基于MSP430無線傳輸?shù)尼t(yī)院病人無人看護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

摘 要 家庭無線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是以需監(jiān)護(hù)的病人為服務(wù)對象，提供遠(yuǎn)距離的病人心跳頻率監(jiān)測服務(wù)，檢測病人的病情穩(wěn)定情況，為有效地應(yīng)對病人的突發(fā)情況做出良好反應(yīng)的醫(yī)療準(zhǔn)備。系統(tǒng)通過紅外線對血液的透析度的測量來計(jì)算出病人的心率，通過無線傳輸途徑進(jìn)行心率數(shù)據(jù)的傳輸，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)行數(shù)據(jù)的觀察分析，以及做出判斷。系統(tǒng)包括心率采集、無線傳輸、串口通信、軟件數(shù)據(jù)處理四部分。

關(guān)鍵詞 MSP430 無人看護(hù)系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 分析

1 引言

隨著人們對健康的重視，家庭保健工程（HHCE）開始興起。美、日及北約國家的衛(wèi)生保健計(jì)劃都把它列為重要一項(xiàng)，它提倡的是一種“在家就醫(yī)，自我保健，遠(yuǎn)程診斷[1]”的理念，把高科技與醫(yī)療結(jié)合起來。HHCE的出現(xiàn)符合21世紀(jì)的社會老齡化、醫(yī)療費(fèi)用日益高漲以及人們生活健康質(zhì)量高要求的趨勢，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療資源共享，并能提高邊遠(yuǎn)地區(qū)的醫(yī)療水平，因此具有特別旺盛的生命力。

目前應(yīng)用于家庭的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)存在許多問題，如功能比較單一、價(jià)格比較昂貴、用戶操作不便、儀器不能獨(dú)立于系統(tǒng)應(yīng)用、智能化程度比較低等。而家庭監(jiān)護(hù)儀器的發(fā)展趨勢是體積小、功能齊全、無創(chuàng)檢測、無線檢測、無線傳輸[2]、智能化和遠(yuǎn)距監(jiān)測[3]等。

為了滿足社會的需求，本論文應(yīng)用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，整合家用計(jì)算機(jī)資源，利用微處理器平臺，設(shè)計(jì)開發(fā)一套可通過無線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菔竭h(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)儀器的硬件平臺。

2 系統(tǒng)總體分析與設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為心率采集、無線傳輸、串口通信、軟件數(shù)據(jù)處理。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示：

圖2.1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖如下：

圖2.2 數(shù)據(jù)流圖

2.2系統(tǒng)主控系統(tǒng)的選擇

在系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如何選取性價(jià)比最高的控制體系至關(guān)重要?？刂葡到y(tǒng)的種類很多，根據(jù)不同的應(yīng)用場所和采用芯片的不同可以分為工控機(jī)控制、可編程控制器（PLc）控制、單片機(jī)控制等。

單片機(jī)[4]是把微型計(jì)算機(jī)主要部件都集成在一塊芯片上，故可以把單片機(jī)看成是一個(gè)不帶外部設(shè)備的微計(jì)算機(jī)。單片機(jī)介于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和可編程控制器之間，它有較強(qiáng)的控制能力、低廉的成本。

而在眾多單片機(jī)中，MSP430 系列單片機(jī)[5]是一個(gè) 16 位的單片機(jī)，采用了精簡指令集結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為 125 ns ，這些保證了MSP430強(qiáng)大的處理能力。MSP430 還有如下特點(diǎn)：超低功耗；系統(tǒng)工作穩(wěn)定；豐富的片上外圍模塊，它們分別是看門狗、模擬比較器 A 、定時(shí)器 A、定時(shí)器 B、串口 0 、 1、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、 10 位 /12 位 ADC 、 I 2 C 總線直接數(shù)據(jù)存取、端口 O、端口 1～6、基本定時(shí)器等的一些外圍模塊；方便高效的開發(fā)環(huán)境，可用仿真器下載程序到FLASH內(nèi)，進(jìn)行調(diào)試控制?；贛SP430功能更完善，技術(shù)新穎，本人擬定以C8051F340作為系統(tǒng)控制器。

3 心率采集模塊

3.1心率信號采集方案選擇

3.1.1 心率信號采集方案選取

心率信號采集有兩個(gè)方案如下：

方案一：可通過體表電位提取心電信號。體心率信號是一種弱電信號，信噪比低。一般正常的心電信號頻率范圍為0.05-100 Hz，而90%的心電信號（ECG）頻譜能量集中在0.25-35 Hz之間。然而，采集這種電信號時(shí)，會受到各種噪聲的干擾。眾所周知噪聲干擾的消除和控制比較困難，而且不穩(wěn)定，實(shí)施起來比較困難。

方案二：通過血液透析度間接來反映人體心率信號。人體心臟的每次跳動(dòng)都會引起血液透析度的規(guī)律性、周期性變化，只要選擇適當(dāng)傳感器就可以很方便的得到人體心率信號。實(shí)施起來比較容易，干擾控制比較容易。其提取的信號特點(diǎn)如下：

（1）微弱性：提取的心率信號都存在，信號的微弱性，需放大。

（2）不穩(wěn)定性：人體的新陳代謝，呼吸系統(tǒng)等系統(tǒng)是在不停的進(jìn)行著，因此，提取的心率信號動(dòng)態(tài)變化的。

（3）不存在隨機(jī)性，提取的心率信號通過血液的透析度來反映的，是客觀的。

綜上所述，比較兩方案的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到干擾控制的容易性，信號的穩(wěn)定性、難易性，以及獲取設(shè)備的成本，方案二更加合適。

針對方案二，檢測人體血液的透析度決定了選材的要求：一定的穿透性，一定的抗干擾性，無害性，易接收性。血液的透析度的改變會使光對血液的折射率發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，從光的角度出發(fā)來選擇信號發(fā)射器。

紅外線[6]是一種人眼不可見的光波，是由物質(zhì)內(nèi)部的分子、原子的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的電磁輻射。

（1）紅外光有如下的特點(diǎn)：頻率高，波長短，所發(fā)射的能量集中；

（2）紅外線是人的肉眼看不見的光線，保密性強(qiáng)，選它作為信息載體，裝置工作時(shí)不存在視覺污染，對人體沒有傷害；

（3）傳播范圍不受限制，不存在頻率干擾的問題，與無線電波方式相比，不必就頻譜問題向有關(guān)部門進(jìn)行申請和登記，易于實(shí)施；

（4）具有良好的指向性，當(dāng)傳送設(shè)備和紅外接收端口排成直線，左右偏差不超過15度的時(shí)候，紅外裝置運(yùn)行效果最好；

（5）紅外線不能穿過或繞過人和物體，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，不能阻斷光路；

（6）目前產(chǎn)生和接收紅外信號的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，元件體積小，成本低；

（7）空間傳播時(shí)的衰減系數(shù)小，可保證信號的有效轉(zhuǎn)送；

（8）制作簡單、易于產(chǎn)生和調(diào)制等優(yōu)勢。

因此，選用紅外線做信號發(fā)射器。

對應(yīng)的紅外接收裝置是TCRT5000的紅外接收頭，這個(gè)型號的紅外接收頭有如下特點(diǎn)：寬電壓適應(yīng)、低功耗、高靈敏度、優(yōu)良的抗干擾性。主要應(yīng)用在家用電器、玩具等紅外遙控接收。

此紅外接收頭定向性很好，近乎直線檢測，并且能在18米仍然能很好的接收紅外信號，非常的符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 心率信號放大、濾波及電路設(shè)計(jì)

放大、濾波電路是把傳感器檢測到的微弱電信號進(jìn)行放大、濾波，最后輸出反映心跳頻率的有規(guī)律波形。

傳感器送來的信號幅度只有2～5毫伏，為了有效的識別波，該信號要放大到2～3.3V。因此放大倍數(shù)設(shè)計(jì)在1250倍左右，經(jīng)過兩級放大、反相后的波形是跟輸入波形同相，且放大了的波形。放大后的波形是一個(gè)交流信號。

心率信號被放大的同時(shí)，里面摻雜的雜波信號也要被放大，所以要在心率信號放大之前，將摻雜在心率信號中的雜波盡可能地濾去。

3.2 心率信號判斷及數(shù)據(jù)處理

心率信號分析處理

我們選擇的MSP430芯片的特點(diǎn)是自帶ADC12，稱AD轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換就是模數(shù)轉(zhuǎn)換，顧名思義，就是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

MSP430可以對P6口傳輸進(jìn)來的模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模型信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

心率信號即電壓信號，通過MSP430單片機(jī)每隔0.01s對心率信號踩點(diǎn)并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，把模擬電壓值轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號值，

通過AD轉(zhuǎn)換，把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以后，接下來就是對上圖所示的一連串?dāng)?shù)據(jù)的處理來判斷心跳。

4 無線傳輸模塊

4.1 無線傳輸方案選擇

目前，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸[7]技術(shù)主要包括激光技術(shù)，紅外線技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)，無線射頻技術(shù)。

鑒于成本，性能，傳輸?shù)姆秶鹊目紤]，采用無線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸比較適合當(dāng)前系統(tǒng)的開發(fā)。針對這一方案，NRF905比較適合該方案的實(shí)施。nRF905片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器功率放大器等模塊，不需外加聲表濾波器，自動(dòng)處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)），曼徹斯特編碼/解碼由片內(nèi)硬件完成，無需用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便，nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM發(fā)送模式，兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機(jī)模式和空閑模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

4.2 無線傳輸各版塊數(shù)據(jù)往來規(guī)則

心率發(fā)送版塊只負(fù)責(zé)心率數(shù)據(jù)的發(fā)送，每當(dāng)經(jīng)過心率判斷，算出心率后就進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。本版塊的信息發(fā)送跟基站轉(zhuǎn)發(fā)與主機(jī)接收這兩個(gè)版塊沒有因果聯(lián)系。

基站轉(zhuǎn)發(fā)模塊是一直在接收心率發(fā)送版塊發(fā)來的心率數(shù)據(jù)的，但它的數(shù)據(jù)發(fā)送是有條件的，要收到主機(jī)接收版塊發(fā)送給它的詢問信息時(shí)才能將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)接收版塊。這樣就保證了數(shù)據(jù)的不碰撞，避免了數(shù)據(jù)的重復(fù)發(fā)送[8][9]。

5 展望

目前，面向家庭、個(gè)人的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)成為遠(yuǎn)程醫(yī)療領(lǐng)域的熱點(diǎn)，無線、移動(dòng)和便捷式將成為遠(yuǎn)程醫(yī)療發(fā)展的必然趨勢。微型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多功能化、低成本和高可靠性的監(jiān)護(hù)終端具有廣闊的市場前景。開發(fā)出一套實(shí)用的無線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可解決我國大量老齡人口和心血管病患者的健康護(hù)理問題；可減少醫(yī)療費(fèi)用，減輕病人和醫(yī)護(hù)人員及醫(yī)院的負(fù)擔(dān)；可提高心血管病患者的生活質(zhì)量，使患者更加獨(dú)立地生活在自己熟悉的環(huán)境中；實(shí)現(xiàn)醫(yī)患雙向信息傳遞，提供及時(shí)醫(yī)療服務(wù)，可大大降低心臟病的死亡率，對心臟病的早期診斷，更是具有十分重要的臨床意義。

隨著存儲技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，無線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的條件已經(jīng)日趨成熟，也越來越普遍化，國內(nèi)外各大數(shù)字醫(yī)療設(shè)備公司也紛紛看好這個(gè)市場，都積極地投入到了這個(gè)課題的開發(fā)中。因此該領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿艽蟆?/p>

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