器接口電路等 7 個模塊。主機使用STM32F103 芯片設(shè)計核心電路，能夠滿足整個系統(tǒng)的功能與需求。通信電路由藍牙模塊和Wi-Fi 模塊組成，實現(xiàn)系統(tǒng)與計算機或移動平臺（如Android 或IOS 終端）之間的通信。兩節(jié)18650 型號的電池并聯(lián)接入，為整個系統(tǒng)供電，并可通過USB 充電接口經(jīng)電池充放電管理電路向機內(nèi)電池充電。聲光指示電路包括OLED 顯示電路、LED 電路和蜂鳴器電路，用于指示系統(tǒng)工作狀態(tài)。參數(shù)模擬板接口電路是主機與參數(shù)模擬板之間的通信橋梁。傳感器接口電路將心電導(dǎo)聯(lián)、體溫探頭、血氧探頭連接到主機。傳感器驅(qū)動電路主要包括血壓部分的氣閥、氣泵、壓力傳感器驅(qū)動電路。

圖2 主機電路結(jié)構(gòu)

2.2 參數(shù)模擬板設(shè)計

參數(shù)模擬板以可替換性為設(shè)計理念，采用同一個外形模板和同一套連接體系，使5 種不同功能的模擬板都能與主機實現(xiàn)通信和供電等功能，參考模擬板如圖3 所示。在設(shè)計上，由于5 種參數(shù)模擬板都以“連接模塊—電源模塊—信號處理模塊”為模板進行電路設(shè)計，其結(jié)構(gòu)相似，故在此主要介紹體溫模擬板的工作原理。

圖3 5 塊參數(shù)模擬板

（1）體溫參數(shù)模擬板。體溫測量以熱敏電阻為測溫元件，在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)了對溫度的精確測量。體溫模擬板可分為連接電路、電源電路和體溫處理電路。連接電路為信號傳輸?shù)穆窂?，傳輸?shù)男盘栍校簭闹鳈C傳感器傳來的原始參數(shù)信號、單片機控制測量探頭的信號、經(jīng)過處理后的參數(shù)信號和電源。電源電路包含電池轉(zhuǎn)7.5V 電路、7.5V 轉(zhuǎn)5V 電路和5V 轉(zhuǎn)3.3V 電路。體溫處理電路從功能上可分為體溫通道選擇電路、信號處理電路和探頭連接檢測電路。體溫模擬板的電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主機的核心電路通過IO 控制選擇4 個通道的采樣開關(guān)，采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)由體溫信號處理電路處理，再傳給主機分析，最終得到較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。探頭連接檢測電路用于判斷體溫測量時是否接入體溫探頭，確保測量正常進行。

圖4 體溫模擬板電路結(jié)構(gòu)

（2）血氧參數(shù)模擬板。血氧測量是根據(jù)血液中HbO2（氧合血紅蛋白）和Hb（還原血紅蛋白）對光吸收量不同的原理，設(shè)計了透射式血氧測量的方法與實現(xiàn)電路?；倦娐钒娫措娐贰嚎睾懔髟措娐?、血氧探頭發(fā)光管驅(qū)動電路、參考電壓輸出電路、信號放大濾波電路等。

（3）呼吸參數(shù)模擬板。呼吸模擬板采用阻抗式呼吸測量法，通過設(shè)計針對高阻抗、微信號的處理電路，實現(xiàn)呼吸參數(shù)的測量。呼吸處理電路由4 部分組成，分別是載波電路、儀器儀表放大電路、檢波電路以及濾波放大電路。

（4）心電參數(shù)模擬板。心電模擬板采用雙極導(dǎo)聯(lián)的信號采集方式，針對心電信號電磁干擾大、信噪比低等特點設(shè)計電路，其基本電路包括RC 低通濾波電路、運放跟隨器電路、儀器儀表放大電路、放大濾波電路和右腿驅(qū)動電路。同時，模擬板中還包含了導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路，主機可以根據(jù)檢測電路的輸出信號是高電平還是低電平判斷導(dǎo)聯(lián)是否連接成功。

（5）血壓參數(shù)模擬板。血壓模擬板采用示波法，通過壓力傳感器檢測血壓信號和脈搏波信號，經(jīng)過放大、濾波、分壓等處理，通過微處理器計算得到血壓值。血壓模擬板的基本電路包括電源轉(zhuǎn)換電路、有源低通濾波電路、三極管開關(guān)電路、反相比例放大電路等。

2.3 便攜式醫(yī)學(xué)電子學(xué)開發(fā)系統(tǒng)

便攜式醫(yī)學(xué)電子學(xué)開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計如圖5 所示。系統(tǒng)核心電路板封閉于主機中僅留出必要的接口，使用藍牙和Wi-Fi 兩種通信方式。主機可通過擴展槽分別和5 種生理參數(shù)信號測量電路板（體溫、心電、血壓、血氧和呼吸）以及對應(yīng)傳感器的導(dǎo)聯(lián)線相連使用，數(shù)據(jù)通過藍牙或Wi-Fi 發(fā)送至上位機。

圖5 便攜式醫(yī)學(xué)電子學(xué)開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計圖

從正面看，主機的左側(cè)提供了5 大生理參數(shù)的傳感器接口，右側(cè)是電池充電接口。主機正面有一個OLED 顯示屏，顯示參數(shù)板信息、電池電量和藍牙連接等信息，兩側(cè)分別是開關(guān)按鍵和復(fù)位按鍵。參數(shù)模擬板在主機的正中間，并在其卡槽位置設(shè)計了凹槽，利用四周的特殊輪廓設(shè)計，便于安裝與拆卸，同時避免參數(shù)板插反。

使用時，將其中一個參數(shù)模擬板裝在主機上，同時在對應(yīng)功能的接口接上測量探頭或袖帶，將測量探頭或袖帶準(zhǔn)確放置在被測量者的身體部位上，在測量到人體的生理參數(shù)數(shù)據(jù)之后，主機通過藍牙將數(shù)據(jù)發(fā)送至電腦上的醫(yī)學(xué)信號采集平臺，在上位機平臺上顯示信號波形、計算參數(shù)和分析結(jié)果，心電測量連接方式如圖6 所示。

圖6 心電測量連接示意圖

本系統(tǒng)使用醫(yī)學(xué)信號采集平臺實現(xiàn)上位機的顯示。在完成串口選擇、模塊選擇和顯示比例等設(shè)置后，該平臺能夠采集模擬板上的參數(shù)信號并顯示，可在平臺界面上直接觀察到波形等測量結(jié)果，同時也便于對參數(shù)模擬板進行調(diào)試。醫(yī)學(xué)信號采集平臺的心電信號采集結(jié)果如圖7 所示。

圖7 醫(yī)學(xué)信號采集平臺的心電信號采集結(jié)果

3 教學(xué)應(yīng)用

本系統(tǒng)在教學(xué)應(yīng)用上以項目為目標(biāo)，側(cè)重于實操性，將分散的電路模塊，通過項目串接起來，做出具有實際意義的功能電路。首先，通過對5 大參數(shù)測量原理的理解、學(xué)習(xí)電路性能參數(shù)等相關(guān)知識，使學(xué)生能完成電路的理論計算和仿真驗證。然后，通過各個參數(shù)的實驗開展，熟悉各個參數(shù)的測量方法，在測量過程中對電路進行測試和驗證。最后，設(shè)計帶有處理芯片的5 大參數(shù)測量系統(tǒng)，同時還要對關(guān)鍵參數(shù)進行調(diào)整，提高測量精度和系統(tǒng)性能。

例如心電模擬板，該板包含電源轉(zhuǎn)換電路、RC低通濾波電路、儀器儀表放大電路、基準(zhǔn)電壓電路、雙向模擬開關(guān)電路、右腿驅(qū)動電路、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路等，囊括了模電數(shù)電、信號處理等相關(guān)課程的知識。

第一步：學(xué)生通過學(xué)習(xí)模電知識，了解諸如基準(zhǔn)電壓、濾波器的原理和通帶控制、儀表放大電路的放大倍數(shù)和共模抑制比、右腿驅(qū)動電路等與心電相關(guān)聯(lián)的模擬電路實例。

第二步：通過理論計算，結(jié)合相關(guān)公式計算出電路上每個測試點的理論電壓、理論電流和波形參數(shù)，并在Multisim 或者Proteus 中進行仿真，仿真時使用信號發(fā)生器產(chǎn)生毫伏級低頻信號，并估算其合理波動范圍。

第三步：將心電參數(shù)模擬板插到主機上，并與上位機相互連接，再將心電導(dǎo)聯(lián)線按照規(guī)定的連接方法接到生理參數(shù)模擬器或身上，測量心電信號。

第四步：在上位機的醫(yī)學(xué)信號采集平臺觀測生理參數(shù)信號，利用示波器對參數(shù)模擬板上的測試點進行檢測，驗證各點數(shù)值是否與之前的理論計算相符，并分析導(dǎo)致誤差的原因。

第五步：根據(jù)所學(xué)的電路設(shè)計知識，結(jié)合便攜式醫(yī)學(xué)電子學(xué)設(shè)計系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計方案，對其中的一些性能參數(shù)進行優(yōu)化，設(shè)計出自己的作品。這一步驟鼓勵分工合作，建議將學(xué)生劃分為硬件組、單片機組、算法組和軟件組，最后再將作品整合在一起實現(xiàn)完整的醫(yī)療電子系統(tǒng)。

通過本系統(tǒng)實踐，學(xué)生可以快速掌握醫(yī)學(xué)電子學(xué)基本電路系統(tǒng)的設(shè)計方法，從電路分析到模擬電路，從理論計算到電路仿真，再從儀器操作到實測分析，最終不僅能夠熟練掌握儀器儀表的使用和電路的設(shè)計、制作與調(diào)試，還能夠自行設(shè)計出一個完整可行的測量系統(tǒng)。

此外，通過開發(fā)系統(tǒng)以藍牙模塊和Wi-Fi 模塊為通信媒介，學(xué)生可以將采集到的信號發(fā)送到計算機或移動終端（如Android 或IOS 終端），進行拓展學(xué)習(xí)，了解通信協(xié)議和操作系統(tǒng)的工作機理，有助于學(xué)生將知識體系進一步延伸至軟件和算法領(lǐng)域，將相關(guān)課程知識融匯貫通，便攜式醫(yī)學(xué)電子學(xué)開發(fā)系統(tǒng)的教學(xué)實驗項目及實驗內(nèi)容如表1 所示。

表1 教學(xué)實驗項目及實驗內(nèi)容

4 教學(xué)成果

本系統(tǒng)已經(jīng)在深圳大學(xué)、南方科技大學(xué)和南方醫(yī)科大學(xué)推廣使用，取得了良好的效果。根據(jù)教學(xué)反饋，絕大部分學(xué)生不僅能熟練地掌握醫(yī)學(xué)電子學(xué)相關(guān)知識的原理與應(yīng)用，還進一步了解了本專業(yè)的目標(biāo)與方向，提高了專業(yè)素養(yǎng)。在深入學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)電子學(xué)后，學(xué)生可根據(jù)需求與自身能力，設(shè)計出具有一定功能的醫(yī)學(xué)電子設(shè)備，獨立完成電路設(shè)計、打樣、貼片、焊接、程序設(shè)計和撰寫文檔。圖8 是由學(xué)生自主設(shè)計的便攜式體溫單參數(shù)測量系統(tǒng)，將體溫參數(shù)處理電路與核心板電路相結(jié)合，實現(xiàn)了一個完整醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)，并對電路的性能進行了升級，體現(xiàn)了本系統(tǒng)的良好教學(xué)成果。

圖8 學(xué)生設(shè)計的便攜式體溫測量系統(tǒng)電路板

5 結(jié)語

便攜式醫(yī)學(xué)電子學(xué)開發(fā)系統(tǒng)以體溫、心電、呼吸、血壓、血氧5 個人體參數(shù)為切入點，分別設(shè)計了相關(guān)電路與實驗內(nèi)容，系統(tǒng)展示了生物信號采集、放大、濾波、處理和顯示的整個流程。該系統(tǒng)不僅有利于加深學(xué)生對電路設(shè)計的理解、增強綜合應(yīng)用技能，而且激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了實踐和創(chuàng)新能力。同時，本系統(tǒng)為醫(yī)學(xué)電子學(xué)課程改革與創(chuàng)新提供了嶄新的途徑。