基于树莓派Pico W构建的心电图信号测量设备

二月 13, 2025

在研究了血压监测仪的工作原理后，米洛什·拉希奇（Miloš Rašić）就一直致力于提高其测量精度。大卫·克鲁克斯（David Crookes）为我们官方杂志的150周年特刊对他进行了此次采访。

监测血压对保持身体健康至关重要，尤其是在应对心脏相关疾病时。电气工程师米洛什·拉希奇对此再清楚不过了。“和大多数老年人一样，我奶奶患有高血压，所以家里每天都会用到电子血压计。” 他说道。但他也注意到这些设备可能存在缺陷。

除了基于树莓派Pico W的主印刷电路板（PCB）外，还有一个气泵和阀门、GX12连接器、按钮、一块18650电池、NeoPixel LED灯、一个OLED显示屏以及其他一些小部件。

“不同的血压计测量结果差异很大，而且它们的性能很大程度上取决于电池电量，这可不是什么好事。” 他解释道，“所以在我的硕士论文项目中，我想探究电子血压计并弄清楚它们的工作原理。” 这促使他开发了一款基于树莓派Pico W的心电图信号测量设备。

开展实验

当米洛什着手他的项目时，心中有一系列的要求，其中首要的就是安全性。“该设备连接到电脑时必须具备光隔离功能，并且要采用电池供电或配备隔离电源。” 他说。

作为首要任务，它需要能够测量血压。“这包括测量臂带内的气压、控制一个小气泵以及控制一个电磁阀。” 他补充道。米洛什还希望该设备使用一款得到广泛支持且具备无线功能的微控制器单元，因此选择了树莓派Pico W。“它体积小巧，具备我所需的一切功能，而且有庞大的社区支持，这意味着遇到任何问题都很容易解决。” 他说。

主设备外壳以及光电容积脉搏波描记法（PPG）夹子都是用创想三维K1C 3D打印机打印而成的。这些模型可以从Printables网站下载。

在这个过程中，米洛什开始添加更多功能，包括听诊器功能以及进行心电图测量的能力。通过使用PPG夹子，他还想到该设备可以检测组织微血管床中的血容量变化，并且综合这些传感器能够更好地了解一个人的心脏健康状况。

然而，他从一开始就明确表示，他不会制造一款医疗设备。相反，最终目标是获取读数并进行实验，以找到测量血压的最佳算法。“血压计这个领域对我来说充满了好奇，我想揭开它的一些神秘面纱，并且总体上打造一个其他人也能用来做实验的平台。” 他解释道，“所以我创建了一个可以用于试验分析心电图信号新方法的装置。”

为了将听诊器连接到系统中，米洛什取下了耳机，然后将一个小型压电麦克风连接到一个放大电路上。

构建的核心

为了实现他的目标，他先着手设计PCB，然后再考虑其他必要组件，如气泵、阀门、电池和连接器。有些部件相对简单，比如气压臂带，你在看全科医生或去医院时可能都见过。“这是大多数商用设备仅使用的传感器，在大多数情况下，基于它的估算已经足够好了。” 米洛什说。但其他部件则需要更多的工作。

用于记录心脏活动的心电图传感器是构建中的一个重要部分。“我想从气压信号中提取脉搏信号，并将心电图作为我的参考测量值，这样我就能知道算法是否正常工作。” 他说。为此，米洛什在PCB上设计了AD8232集成电路的定制布局（AD8232是一款用于心电图测量应用的集成信号调理模块），以便进行测量。

米洛什还制作了一个压力传感器校准装置，以便在系统中维持恒定压力。

米洛什还使用了一个通过I2C与系统其他部分通信的MikroE Oxi5 Click开发板制作了PPG夹子。“PPG夹子通常用于测量血氧饱和度，但由于它是通过检测手指血流变化来工作的，所以与臂带结合使用时，它是一个非常有用的传感器。” 米洛什说，“因为臂带会阻断手臂的血液循环，然后慢慢降低臂带内的气压，直到血液循环再次恢复，通过使用PPG，我们可以精确检测到层流何时再次建立，此时臂带内的气压就等于舒张压。”

最后，添加了一个旧的模拟听诊器。米洛什将它与一个小型压电麦克风结合，把听诊器变成了一个电子设备。“手动测量血压时会用到听诊器，由于这仍然是非侵入性方法的黄金标准，我想看看在这个过程中听诊器上的信号是什么样的，以及能否从中得出任何结论。” 米洛什透露。

压力之下

为了理解这些数据，米洛什决定这个项目需要一个图形界面。“这个界面可以实时查看所有测量信号，并且能够将所有数据记录到一个CSV文件中。” 他说。这需要大量的编程工作；Python被用于编写图形用户界面（GUI）代码，处理图形界面、与设备的通信以及数据记录功能。Python还被用于分析记录的信号，而固件则用C++编写，“这样它就能在Pico上尽可能快速地运行。” 米洛什解释道。

米洛什开发了一款定制的四层PCB，使用树莓派Pico W作为微控制器。

一切就绪后，米洛什设计了一个外壳。“我需要了解所有部件大致所需的空间，这样我就能设计出一个带有各个部件安装点的外壳。” 他说，“在顶部有一个盖子，上面有NeoPixel LED灯和一个小型OLED显示屏，可以对其进行编程，向用户显示信息。”

从那以后，他一直在使用这个项目进行许多测试，你可以在米洛什的GitHub页面上看到这些测试结果。这个项目也已开源，因为他希望它能帮助其他人开展自己的项目。“它可以给他们一个好的开端，例如，如果他们只想做信号分析，就不必从头开始开发电子设备。” 他说，“这就是为什么我还附上了一些用这个设备记录的数据，如果有人只想使用这些数据，而无需接触硬件的话！”

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