淺析嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用

王國(guó)棟 李成龍

(山東省青州市人民醫(yī)院 山東青州 262500)

隨著科技水平的不斷發(fā)展,醫(yī)療設(shè)備都要進(jìn)行越來(lái)越多的高速的模擬信號(hào)如電壓、電流、圖像等信息的數(shù)據(jù)采集、分析與處理。比如生理參數(shù)檢測(cè)設(shè)備心電圖、腦電圖等,還有各種監(jiān)護(hù)儀,X射線成像等設(shè)備。醫(yī)療行業(yè)中嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用給這個(gè)行業(yè)帶來(lái)了很大的進(jìn)步,醫(yī)院里有很多方面都涉及到嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用,其中檢驗(yàn)設(shè)備有X線機(jī)控制系統(tǒng)、EEG、CT、超聲波、核磁共振等設(shè)備,診斷檢查設(shè)備有結(jié)腸鏡和內(nèi)窺鏡等[1]。另外還有基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)也在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,此類系統(tǒng)借助計(jì)算機(jī)的采集卡采集各種模擬信號(hào)并進(jìn)行處理;用計(jì)算機(jī)本身的資源進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和記錄。計(jì)算機(jī)采集卡種類多,使用靈活,得到了廣泛應(yīng)用。

1 嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介

嵌入式系統(tǒng)是結(jié)合了計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體枝術(shù)和電子技術(shù),是新型集成知識(shí)系統(tǒng)。這決定了它是一個(gè)集技術(shù)與資金一體的高度分散、集成創(chuàng)新的知識(shí)系統(tǒng)。

由于實(shí)際醫(yī)療領(lǐng)域中嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計(jì)算機(jī)式嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用,我們著重介紹單板嵌入式系統(tǒng)。據(jù)世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),截止到2011年計(jì)算機(jī)板卡式嵌入式系統(tǒng)只占世界處理器市場(chǎng)總數(shù)的10%,單板嵌入式微處理器占90%。故在醫(yī)療領(lǐng)域主要的應(yīng)用系統(tǒng)還是單板嵌入式系統(tǒng),這類系統(tǒng)沒(méi)有鍵盤、鼠標(biāo)配置靈活多樣,使用方便,極大的促進(jìn)了它的發(fā)展應(yīng)用。

2 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式處理器為中心,集成了軟件、硬件的高可靠性系統(tǒng)架構(gòu),板上配置有存儲(chǔ)器、通信、I/O、USB等必要的外部設(shè)備;軟件部分配置有軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),可提供編程接口應(yīng)用,提供板級(jí)支持包BSP,但已經(jīng)屏蔽具體硬件特性。嵌入式系統(tǒng)的軟件和硬件協(xié)調(diào)工作,緊密配合,完成用戶要求的預(yù)定功能。高性能嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)的發(fā)展離不開(kāi)應(yīng)用程序,系統(tǒng)的應(yīng)用程序的要求是較少占用系統(tǒng)資源,隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)日益完善,出現(xiàn)了各種高性能嵌入式應(yīng)用系統(tǒng),已經(jīng)能滿足占用系統(tǒng)資源少的要求,屬于一類應(yīng)用系統(tǒng)程序范圍[2]。

近期醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域出現(xiàn)了眾多利好消息,德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)都明確表示將加大醫(yī)療領(lǐng)域的資金技術(shù)投入;而我國(guó)和墨西哥也將在2011年繼續(xù)進(jìn)行醫(yī)療改革。有了政府資金政策的支持,社會(huì)公眾醫(yī)療會(huì)對(duì)醫(yī)療設(shè)備的需求大大增加。隨著生活水平的不斷提高,人們?cè)絹?lái)越重視自身的健康,需求增加,就會(huì)有越來(lái)越多的高科技手段運(yùn)用到醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)中。同步進(jìn)步的就是各種生理參數(shù)檢側(cè)設(shè)備,如,腦電儀、心電圖等。各類監(jiān)護(hù)設(shè)備,如超聲波,X射線、核磁共振設(shè)備等。

圖1 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)已遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)體系為例,介紹嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用。遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)體系主要服務(wù)器端和監(jiān)護(hù)終端兩部分。服務(wù)器端位于醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心,用于實(shí)時(shí)接收客戶終端發(fā)送來(lái)的體征信息并顯示出來(lái),同時(shí)對(duì)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)的醫(yī)療分析并反饋醫(yī)囑;位于用戶側(cè)的監(jiān)護(hù)終端,主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量、采集、處理并將信息上傳服務(wù)器。監(jiān)護(hù)終端和服務(wù)器端之間可以通過(guò)各種通訊信道連接,如光纖、GPRS,modem撥號(hào)、無(wú)線局域網(wǎng)等[2]。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在Hm701ESP嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不到手掌大小,具有的功能有:系統(tǒng)存儲(chǔ)器(SDRAM)、工業(yè)級(jí)64MB的PC133動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器、固態(tài)存儲(chǔ)器(Solid State Memory)、NorFlash:32MB(Intel StrataFlashMemory)、Nand Flash:256MB(S a m s u n g NandFlash Memory)、CF Card:256MB～1GB(TrueIDE Mode)、顯示系統(tǒng)(Display System)、LCD接口:支持DSTN和TFT液晶屏,最大分辨率為800×600、觸摸屏接口:支持4線電阻式觸摸屏、通訊接口:RS232串口:1個(gè),三線串口,波特率高達(dá)921.6Kbps全功能串口:1個(gè),九線串口,波特率高達(dá)921.6Kbps、RS485接口:1個(gè),工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)RS485接口;USB HOST:2個(gè),USB2.0協(xié)議,波特率高達(dá)12Mbps USB Client:1個(gè),USB2.0協(xié)議,波特率高達(dá)12Mbps、Ethernet:1個(gè),工業(yè)級(jí)芯片,10M/100Mbps自適應(yīng)直流蜂鳴器:1個(gè)LED燈:2個(gè)獨(dú)立看門狗定時(shí)器、通用I/O,8路緩存數(shù)字輸入/8路緩存數(shù)字輸出(5V)。

在進(jìn)行系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)時(shí),要完成的功能可細(xì)化為幾個(gè)核心任務(wù),由內(nèi)核進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度,多線程并行執(zhí)行,使系統(tǒng)的可靠性得到大幅提升。嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)任務(wù)按優(yōu)先級(jí)的高低進(jìn)行調(diào)度,整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行按照一定的時(shí)序來(lái)確定的,較重要和對(duì)實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格的任務(wù),設(shè)成較高的優(yōu)先級(jí)。在系統(tǒng)運(yùn)行中,各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是固定不變的。將所有任務(wù)按優(yōu)先級(jí)從高到低順序排列是:系統(tǒng)監(jiān)視、鍵盤掃描和LCD顯示、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)預(yù)處理分析、預(yù)警任務(wù)、自動(dòng)報(bào)警任務(wù)、即時(shí)通信任務(wù)。系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)用來(lái)監(jiān)視除系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)之外的其他任務(wù)。當(dāng)被監(jiān)視任務(wù)在執(zhí)行過(guò)程中出錯(cuò)時(shí),主任務(wù)將按照設(shè)定的處理表對(duì)其進(jìn)行處理,使出錯(cuò)的任務(wù)恢復(fù)正常運(yùn)行,提高系統(tǒng)可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

在醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用中,新的傳感檢測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展,對(duì)所采集系統(tǒng)的硬件要求、存儲(chǔ)、顯示等功能也提出了更高的要求。這就使現(xiàn)代的醫(yī)療設(shè)備必須具備更強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)能力以及更穩(wěn)定、可靠的性能。醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域是一個(gè)特殊的行業(yè),都要求設(shè)備能夠達(dá)到高級(jí)別的環(huán)保要求。如何進(jìn)一步提高單板嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域的技術(shù)水平,將會(huì)是無(wú)止境的追求過(guò)程,這為單板嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用提供了更廣闊的天地和更高的要求。

[1] 蓋斯基.嵌入式系統(tǒng)的描述與設(shè)計(jì)[M].北京:北京機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 唐富華,康景利,郭銀景,等.基于嵌入式技術(shù)的移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研制[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2005,13:201～203.