基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀的研究

摘 要： 以FPGA為核心控制模塊，搭載MAX1300為數(shù)據(jù)采集模塊，完成8通道、16位精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采集數(shù)據(jù)在FPGA內部儲存，DSP在適當時刻對其進行讀取以完成伺服控制工作。針對以往數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的局限，F(xiàn)PGA內部對所采集數(shù)據(jù)進行預處理，減輕了CPU數(shù)據(jù)處理強度和負擔。詳細介紹了各芯片硬件電路設計，給出FPGA內部各功能模塊邏輯圖。
關鍵詞: 數(shù)據(jù)采集; FPGA; DSP

目前市場上的多生理參數(shù)監(jiān)護設備通常采用傳統(tǒng)意義上的工控機和前端信號采集板卡構成，這樣的監(jiān)護設備體積龐大，價格高昂，功耗大，不適合攜帶。目前也有人采用了PC104的板卡取代了傳統(tǒng)的工控機，但是這樣的監(jiān)護設備價格高昂，不能滿足普通消費者的需求，在便攜式的遠程移動監(jiān)護方面也仍然存在某些缺陷。隨著傳感技術和電子技術的發(fā)展，病人監(jiān)護儀正廣泛應用于臨床監(jiān)護中。傳統(tǒng)的監(jiān)護儀由于監(jiān)護參數(shù)單一、功能簡單、體積較大而僅局限于手術過程和ICU病房的監(jiān)護，極大地限制了其使用價值，不能滿足所有臨床科室的使用。嵌入式計算機系統(tǒng)強大的處理能力和網(wǎng)絡通信能力能夠方便地實現(xiàn)GPRS和Internet的接入，把嵌入式計算機系統(tǒng)應用到醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中具有現(xiàn)實可行的意義。為此，開發(fā)了基于嵌入式計算機系統(tǒng)的體積小、功耗低、價格便宜、穩(wěn)定性好的多生命參數(shù)病人監(jiān)護儀，它能長時間實時監(jiān)護病人的血氧飽和度(SPO2)、心電(ECG)、呼吸(RESP)、血壓(BP)和體溫(Temp)[1]。同時，該監(jiān)護儀還能通過RS232接口實現(xiàn)計算機通信，把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)院的數(shù)據(jù)庫中。
1 多參數(shù)監(jiān)護儀的整體設計
圖1為多參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)的整體設計框圖。該系統(tǒng)主要分為多參數(shù)信號采集模塊、嵌入式計算機系統(tǒng)和GPRS模塊。多參數(shù)信號采集模塊通過血氧信號、心電信號、呼吸信號、血壓信號、體溫信號處理電路采集到的血氧、心電、呼吸、血壓、體溫信號經A/D轉換分別送入到TMS320F2812處理器中進行處理，再經過光電隔離的RS232串口送入到嵌入式計算機中[2]。嵌入式計算機系統(tǒng)通過RS232串口1對前端信號采集模塊發(fā)出命令控制，從而獲得多生理參數(shù)的采集數(shù)據(jù)。嵌入式計算機系統(tǒng)一方面將多生理參數(shù)的數(shù)據(jù)通過LCD進行實時顯示，同時可以將數(shù)據(jù)存儲到NandFlash中，另外可以利用RS232串口2通過AT指令對GPRS模塊進行控制，將數(shù)據(jù)通過GPRS模塊傳送到醫(yī)院數(shù)據(jù)庫中，醫(yī)護人員可以實時觀察病人的情況，實現(xiàn)遠程多參數(shù)監(jiān)護。

　在遠程監(jiān)護中，數(shù)據(jù)通信是非常重要的組成部分。而GPRS是目前解決移動通信服務的一種完美的業(yè)務，它以數(shù)據(jù)流量計費、覆蓋范圍廣泛、數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點而得到了廣泛的應用。本系統(tǒng)選用西門子公司的GPRS模塊來傳送采集到的多參數(shù)數(shù)據(jù)。GPRS無線模塊作為GPRS終端的無線收發(fā)模塊，把從TCP/IP模塊接收的TCP/IP包和從基站接收的GPRS分組數(shù)據(jù)進行相應的協(xié)議處理后再轉發(fā)[3-4]。
2 多參數(shù)采集電路的設計與工作原理
多參數(shù)采集電路主要包括血氧、心電、呼吸、血壓和體溫5個方面的采集。
　(1) 血氧信號的采集：血氧飽和度的檢測方法主要有兩種，一種是有創(chuàng)法，一種是無創(chuàng)法。無創(chuàng)法是運用光學來測量的，目前在國內外也主要是基于這種方法來研究血氧飽和度的。由于血液中氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對波長為660 nm的紅光和940 nm的紅外光的吸收率相差很大，故通常采用這兩種光線來測量血氧飽和度[5-6]。
　將血氧飽和度探頭夾在手指上，上壁固定了兩個并列放置的發(fā)光二極管(LED)，發(fā)出波長為660 nm的紅光和940 nm的紅外光。下壁有一個光電檢測器，將透射過手指動脈血管的紅光和紅外光轉換成電信號，它所檢測到的光電信號越弱，表示光信號穿透探頭部位時，被那里的組織、骨頭和血液等吸收掉的越多[7]。而皮膚、肌肉、脂肪、靜脈血、色素和骨頭等對這兩種光的吸收系數(shù)是恒定的，因此它們只對光電信號中的直流分量大小發(fā)生影響。但是血液中的HbO2和Hb濃度隨著血液的脈動作周期性改變，因此它們對光的吸收也在脈動地變化, 由此引出光電檢測器輸出的信號強度隨血液中的HbO2 和Hb濃度比脈動地改變，即可得出SPO2值。
　(2)心電信號的采集：人體的心電信號是一個很微弱的低頻信號，其幅值一般在1 mV左右，可低至幾十微伏，頻譜分布在0.05~100 Hz，主要頻譜分量集中在5~20 Hz。要采集這樣的信號，必須設計合適的心電信號采集電路。圖2為心電信號采集電路的原理圖。

　前置放大器是整個心電采集系統(tǒng)設計的關鍵，為了提高信噪比，選用了高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移的ADI公司的儀表放大器AD620。前置放大器輸出的信號并不是純粹的心電信號，其中除了夾雜著不少工頻干擾外，還有很多直流或低頻信號，因此選用了截止頻率為0.03 Hz的高通濾波器來濾除這些直流或低頻信號。由于有些工頻干擾是以差模形式進入放大器的，所以輸出的信號中有較強的工頻干擾，解決的方法是采用凌特公司的LTC1068-50集成開關電容濾波器來構成50 Hz陷波器將工頻干擾濾掉。然后需要再次將心電信號放大，由于混入了許多高頻信號所以需要用低通濾波器濾除這些高頻信號，最后讓心電信號通過電平遷移電路就可以得到心電信號的雛形了。
　(3)呼吸信號的采集：對于呼吸信號的檢測，采用的是目前應用最廣的胸阻抗原理測量呼吸參數(shù)，隨著呼吸的變化，病人的胸腔阻抗也發(fā)生變化[8]。將高頻脈沖施加在人體的胸腔上，從測量電極提出的是一個被呼吸信號調制的高頻調幅信號，利用儀表放大器PGA206進行程控增益放大，然后利用全波整流電路對高頻調幅信號進行解調，檢出高頻信號幅值變化的包絡線，此即隨阻抗變化的信號，由于呼吸信號的頻率一般在0.08～10 Hz之間,所以最后還需要將檢波后的調制信號通過0.08～10 Hz的帶通濾波器，濾除直流分量和高頻雜波干擾，就可以得到呼吸信號的原型了。
　(4)血壓信號的采集：本文將用示波法來進行血壓的測量。示波法血壓測量中采用充氣袖帶來阻斷動脈血流，當動脈血流被阻斷時，由于近端血液的脈動，在袖帶內可以檢測出動脈血流產生的氣壓振動波。首先將袖帶充氣到高于收縮壓20 mmHg左右，然后使袖帶緩慢放氣。當袖帶內壓力高于收縮壓時，動脈阻斷，出現(xiàn)幅度較小的振動波。當袖帶內壓力等于收縮壓時，振動波幅度增大，隨著袖帶內壓力的不斷降低，振動波幅度達到最大。當袖帶內壓力小于平均壓力時振動波幅值逐漸減小，袖帶內壓力小于舒張壓以后，動脈管壁在舒張期已充分擴張，管壁剛性增加，而振動波維持在較小的水平。示波法是根據(jù)不同的袖帶壓力下的脈搏波幅度變換特征來識別動脈收縮壓、平均壓、舒張壓等[9]。血壓信號原理框圖如圖3所示。

　由DSP來控制氣泵和電磁閥實現(xiàn)血壓的定時自動檢測，利用MPX5050GP壓力傳感器檢測臂帶的壓力在這個過程中的波動即可獲得血壓信息，然后將血壓信號通過帶通濾波器，濾除干擾和噪聲信號就可以得到血壓信號的原型了。
(5)體溫信號的采集： 體溫信號的采集需要通過專門的體溫傳感器，一般要求傳感器的溫度測量范圍在20～45 ℃之間，由于體溫是平穩(wěn)變化信號,為了提高測量精度，在A/D轉換的時候，需要用過采樣的方式來提高測量精度。
3 嵌入式計算機系統(tǒng)的設計
3．1 嵌入式系統(tǒng)的工作原理
　嵌入式系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構成。嵌入式系統(tǒng)硬件部分的核心部分就是嵌入式處理器，在此選用AT91RM9200。嵌入式軟件部分一般來說是由嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件兩部分組成。軟件可以分成啟動代碼(bootloader)、操作系統(tǒng)內核與驅動、文件系統(tǒng)、圖形界面和應用程序等幾部分[9]。當整個系統(tǒng)上電運行時，AT91RM9200首先運行固化在32 MB Flash中的bootloader程序，把64 MB Flash中的Linux內核搬移到64 MB內存中運行,完成嵌入式內核的啟動,以及對U盤的掛接和Qtopia文件系統(tǒng)的啟動,然后進入到嵌入式Qtopia的用戶界面[10]。
　Qtopia是Trolltech公司為采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)的消費電子設備而開發(fā)的綜合應用平臺, Qtopia包含完整的應用層、靈活的用戶界面、窗口操作系統(tǒng)、應用程序啟動程序以及開發(fā)框架。為了實現(xiàn)USB的圖像采集和程序設計，選擇的軟件操作系統(tǒng)是Linux和Qtopia，由于Qtopia文件系統(tǒng)比較大，把它固化到Flash中，會增加成本，如果被用戶在使用過程中損壞，系統(tǒng)將難以恢復。因此本文采用把Qtopia文件系統(tǒng)放在U盤上。如果U盤中的Qtopia文件系統(tǒng)發(fā)生損壞，可以將備份在PC上的Qtopia文件系統(tǒng)重新拷貝到U盤中，從而將整個系統(tǒng)快速恢復，現(xiàn)在的U盤也很便宜,可以大大地降低成本和極大地擴展該系統(tǒng)的存儲容量。該方法保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性，并且可以實現(xiàn)該監(jiān)護系統(tǒng)的動態(tài)升級。
3.2 嵌入式系統(tǒng)的軟件設計
　嵌入式系統(tǒng)的軟件設計一般采用的方法是：先在PC機上調試好應用程序然后再通過交叉編譯生成可執(zhí)行的二進制文件，最后將二進制文件下載到嵌入式計算機主板上運行。在此過程中交叉編譯尤為重要，現(xiàn)將它的主要步驟介紹如下：
　(1)把需要用到的可執(zhí)行文件的路徑寫進注冊表vi /etc/profile在Pathmunge/usr/local/sbin/ 后面添加Pathmunge /usr/local/arm/3.3.2/bin。
(2)./configure –xplatform linux-arm-g++ -dep ths 16–qconfig qpe （看提示進行選擇，當出現(xiàn)qvfb時選擇no）如果是多線程的程序則在qpe后面添加-thread就可以了。
　(3)進行make。
　(4)將應用程序生成的Makefile文件進行修改，用Vi命令打開Makefile文件，將里面的LINK=gcc改為LINK=arm-linux-g++；將LIBS=$ (SUBLIBS) –L$(QTDIR) /lib –lm–lqte改為：LIBS=$ (SUBLIBS) –L/usr/local/arm/3.3.2/lib–L$(QTDIR) /lib/-lm–lqte。
　(5)再進行make。
經過上述操作一個可以在嵌入式計算機上運行的二進制文件就產生了。
4 基于Qtopia的多參數(shù)監(jiān)護儀的軟件設計
　基于Qtopia多生命參數(shù)監(jiān)護應用軟件，實現(xiàn)了血氧、心電、呼吸、血壓和體溫等多參數(shù)的動態(tài)顯示和遠程數(shù)據(jù)的傳輸。程序流程圖如圖4所示。

從圖4可以看出應用程序首先是根據(jù)用戶選擇，打開與多生命參數(shù)模塊連接的串口1。要實現(xiàn)對多生命參數(shù)模塊的正確控制，必須有嚴格的通信協(xié)議做保證，為了提高通信的效率，在數(shù)據(jù)通信的過程中對通信的數(shù)據(jù)也進行了一定的壓縮處理。所以在啟動多生命參數(shù)進行監(jiān)護的時候，必須根據(jù)用戶的設置要求，例如心電信號的采集模式、增益設置、導聯(lián)方式等相關信息生成采集心電命令數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送到多生命參數(shù)的采集模塊中，多生命參數(shù)采集模塊根據(jù)接收到的心電信號的采集命令包，對其進行解碼，設置對心電信號的采集模式、增益控制、導聯(lián)方式的選擇，然后進行心電信號的采集。對于呼吸信號和血氧信號同樣需要生成相應的數(shù)據(jù)命令包，控制多生命參數(shù)模塊對呼吸和血氧信號的采集。當這些數(shù)據(jù)命令包都發(fā)送完后，最后還需要生成一個數(shù)據(jù)命令結束包，啟動多參數(shù)模塊在設定的工作模式下實現(xiàn)多生命參數(shù)的監(jiān)護，并且啟動定時器，定時讀取串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。定時讀取緩沖區(qū)的采集數(shù)據(jù)流程圖，從圖中可以看出，對串口1進行冗余檢查，增加接收數(shù)據(jù)的合法性。在數(shù)據(jù)通信的過程中，為了提高通信效率，對數(shù)據(jù)進行了一定的壓縮處理，傳送到上位機，所以在上位機中必須對一幀數(shù)據(jù)進行檢測，查找數(shù)據(jù)的幀頭，校驗數(shù)據(jù)累加正確否，然后從中提取有效的采集數(shù)據(jù)。在一幀數(shù)據(jù)中包含了血氧、心電、血壓、呼吸和體溫等數(shù)據(jù)信息，也必須根據(jù)事先約定好的通信協(xié)議對血氧、心電、血壓、呼吸和體溫的數(shù)據(jù)進行有效的分離，然后調用繪制波形函數(shù)QCurveWidget分別繪制血氧、心電、呼吸數(shù)據(jù)的波形。
5 多參數(shù)的遠程傳輸與接收
5.1 多參數(shù)的遠程傳輸
　該嵌入式多參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)在實現(xiàn)本地監(jiān)護的同時，也可以將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)院數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)護人員可以實時地觀察病人的情況，實現(xiàn)遠程的實時監(jiān)護，這時需要打開連接在嵌入式計算機主板上的串口2，通過串口2連接到GPRS模塊，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信流程圖如圖5所示。

從圖5可以看出，當用戶啟用遠程監(jiān)護時，嵌入式計算機首先打開連接在串口2上的GPRS模塊，對GPRS模塊進行初始化設置，當GPRS模塊與PC機建立連接后，通過AT指令可以對GPRS模塊進行控制，同時也可以進入到發(fā)送監(jiān)護數(shù)據(jù)的流程。嵌入式計算機系統(tǒng)將收到的監(jiān)護數(shù)據(jù)進行校驗正確后，在本地實現(xiàn)數(shù)據(jù)波形的顯示，同時將這些數(shù)據(jù)通過串口2發(fā)送出去。對于嵌入式計算機而言，因為是在全透明的模式下進行的數(shù)據(jù)通信,這完全等同于PC機直接進行串口通信，但是具體的數(shù)據(jù)轉發(fā)過程卻是通過GPRS模塊對數(shù)據(jù)進行再次的封裝打包，通過GPRS網(wǎng)絡到達醫(yī)院的數(shù)據(jù)中心。

5.2 多參數(shù)的接收
采集到的多參數(shù)數(shù)據(jù)是以JPEG圖片格式發(fā)送到醫(yī)院數(shù)據(jù)庫中的，對于JPEG格式的圖片數(shù)據(jù)流有數(shù)據(jù)幀頭0XFFD8、數(shù)據(jù)幀尾0XFFD9做保證，在PC機上可以根據(jù)雙方約定的協(xié)議正確地對接收的圖片數(shù)據(jù)進行提取、解碼和顯示，對于圖片接收的流程圖如圖6所示。

該監(jiān)護儀將DSP技術與ARM技術相結合,充分發(fā)揮了DSP在信號處理上的優(yōu)勢和ARM在系統(tǒng)平臺上的優(yōu)勢，從而最大限度地降低了成本與功耗。本文詳細介紹了血氧、心電、呼吸、血壓和體溫采集電路的設計與工作原理，嵌入式計算機的組成和基于Qtopia的多參數(shù)監(jiān)護儀應用軟件的設計，目前已經完成了樣機的設計。該監(jiān)護儀具有體積小、靈活、成本低、功能強大、穩(wěn)定性好、使用方便等優(yōu)點，具有廣泛的應用領域和良好的市場前景，對于我國的醫(yī)療事業(yè)具有一定的促進作用。
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