基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀設計

出處：文軍，何為，王平，徐志，王峰，李羅發(fā)布于：2011-08-23 22:12:31

0 引言

　　近年來，人們越來越關注健康問題，生命健康監(jiān)護已成為一個重要課題，以往的生命健康監(jiān)護儀，體積通常比較大，而且價格昂貴，這類儀器主要應用于醫(yī)院的病房，用做對病人監(jiān)護。為適合普通人群在醫(yī)院以外的地方，如家庭、野外等環(huán)境下對身體健康狀況的監(jiān)護要求，設計了一種便攜式多參數(shù)健康監(jiān)護系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有體積小、使用方便、功能強大等優(yōu)點，可隨身攜帶，檢測人體的某些重要生理參數(shù)，并實時顯示。

　　嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)，對功能、對可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

　　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 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。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。

　　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)。

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。

　　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。

　?。?）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，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。

　?。?）呼吸信號的采集：對于呼吸信號的檢測，采用的是目前應用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。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。

　?。?）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(chǎn)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。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，在A/D轉換的時候，需要用過采樣的方式來提高測量。

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。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。

　　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。

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，將二進制文件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：

　?。?）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。

　?。?）。/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。

　?。?）進行make。

　?。?）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(jīng)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(chǎn)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，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，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。

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(jīng)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。