医用口袋实验室的设计与实现

摘要：开发了一套医学器械设计口袋实验室，并开发了配套的实验管理软件，包括服务端程序和前端用户程序。该口袋实验室使得学生能够在不受空间和时间限制的情况下进行实验并上传实验结果，教师可以在远端进行辅导并对实验数据和现象进行批改。这是我校在新工科、新医科教育背景下，对教学模式改革的一种积极探索，为学生自主学习和创新提供了很好的学习平台。

关键词：信息大众化；口袋实验室；自主学习；实验管理软件

近年来，我国在大健康、“互联网+”、大数据、智能可穿戴设备、移动医疗等大背景下，生物医学工程领域科学技术发展迅猛，众多专业院校相继开设生物医学电子工程、医学物理、医疗仪器维修与制造等医疗电子专业。特别是近一年病毒肺炎疫情(简称疫情)肆虐全球，对医学仪器设计与创新提出了更紧迫的要求。本团队以健康医学系统[1]为框架，设计了一系列医学教学用实验实验平台，包括物联网健康实验平台、医学用口袋实验室[2]、动态心电记录仪[3]等，并且开发了相应的实验管理平台，可以进行实验时间、内容、指导教师的网上预约，支持实验时间、时长、操作者、实验数据、各类波形的保存与上传，设计了私有云，保证数据在长期保存、实时共享的情况下的安全和权限管理。实验套件由核心基础实验平台、生理信号检测模块、数据通信模块、扩展外设模块等组成。通过模块间的组合搭配，对人体全生态环境下的生理信号进行检测，从而对健康状态实施量化评估和诊断。该平台采用的无线数据传输模块、服务器平台软件达到健康物联网及大数据[4]教学的应用需求。医用口袋实验室采用磁铁吸附式设计，板载下载器和各个模块之间采用磁铁防止反接的工作原理，只有在顺序正确时才能贴牢。5个模块叠加在一起的高度为11mm，宽度为49mm，长度为54mm，方便放在衣服的口袋内，这也是口袋实验室名字的由来。本口袋实验室具有普通医学仪器实验箱[5]的基本功能，而且具有物联网的功能，支持医学信息的远距离传输。该实验箱在我校已经使用2年，目前主要应用于学生课外实践、本科毕业设计和参加各类相关竞赛，如为新工科竞赛、物联网竞赛及本学院的医创杯竞赛等提供硬件的支撑。

1硬件设计

本口袋实验室设计时充分考虑了知识概念的包揽性、价格的低廉性和体积的小巧性，以及易组装、方便供电等实用性的特点，同时在接口设计时，考虑了兼容性和统一性，方便模块的扩展和功能的扩展，提高其通用性。在一个小的口袋式的实验盒子里可以实现绝大部分的医学传感器、医用仪器设备、物联网通信、嵌入式开发等实验，实现了体积小、功能全、操作方便、可扩展性强的设计目标。各模块采用磁铁进行吸附，信号传送采用弹针，方便插拔，外观简洁大方，能够有效防止差错，定位准确。各模块只有顺序正确的时候才能贴牢，有效防止了反接(见图1)。下面介绍几种核心模块的设计方法和实现方法。1.1主控模块的设计主控模块是核心板，用以完成各个模块采集信息的计算，下载模块也在主控模块上。主控模块处理器采用stm32f103ret6。该芯片价格低，引脚数目相对较少，而且为低功耗芯片，计算性能强，中断响应系统为多优先级。另外，该芯片拥有丰富的片上资源，包括3个USART，1个USB，32个GPIO，2个I2C，2个SPI，4个time，10个ADC及2.0～3.6V的供电电压(见图2)。图2口袋实验室主控模块核心板的特点有：通过迷你USB的方式供电，供电方便；集下载器为一体，可实现在线仿真和下载的功能，无须再另配备下载器；自带多种通信接口，方便与各种模块通信；预留多路电源输出口，方便功能扩展；自带USB通信接口，可将数据传输给PC端，方便调试和展示数据。1.2心电信号检测模块的设计该模块采用ADS1191作为心电信号模拟前端。ADS1191/2是低功耗、多通道、同步采样、16位ΔΣ模数转换器，具有完整的可编程增益放大器(PGAS)，集成了多方面ECG的特有功能从而使得该模块能很好地适用于可扩展心电图、运动和健身应用。设备在该模块关闭ECG相关电路还可以用于其他场合的高性能、多通道数据采集系统。图3心电信号检测模块的工作原理心电信号检测模块[6]工作原理框图如图3所示。该模块可将从人体体表电极获取的心电信号通过导联选择器输入差动放大器，再将幅度仅为毫伏级的微弱心电信号进行放大，该模块具有高共模抑制比。为了提高心电信号模块的放大倍数和带负载的能力，可在带通滤波器和50Hz陷波器之间、输出级分别加入一级同相放大器。带通滤波器由RC低通滤波器和高通滤波器组成，隔离前置差动放大器的直流电压和直流极化电压，耦合心电信号，保证心电信号低端截止频率为0.05Hz，高端截止频率为100Hz，输出的心电信号频率为0.05～100Hz。在测量心电信号时，电极和皮肤接触不良会导致其工频干扰，同时伴随肌肉紧张也会出现肌电干扰，因此心电信号模块测量电路中需要加入50Hz陷波器和肌电干扰滤波电路。从人体接触的电极到心电模块差动放大器输入端，通常有大于1m的导联引线，导联引线采用的是屏蔽电缆，屏蔽电缆接地，由于其内部存在分布电容，如果两根导联引线的分布电容不一致，将导致电极阻抗RS的不平衡，共模电压在输入端转化为差模信号，使整个放大系统的共模抑制能力降低。为了消除屏蔽电缆电容不良影响，在心电模块的前置放大器设置了右腿驱动电路和屏蔽驱动电路，将人体的共模信号反馈给人体，以抵消共模干扰的影响。其检测原理如图4所示。图4心电信号检测模块硬件处理流程

2软件设计

主控模块、心电信号检测模块、通信模块和显示等模块都需要软件辅助硬件实现各自的功能。本文只列出心电信号检测模块的软件设计方法。心电信号检测模块处理心电信号之后，初步得到了模拟心电信号。要想实现系统需求功能，实现信号数字化传输，纯硬件电路是不够的，还需要软件配合硬件同步完成。ADS1191以250点/s的速度进行信号采集和转换，当它准备好一个数据时，MCU可以收到一个外部中断，MCU要通过SPI读取这条数据，对其进行滤波，并将其放置于缓存中。心率计算是完成心率实时计算和显示的工作，在系统进入心电监测界面时该任务即被解挂，当进入结束界面后，心率计算任务将被挂起。MCU通过SPI读取数据，对其进行滤波，并将其放置于缓存中。当缓存中累计存放2500个数据时，心率计算程序将对缓存中的所有数据进行一次分析，得出这一时间段的心率中位数。图5是心电信号检测模块软件程序流程图。图5心电信号检测模块软件程序流程图

3实验管理功能的开发及实现

[7]学生用口袋实验室所做的实验，大多是基于兴趣的、创新的实验，而不是课内实验。为鼓励学生多进行这类实验，学院根据实验完成情况，给予学生不同的实践学分。学院制订了课外实验实践教学方案和考核指标用来支撑这种新的实验方式。为了实现上述功能，学院设计了自主性实验管理系统。该系统包括信息层、网络层和决策层，并且设计了私有云[9]。学生在系统中可以选择学院想做的实验内容，实验时长、实验结果、实验报告将作为实验成绩的衡量指标[8]。管理系统架构如图6所示。图6自主性实验管理系统架构图

4结语

口袋实验室的建成，拓宽了实验的时间、空间概念，既满足了学生的学习需求又能给他们自主安排学习时间留有余地，较好地解决了实验内容增加与规定学时减少带来的矛盾，有利于学生创新实践能力的培养，也有助于学生的个性化发展，标志着我校一个真正意义上的全开放、全共享、课内外一体化的自主学习实践平台[10]的建立。

作者：王敏 肖祚霖 李梦岘 付梦雅 刘奎绕 单位：天津工业大学生命科学学院