生理参数测量仪器生物医学工程研究所
智能臂带式多生理参数监测设备的研制
智能臂带式多生理参数监测设备的研制于晓华;王国静;刘洪运;王卫东【期刊名称】《医疗卫生装备》【年(卷),期】2024(45)5【摘要】目的:为更全面地获取人体的基本体征参数,研制一种可实时采集心电、血氧饱和度、血压、体温、体位/体动信号的智能臂带式多生理参数监测设备。
方法:该监测设备硬件主要由主控模块、传感器采集模块、蓝牙通信模块、数据显示存储模块、外围控制模块组成,其中主控模块采用STM32L452单片机,传感器采集模块包括心电和体温模块、加速度模块、血氧模块和压力模块,外围控制模块主要包括按键控制模块和电源管理模块;软件包括下位机软件和上位机软件,其中下位机软件借助嵌入式开发平台Keil MDK以C语言进行编写,上位机软件基于LabVIEW平台进行开发。
为验证该监测设备的功能和性能,对该监测设备无线传输和数据存储的稳定性及各生理参数和信号的采集功能进行测试。
结果:测试结果表明,该监测设备可满足对传输可靠性和低功耗的需求,便携性和可穿戴性较好;体温、心率、血氧饱和度、收缩压、舒张压测量误差绝对值的最大值分别为0.08℃、2次/min、1%、4 mmHg(1 mmHg=133.32 Pa)、5 mmHg,具有较高的准确率。
结论:该设备体积小、质量轻、功耗低,可实现对多种生理信号的监测,且能满足监测设备可穿戴性的需求。
【总页数】9页(P34-42)【作者】于晓华;王国静;刘洪运;王卫东【作者单位】解放军总医院医学创新研究部;工业和信息化部生物医学工程与转化医学重点实验室【正文语种】中文【中图分类】R318.6;TH772【相关文献】1.基于航空生理训练的多人生理参数实时监测系统的研制2.智能头带式高原生理信息监测系统3.手持式微型多生理参数监测设备的研制4.可穿戴式多生理参数监测设备研制5.基于STM32的智能穿戴式人体生理参数监测仪因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
生物传感器在医疗器械领域的应用与研究
生物传感器在医疗器械领域的应用与研究生物传感器是一种能够检测生物分子、细胞或生物体特定生理参数的电化学仪器，是生物医学工程研究领域中的前沿技术之一。
它具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等优点，已经广泛应用于医疗器械领域。
本文将从生物传感器的原理、分类和应用三个方面进行介绍。
一、生物传感器的原理生物传感器是将生物分子或细胞固定在传感器表面，并利用它们与特定分子之间的生物化学相互作用，使得传感器电极或其他传感器物质的特性发生变化。
当感受器表面的生物分子或细胞与特定物质接触，其生成的电流或电信号与特定分子或细胞的浓度成正比。
生物传感器的原理就是依据这种浓度与电信号的关系，得出介质中特定物质的浓度。
二、生物传感器的分类生物传感器根据检测对象可以分为单分子生物传感器、细胞生物传感器和组织生物传感器。
单分子生物传感器是利用生物分子的相互作用进行检测，如抗体、DNA等。
细胞生物传感器是通过细胞对外界刺激的反应进行检测。
而组织生物传感器则是利用特定器官和组织对激素、药物等物质的反应，检测生物体内这些物质的含量。
根据检测方式，生物传感器可以分为光学生物传感器、电化学生物传感器和机械生物传感器。
光学生物传感器主要基于光谱、荧光和化学发光等原理进行检测。
电化学生物传感器则是利用电极或电场来检测生物分子。
而机械生物传感器则是利用机械力来检测和感受生物分子的变化。
三、生物传感器在医疗器械领域的应用生物传感器已经成为医疗器械领域中的重要技术。
它被应用于疾病的诊断、药物研发和控制、生物成像以及生物控制器等方面。
以下是几个生物传感器在医疗器械领域中的应用案例。
1. 血糖监测器血糖监测器是一种便携式生物传感器，可以通过测量血液中葡萄糖的浓度来帮助糖尿病患者控制血糖水平。
现在的血糖监测器已经达到了精度高、使用方便的地步，根据美国FDA的标准，一些商用的血糖监测器的测量误差不超过15%。
2. DNA诊断器DNA诊断器是一种通过检测DNA序列来确定特定类疾病的工具。
生物医学工程中的医学检验与诊断技术
生物医学工程中的医学检验与诊断技术生物医学工程是一个蓬勃发展的学科领域，其中医学检验与诊断技术是其中一个重要的领域。
医学检验与诊断技术是医学工程师在诊断和治疗疾病方面所使用的技术和工具。
这些技术和工具基于生物医学工程的原理和方法，能够在临床实践中帮助医生进行准确的诊断和有效的治疗。
生物医学工程中的医学检验技术主要包括实验室检验和影像学检查。
实验室检验是通过对血液、尿液、组织等生物样本的检测与分析，获得关于患者健康状况以及疾病发展情况的信息。
常见的实验室检验技术包括血常规、生化检验、细胞学和分子生物学等。
这些检验技术能够提供很多重要的生理指标，如血红蛋白浓度、血糖水平、肾功能、肝功能、免疫功能等等。
这些生理指标根据正常参考范围的高低，可以判断患者是否患有某种疾病，评估疾病的严重程度以及疾病治疗效果等。
而影像学检查则是通过对患者体内的器官和组织进行成像，从而帮助医生进行准确的诊断和治疗。
影像学检查技术包括X射线检查、CT扫描、MRI、超声波等，这些技术能够提供高质量的图像，帮助医生观察疾病部位、大小、形态以及其他相关信息。
通过这些影像学检查，医生可以发现疾病的早期病灶，了解其发展情况，便于制定更加精准有效的治疗方案。
影像学检查还可以用于手术导航、肿瘤放射治疗等，对治疗方案的安全性和有效性起到重要的支持作用。
生物医学工程中的医学诊断技术是指通过运用先进的技术手段，根据患者的病情和症状，做出准确的诊断。
医学诊断技术包括临床辅助诊断、基因诊断和分子影像学等。
临床辅助诊断主要通过医学仪器设备，对患者进行各种生理参数的检测和记录，辅助医生进行诊断。
基因诊断是利用分子生物学技术和遗传学原理，从基因水平上了解疾病的发展和遗传基础，帮助医生做出更加准确的诊断。
分子影像学是最近发展起来的一种技术，通过利用放射性核素、光学标记剂等物质，结合成像仪器设备，对患者进行分子水平的影像学检查，可直观地观察到疾病的分子水平的变化，为医生制定个性化的治疗方案提供重要的信息。
生物医学工程学的研究方向与应用
生物医学工程学的研究方向与应用生物医学工程学是一门将工程学原理和技术应用于医学和生物学领域的学科。
它涵盖了诸多领域，如生物材料学、生物成像学、生物信号处理、生物建模与仿真等。
在当今的医学和生物学发展中，生物医学工程学的作用越来越重要。
本文将介绍生物医学工程学的研究方向和应用。
一、生物材料学生物材料学是用于制造用于生物医学应用的材料的科学。
研究重点包括用于诊断和治疗的各种材料，如医用聚合物，人工关节和羧甲基纤维素等。
该领域的发展与医学器械的创新密不可分。
例如，可支配和不可支配的医用原材料的研究和开发推动了医疗卫生行业的不断更新，有助于控制和预防各种损伤和疾病。
二、生物成像学生物成像学是生物医学工程学的一个分支，利用各种成像技术，如超声、磁共振成像、放射性核素成像等，帮助医生确定病人健康状况，并研究疾病的发展和诊断方法的改进。
生物成像学的研究内容涵盖了多个领域，如图像处理、数据分析、算法开发和计算机辅助诊断等。
三、生物信号处理生物信号处理主要研究生物信息信号的获取、处理、分析和解释，例如心电图、脑电图、肌电图、血压等。
生物信号处理涉及信号处理技术，如滤波、降噪、时频分析和特征提取。
从这些生物信号中提取的生理参数可用于预测病情或诊断疾病。
例如，心电图可以用于测量心脏的电力活动，以便诊断心脏病。
四、生物建模与仿真生物建模与仿真是一种将动力学、控制、信息理论、数学和计算机科学等多学科技术用于生物学和医学的方法。
通过建模和仿真，将现实世界的生物系统转换为数学或计算机模型，以便进行探索和测试。
生物建模与仿真可用于预测疾病的发展，评估不同治疗方案的效果，并开发新药和疗法。
五、生物医学工程应用生物医学工程学的研究结果已经广泛应用于医疗卫生领域。
例如，通过生物成像技术，医生可以在无需手术的情况下诊断出病情，监测治疗效果。
通过生物材料的设计和制造，医生可以用更加安全和有效的方式进行治疗。
通过生物信号分析，医生可以更准确地测量病人的健康状况，并推断病情。
实验室简介生物医学工程实验室
实验室简介生物医学工程实验室实验室简介：生物医学工程实验室生物医学工程实验室是一个专注于生物医学工程领域的研究机构。
通过应用工程科学与医学知识相结合的方法，我们致力于解决医学领域中的相关问题，推动医学技术的进步和创新。
本实验室拥有一支由跨学科研究人员组成的团队，他们具备丰富的医学背景和工程技术经验，致力于开展创新的研究项目。
一、研究方向生物医学工程实验室的研究方向主要包括但不限于以下几个方面：1. 生物材料与组织工程我们通过研究新型的生物材料和组织工程技术，致力于开发可替代人体组织和器官的方法。
这将有助于解决许多医疗领域中的问题，如器官移植、再生医学和生物医学器械的开发。
2. 医学成像与信号处理我们利用先进的成像技术和信号处理方法，研究医学图像的获取、处理和分析，以提高医学诊断的准确性和效率。
我们还探索新的成像技术，以便更好地观察和理解人体器官和组织的结构与功能。
3. 生物传感器技术在实验室中，我们致力于研究和开发新型的生物传感器技术，用于监测和检测人体生理指标和疾病标志物。
这些传感器可以用于早期预警、疾病诊断和治疗过程中的监测，以提高人们的健康水平和生命质量。
4. 健康信息技术利用信息技术的手段，我们致力于开发健康管理和医疗信息系统，以提供更好的医疗健康服务。
我们希望通过整合医疗信息资源，改善医患沟通、优化临床决策，并提供个性化的医疗健康解决方案。
二、研究项目1. 可控释药材料的开发我们正在研究新的可控释药材料，以实现药物在人体内的定点释放。
这将有助于提高药物治疗的效果，并减少患者的不良反应。
2. 医学图像的自动分析我们正在开发自动化的医学图像分析方法，以辅助医生进行准确的诊断。
这将极大地提高医疗效率，并减少误诊的可能性。
3. 生物传感器的应用我们正在实验室中测试和应用生物传感器技术，用于监测患者身体的生理指标。
这将有助于及早发现疾病的迹象，并提供个性化的治疗方案。
4. 健康管理平台的开发我们正在开发综合性的健康管理平台，通过整合医疗健康数据和信息资源，提供个性化的健康管理解决方案，帮助人们更好地管理自己的健康。
第三篇生物医学测量与仪器
• 人体由生物分子—细胞—器官— 功能系统等各层次组成的复杂系 统。
2
• 测量范围包括多生物体分子水平、 细胞水平、器官水平和系统水平个 层次的信息测量。
• 有生物电、生物磁、非电磁生理参 数测量和生物化学测量等。总之， 生物体内的各种成分、性质、状态 和功能等信息的测量。
• 原理、方法与普通的物理化学测量 无本质差别，可借鉴利用。
• 特殊性：活体、丰富、相关、个体 差异、时空变化、环境影响等。
6
• 生物医学测量属弱信号测量
部分生物电和生物磁信号幅度
7
• 特点是信号弱、取样量少。 • 要求测量系统具有：灵敏度高、分
辨率强、抑制噪声和抗干扰能力好。 • 生物体内的噪声对测量有重要影响 • 生命活动中的各种信息共存，彼此
• 基于细胞电活动的生物电测量有： 心电、脑电、肌电、眼电、胃点和 神经电测量。
3
• 伴随体内电荷运动的生物磁有：心 磁、脑磁、肌磁、眼磁等生物磁场。
• 非电磁生理参数有：血压、血流、 脉搏、呼吸、心音、体温等测量。
• 测量生物体中组织和器官的结构与 形态参数。
• 测量血液、尿液、唾液、精液和组 织液中的各种电解质及微量元素含 量。
仪器种类 血流测量仪器 心输出量测量仪器 呼吸功能测量仪器
电子体温计 听力计 眼压计 颌力计
多导生理记录仪
26
常见生化检查与分析仪器
仪器种类 临床生化分析仪器
临床分光光度计 医用电解质分析仪器 血液气体分析仪器 自动血细胞计数器
仪器种类 尿液分析仪 免疫反应测定仪
电泳仪 病理检查仪器 血液细胞分析仪
39
标准导联I、II、III正负电极安放位置（统一标色）
光电检测技术的人体多生理参数测量
人体脉搏波的波形、幅度和形态包含了反映心脏 和血管状况的重要生理信息，因此从脉搏波信号中提 取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据， 历来都受到人们的重视。本课题使用现代光电检测技 术实现对人体脉搏信号的连续、无创检测。实践证明， 可以通过该系统测量多个脉搏参数，达到对人体心血 管功能的监控。
＝（ ）
（４）
式中： Ｑｍ 为平均流量； Ｑｍｉｎ 为最小流量； Ｒ 为外周阻力； Ｐｓ－Ｐｄ 为脉压。 而 为图 ３ 所示的函数关系，可以将其固化在 ＤＳＰ 的 Ｆｌａｓｈ 中，计算时可通过查表得到。
Ｒ ３ ２ １ ００．３ ０．４ ０．５ Ｋ 图 ３ Ｋ 与 Ｒ 的关系
在 测量 前，需要 先 对收 缩压 和舒 张压 进行 测量 （可使用水银血压计），将测量值输入本系统中，再利 用光电传感器测量的 Ｑｍ、Ｑｍａｘ 和 Ｑｍｉｎ，标定出 Ｒ、Ｋ 和 Ｋ＇。Ｒ、Ｋ 与人体血压有直接的相关性，可以通过建立 回归分析的方法得到血压。
１ 脉搏血流参数测量系统硬件原理
本系统采用光电容积描记法（Ｐｈｏｔｏ ｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａ－ ｐｈｙ， ＰＰＧ）原理测量人体脉搏波。光电容积描记法是 借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无 创伤检测方法。容积脉搏血流存在于外周血管中的微 动脉、毛细血管和微静脉中，血液在心脏搏动下呈脉 动性变化。
果放入队尾，而扔掉原来队首的数据；
（２） 比较队列内两个数据的大小，设队列内数据
生物医学工程中的生物传感器与生物材料
生物医学工程中的生物传感器与生物材料生物医学工程是一门融合了医学、生物学和工程学的跨学科科学，它的目标是将工程技术应用于生物医学领域以改善人类健康。
生物传感器和生物材料是生物医学工程领域中的两个重要组成部分。
生物传感器通过对生物体内外的某些物理、化学和生物学参数进行测量，能够实时监测人体的生理状态并提供有价值的信息。
而生物材料则是生物医学工程中研究和开发的用于医疗临床应用的材料，不仅要具备生物相容性，还要具备良好的力学性能和可加工性能。
因此，生物传感器和生物材料的研究和应用对于生物医学工程的发展至关重要。
一、生物传感器1. 生物传感器的分类生物传感器根据测量和检测的物质种类和作用原理不同，可以分为多种不同类型。
例如，光学传感器、电化学传感器、力学传感器、电子传感器等。
2. 生物传感器的应用生物传感器在医学领域中的应用非常广泛，包括实时检测血糖、血压、心率等生理指标、检测体液中的蛋白质、酶或分子等生物分子、检测细胞培养中的细胞增长、细胞分化等细胞行为等。
二、生物材料1. 生物材料的分类生物材料根据其化学组成、物理结构等性质可以分为多种不同类型。
例如，金属材料、聚合物材料、陶瓷材料、生物活性材料等。
2. 生物材料的应用生物材料在医学还有广泛的应用，如临床上使用的医用管材（如导管、血管支架）、人工关节、骨修复材料、人工心脏瓣膜等等。
这些材料和器械的研究和开发必须具备多个特性：首先，具备生物相容性，即与人体组织相容或和谐；其次，具备力学性能的稳定性和可控性；最后，具备良好的可加工性能。
三、生物传感器和生物材料的结合生物传感器和生物材料的结合是生物医学工程领域研究的前沿领域，它们的结合能够实现在医学领域中实现更精准的诊断和治疗，例如，生物传感器可以用于监测植入的人工材料（如人工关节）周围的生物信号，从而准确判断材料的退化状态，对人工材料进行实时检测和监控，这大大提高了患者的治疗效果。
生物材料和生物传感器的发展，不仅“创造”了一些惊讶人的美好，如通过人工材料拯救人类，到达身体和感觉的极限，还带来许多潜在的危险。
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M型超声心动图的产生原理
上图是M超的简要方框图。其原理与A超基本相 同，只是同步电路控制发射电路与深度扫描电路同时
工作，回波信号为辉度调制。为便于测量，原来采用
照相机将图像照相后再进行测量的方法逐渐淘汰，现 在一般采用由微机控制，利用CRT电视监视器显示图 像，并能够储存和自动测量的超声心动图仪。
深度，其表达式见公式：c=λf
其中，c是超声波的声速，λ是超声 波波长，f是超声波频率。
医学上正是通过探查某些组织的深 度或大小来判断病灶的性质和状况。
医学超声波诊断仪
A型超声波诊断仪 M型超声波诊断仪 B型超声波断层显像仪 超声多普勒血流仪、成像仪与彩超 超声三维成像系统（超声CT）
3.1 A型超声波诊断仪
3.2 M型超声波诊断仪
M型超声波诊断仪是继A超之后发展出的辉 度调制式仪器，诞生于1954年，至今临床上还 在使用，目前主要用于心脏疾病的诊断，尤其 用于观察心脏瓣膜的活动情况。M超与A超有共 同之处，即都是利用探头向人体发射超声脉冲 并接收反射脉冲。不同的是M超的发射波和回 波信号加到了示波器的栅极或阴极。信号的强 弱控制了到达荧光屏的电子束的强弱，反映到 荧光屏上就是光点的明暗，即辉度调制。
接收电路，再通过检波和放大等电路，送到示波器
的垂直偏转板上，而示波器的水平偏转板上加载的
是时基锯齿波，即扫描电压。因此，示波器的荧光
屏上的横坐标代表超声波的传播时间，一般以 13.33μs为一大格；而纵坐标显示的是回波的幅度与 形状。
A超可以应用于医学各科的检查，尤 其对眼科和妇科疾病方面的病灶深度、大 小、脏器厚薄以及病灶的物理性质等检查 比较方便准确。但A超的回波图只能体现 局部组织信息，无法反映解剖形态，现已 被M超和B超取代。
第三章 医学超声仪器
物体的机械振动产生波，波的频率取决于物 体的振动频率。频率范围在2×104~ 3×108赫兹的 波称为超声波。
一个多世纪前，科学家们就发现石英等晶体 薄片具有“压电效应”。1928年，R.W.Wood等 人首先应用超声波作为生物学方面的研究手段。 本世纪四十年代，Firestone等人开创了利用超声 波诊断疾病的先例，将工业无损伤检测用的超声 脉冲回波技术，即类似于现代雷达或声纳的回波 测距技术，移用到医院诊断方面，也就是A型超 声仪器，开创了超声显像诊断的历史。
医学诊断上所使用的超声波频率一般 为0.5MHz~15MHz，多是由压电晶体一类 的材料制成的超声探头产生的。利用压电 陶瓷或晶体的正压电效应和逆压电效应， 可以将其做成超声波发射和人体组织反射 波接收的器件，即超声换能器，它是超声 诊断仪器的重要部件，也称探头。
压电效应及超声探头
如果知道超声波的传播速度与传播 时间，便可算出超声波在人体内传播的
微机控制的超声心动图仪
与B超和多普勒血流仪三 者合一的多功能的超声诊
断仪，采用了数字扫描变
换技术，即利用标准电视
光栅扫描格式显示信号。 使用此仪器一般先用B超 和多普勒仪定位，然后用 M超将图像“冻结”在一 个需要的位置上，用仪器
中的测量光标或微机自动 测量功能获得各种参数。
ห้องสมุดไป่ตู้
扇形扫描多功能诊断仪的B型与 M型的同屏幕显示
A型超声诊断仪是1947年出现的幅度调制式的 仪器，我国于1958年开始生产。A超的同步电路产 生几百Hz到2KHz的正负电脉冲，使发射电路产生 持续1.5~5μs的高频电脉冲。探头在高频电脉冲的激 励下，产生超声振动，发射超声波。超声波在人体 内传播，遇到不同组织的界面时，产生反射波—回 波。探头接收反射波后，将其转换成电脉冲，进入
A型超声仪器工作原理方框图
同步电路（主控振荡器）产生同步脉冲来
同时触发发射电路和扫描电路，使两者同时工 作。发射电路在同步电路发出的触发脉冲作用 下，产生高频振荡波，一方面将此波送入放大 电路进行放大，加至示波器的垂直偏转板上显 示发射波；另一方面激励探头产生一次超声振 荡，并进入人体。人体组织反射回来的微弱的 回波信号经探头接收并转换成电脉冲后，由接 收电路放大、检波后，送至示波器的垂直偏转 板上并显示出来。另外，在同步脉冲作用下， 在示波器的水平偏转板上加时基锯齿波电压— 扫描电压，使荧光屏上显现出回波的波形与变 化。
四十年代末，超声医学作为一门学科已初 具雏形。五十年代，超声心动图仪，即M型仪 器取代了A型超声仪器，它可对心脏瓣膜的运动 规律作连续的动态描记。在此基础上，又出现 了手动扫描二维断层成像仪，这为发明自动扫 描二维断层成像仪即B型超声仪器打下了基础。 其间，还有人提出将超声多普勒效应用于医学 临床诊断。六十至七十年代是B型超声仪器出现 并极大发展的时期，出现了机械直线扫描、机 械扇形扫描、电子直线扫描及电子扇形扫描等 仪器，并且超声CT的研究工作开始进行，A型 超声仪器也逐渐被淘汰。
示波器的水平和垂直偏转板都被加入锯齿波电
压，垂直偏转板上的锯齿波与发射脉冲同步，水平 偏转板上的锯齿波频率要低于它。因此荧光屏上光 点在垂直方向的距离表示探测深度，在水平方向的 移动表示时间的进行，光点的亮度表示回波信号的 强弱。M超常用于检测心脏疾病，当心脏收缩和舒 张时，其各层组织的界面与固定放置于人体表面的 探头之间的距离随时改变，导致光点随之移动，在 水平扫描电压下，光点水平展开，描绘出各层组织 结构的活动曲线图，因此也叫超声心动图，它能显 示心脏各部分结构的活动情况、动态变化、心室排 血量以及可以得出室间隔、动脉等结构的定量数据 等，是临床心脏疾病诊断中比较准确实用的工具。
八十年代，随着微型计算机研究与应用的
飞速发展，超声智能化的步伐加快。利用微机 与超声诊断仪器相结合，可以简化临床操作， 实现信号处理、变换、计算和判断等过程的自 动进行。另外，将脉冲超声多普勒血流仪与B 超相结合，还产生了双功能超声诊断仪。进入 九十年代，彩色B超诞生，它可以在显示动态 心脏黑白图像的同时，显示动态多普勒血流的 彩色图像在心脏内的分布，不论在图像的分辨 率和清晰度上，还是疾病诊查的可靠性上，都 达到了相当高的水平，是目前医院必备的医学 诊断仪器。