基于ARM 的多通信方式的監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

龐春穎 趙春華 金 陽

(長春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130022)

引言

監(jiān)護(hù)儀可實(shí)時(shí)檢測和記錄人體生理信號，如心電、血氧飽和度、血壓、呼吸、脈搏和體溫等，為醫(yī)學(xué)臨床診斷提供生理信息。以往監(jiān)護(hù)儀主要用于監(jiān)護(hù)危重病人，例如ICU 和手術(shù)室等，而目前在普通病房、社區(qū)和家庭也得到了應(yīng)用和推廣［1-2］。

目前監(jiān)護(hù)儀主要向?qū)？苹?、網(wǎng)絡(luò)化、信息化等方向發(fā)展。如Philips 公司研制的IntelliVue MP90病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，除了常規(guī)的生理參數(shù)監(jiān)護(hù)以外，還具有強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)功能，該儀器能夠在覆蓋全院的聯(lián)網(wǎng)平臺上進(jìn)行操作，根據(jù)患者的病情、部門方案或特定程序的需求進(jìn)行靈活配置。GE 公司也推出了DASH3000 具有內(nèi)置一體化聯(lián)網(wǎng)功能的監(jiān)護(hù)儀，該監(jiān)護(hù)儀具有有線聯(lián)網(wǎng)和無線聯(lián)網(wǎng)的性能，無論患者身處何地都能實(shí)現(xiàn)不間斷的網(wǎng)絡(luò)連接。佩戴式移動(dòng)監(jiān)護(hù)儀是專門為了實(shí)現(xiàn)對病人活動(dòng)狀態(tài)下的監(jiān)護(hù)，該監(jiān)護(hù)儀可佩戴在獨(dú)自在家的老人身上，通過無線方式接入網(wǎng)絡(luò)，便于數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸［3］。還有基于手機(jī)通信的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)［4］，可以將參數(shù)采集后通過手機(jī)信號發(fā)送給醫(yī)院進(jìn)行監(jiān)護(hù)，適合高密度城市居民日常監(jiān)護(hù)使用?；隗w域網(wǎng)的心電、呼吸等信號的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)也是該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，這種系統(tǒng)通過穿戴于被監(jiān)護(hù)者身上的監(jiān)測傳感器，采集人體的各種生理參數(shù)和運(yùn)動(dòng)信息，以無線的方式實(shí)現(xiàn)對病人的連續(xù)檢測和量化評估［5-7］。

目前多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀性能穩(wěn)定，功能強(qiáng)大，特別是GE、Philips 和SpaceLabs 三大公司研制的高端監(jiān)護(hù)儀產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)醫(yī)院局域網(wǎng)連接和無線通信功能，但是這些儀器價(jià)格昂貴，很難推廣使用。在國內(nèi)適用于家庭、社區(qū)及醫(yī)院的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究也有不少［8-10］，但是單一的通信方式只適合某種條件的醫(yī)療單位或家庭使用，通信方式不夠靈活。本研究設(shè)計(jì)了一種基于ARM 芯片的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，可實(shí)現(xiàn)心電(ECG)、呼吸(RESP)、無創(chuàng)血壓(NIBP)、血氧飽和度(SPO2)、脈搏(PR)、體溫(TEMP)等參數(shù)監(jiān)護(hù)，并進(jìn)行病人生理信息記錄、數(shù)據(jù)自動(dòng)分析，數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)等功能。系統(tǒng)采用嵌入式芯片S3C2440，配合Linux 嵌入式系統(tǒng)，采用WiFi、GPRS和DM9000 網(wǎng)卡根據(jù)使用環(huán)境靈活配置網(wǎng)絡(luò)通信功能，如通過醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)或廣域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;或者通過社區(qū)網(wǎng)絡(luò)、社區(qū)WiFi 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;也可通過廣域網(wǎng)絡(luò)或GPRS 進(jìn)行定期或?qū)崟r(shí)的通信，實(shí)現(xiàn)生理信息的有線和無線監(jiān)護(hù)功能，對實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療和社區(qū)、家庭醫(yī)療具有重要的意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)包括模擬和數(shù)字兩大部分，原理框圖如圖1 所示，模擬部分包括心電、血壓、血氧、體溫、呼吸、脈搏等生理參數(shù)的檢測和采集;數(shù)字部分以主控芯片S3C2440 為主，包括人機(jī)接口、存儲部分和通信部分的設(shè)計(jì)等。各傳感器檢測到生理信號后通過各自的信號處理電路進(jìn)行模擬處理后傳輸給CPU ATMega32，ATMega32 將模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后通過串口發(fā)送給主控CPUS3C2440，S3C2440對不同信號進(jìn)行相應(yīng)的處理、分析和運(yùn)算，然后進(jìn)行顯示、存儲、通信等。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig．1 System functional block diagram

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括信號采集部分和主控外圍電路兩大部分。信號采集部分包括心電、血壓、血氧、脈搏、體溫、呼吸等模塊。每個(gè)模塊采用插卡式設(shè)計(jì)，通過帶有插槽的采集板與ATMega32 連接。在ATMega32 控制下采集各生理信號并進(jìn)行打包處理后通過串口發(fā)送給S3C2440。主控外圍電路主要包括人機(jī)交互界面的LCD 和觸摸屏，存儲設(shè)備SD 卡、NAND FLASH 和SD RAM，以及通信設(shè)備WiFi 模塊、GPRS 模塊和DM9000 網(wǎng)卡等3 大部分。

1.2.1 信號采集電路

在各種生理參數(shù)中，以心電信號的采集和處理最為復(fù)雜，因此心電信號采集是硬件設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵?？紤]到心電信號的特點(diǎn):其最大幅值約1.5 mV，頻率主要集中在0.03 ～100 Hz 之間。而CPU ATmega32 工作在5 V 電壓下的AD 轉(zhuǎn)換器最大分辨率是4.88 mV，因此至少要將心電信號從毫伏級放大到伏級，即1 000 倍左右。另外心電信號屬于強(qiáng)背景噪聲下的微弱信號，這就要求系統(tǒng)具有高共模抑制比和輸入阻抗，因此系統(tǒng)采用了二級放大電路。通過一個(gè)高通RC 濾波器濾除低頻噪聲和直流漂移，截止頻率為0.03 Hz。采用了四階巴特沃斯低通濾波器，這種濾波器的特點(diǎn)是在小于截止頻率的范圍內(nèi)，具有最平幅度的響應(yīng)，而在大于截止頻率時(shí)幅頻響應(yīng)迅速下降，截止頻率設(shè)為106 Hz。最后采用了50 Hz 的雙T 陷波器，濾除50 Hz 工頻干擾。心電信號采集的硬件框圖如圖2 所示，心電信號采集板如圖3 所示，采集到的心電信號如圖4所示。

圖2 心電信號采集框圖Fig．2 ECG acquisition block diagram

圖3 心電信號采集板Fig．3 ECG acquisition board

圖4 采集的心電信號Fig．4 Collected Electrocardiosignal

1.2.2 主控外圍電路

S3C2440 具有豐富的外圍設(shè)備接口，大部分常規(guī)設(shè)備可以直接與之相連，例如NAND FLASH、SDRAM、SD CARD、LCD、觸摸屏和DM9000 網(wǎng)卡，S3C2440 都有與之對應(yīng)的控制器。系統(tǒng)外擴(kuò)了兩塊32 M 16 位 的SDRAM 和256M 的 FLASH 模 塊K9F2608，以進(jìn)行信息的存儲。為了實(shí)現(xiàn)便利的通信方式，系統(tǒng)采用WiFi、GPRS 和DM9000 網(wǎng)卡等3種通信方式，可根據(jù)儀器的使用環(huán)境靈活配置通信功能。其中WiFi 使用基于zd1211b 芯片的WiFi 無線網(wǎng)卡，該網(wǎng)卡可通過USB HOST 與S3C2440 接口，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)無線通信功能。GPRS 模塊采用GR47 芯片，通過串口與S3C2440 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。GPRS 分組交換速率可達(dá)85.6 Kb/s，提供遠(yuǎn)程通信功能。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)軟件、通信軟件和嵌入式應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。采用Linux2.6.32 內(nèi)核和QT4.5 圖形庫。修改U-BOOT1.3.4 啟動(dòng)部分代碼，編譯后燒錄到NAND FLASH 開始的2 MB 空間，然后編譯Linux 內(nèi)核，添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件，燒錄到NAND FLASH 接下來的4 MB 空間，剩下的空間用來存放帶有QT 庫的根文件系統(tǒng)。采用QT 編寫好的軟件可通過SD CARD 存儲到NAND FLASH 中。

1.3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

各生理參數(shù)的采集是下位機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。系統(tǒng)采用ATMega32 單片機(jī)自帶的A/D 轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器有8 個(gè)通道，分別連接了心電、體溫、血壓直流、血壓交流、紅光直流、紅光交流、紅外直流、紅外交流模擬信號，采樣率通過定時(shí)器控制，每隔5 ms 采樣一次，設(shè)置10 位的分辨率。轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)在前面添加6 位數(shù)據(jù)構(gòu)成16 位數(shù)據(jù)，其中高8 位數(shù)據(jù)按照式(1)進(jìn)行處理。式中，ADCH 為AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果的高2 位數(shù)據(jù)，i 為AD通道編號。通過datah 可以區(qū)分采集信號的類型。

系統(tǒng)設(shè)置每個(gè)呼吸脈沖觸發(fā)產(chǎn)生一個(gè)外部中斷，以進(jìn)行呼吸頻率的計(jì)算。另外通過單片機(jī)I/O口產(chǎn)生的脈沖控制血氧傳感器的紅光發(fā)射、紅外光發(fā)射以及血壓測量的袖帶氣泵充氣、放氣控制。

1.3.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要包括生理參數(shù)的分析處理和GUI 界面設(shè)計(jì)，采用QT 編寫。QT 是基于C++的構(gòu)架，對一些經(jīng)常使用的圖形界面進(jìn)行了類的封裝，且可以對這些類進(jìn)行擴(kuò)展和修改，提高了程序編寫效率和靈活性。

在幾個(gè)監(jiān)護(hù)的參數(shù)中，心電信號的分析處理最復(fù)雜，包括QRS 波的識別、心率的計(jì)算T 波檢測等［11-13］。心電信號分析的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)R 波定位，由于R 波峰值最大，所以判定R 波的條件如下:

(1)差分值從正變?yōu)樨?fù)值;

(2)差分值小于所有負(fù)值的平均值;

(3)滿足以上條件且連續(xù)出現(xiàn)4 個(gè)負(fù)差分。

當(dāng)滿足以上條件時(shí)，定位一個(gè)R 波，再利用差分閾值法計(jì)算心率。另外通過檢測血壓交流信號的峰值位置及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算舒張壓和收縮壓［14］。

GUI 設(shè)計(jì)則通過編寫 paintEvent ()、mousePressEvent()和mouseMoveEvent()函數(shù)，實(shí)現(xiàn)心電波形和脈搏波的繪制以及鼠標(biāo)控制。系統(tǒng)軟件還自定義了addData()和addDatas()函數(shù)，用于向波形末端添加新數(shù)據(jù)，其他部分用QT Designer 編寫實(shí)現(xiàn)。

1.3.3 通信軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)采用了3 種通信方式，因此協(xié)調(diào)3 種通信方式是本部分設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。遠(yuǎn)程通信分為實(shí)時(shí)模式和非實(shí)時(shí)模式兩種，實(shí)時(shí)模式可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，非實(shí)時(shí)模式用于在需要的時(shí)候?qū)?shù)據(jù)發(fā)送出去。非實(shí)時(shí)模式又分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種，手動(dòng)發(fā)送是根據(jù)需要，醫(yī)護(hù)人員手動(dòng)點(diǎn)擊發(fā)送按鈕發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)，自動(dòng)方式是采用定時(shí)器每隔一段時(shí)間發(fā)送一次。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5 所示。

1.3.4 軟件調(diào)試

軟件調(diào)試結(jié)果如圖6 所示，界面上方為患者屬性欄，包括患者基本信息以及對患者數(shù)據(jù)存儲的基本操作。左側(cè)為兩通道波形顯示，包括心電波形和脈搏波形，以及波形增益調(diào)節(jié)和回放按鈕。右側(cè)為生理參數(shù)數(shù)據(jù)顯示，包括心率、脈率、呼吸頻率、體溫、血氧、舒張壓和收縮壓，右側(cè)4 個(gè)按鍵為監(jiān)護(hù)儀操作按鈕，包括開始、暫停、停止和設(shè)置，右側(cè)下方為網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)顯示和操作界面。

圖5 聯(lián)網(wǎng)模式選擇流程Fig．5 Networking mode selecting flow diagram

圖6 監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)界面Fig．6 Monitor system interface

2 系統(tǒng)性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確程度，選取健康30 位受試者，將其測量結(jié)果和國產(chǎn)邁瑞監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行對比。受試者來源于長春理工大學(xué)醫(yī)院，18 ～60歲，其中男性18 人，女性12 人。這些受試者是在醫(yī)院進(jìn)行體檢的學(xué)生和教師以及5 個(gè)住院的患者，他們在知情同意的情況下進(jìn)行了參數(shù)對比監(jiān)護(hù)，并由臨床醫(yī)生進(jìn)行記錄。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中要求受試者在安靜狀態(tài)下休息10 min，用本系統(tǒng)測量，然后再用邁瑞監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行測量，然后對測量結(jié)果進(jìn)行比較和分析。以受試者測量參數(shù)誤差的平均值(mean)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)以及測量驗(yàn)證準(zhǔn)確率評價(jià)本監(jiān)護(hù)儀的性能。

參數(shù)測量誤差為測量的真值x(邁瑞儀器測量值)與本研究開發(fā)的監(jiān)護(hù)儀的實(shí)測值y 之差。即

驗(yàn)證準(zhǔn)確率為測量誤差在精度范圍內(nèi)的受試者個(gè)數(shù)(M)與受試者總數(shù)(S)的比值，即

如進(jìn)行脈率測量時(shí)，受試者總數(shù)為30 人，其中3 人的脈率值測量誤差超過±1(脈率的測量精度為±1 次/min)，即27 人的測量值為準(zhǔn)確值，所以脈率的驗(yàn)證準(zhǔn)確率為90%。

圖7 血氧飽和度測量結(jié)果比較Fig．7 Blood oxygen measuring results comparation

圖9 血壓測量結(jié)果比較Fig．9 Blood pressure measuring results comparation

3 結(jié)果

對30 位受試者心率、血氧和血壓等值進(jìn)行了測量，其測量結(jié)果如圖7 ～圖11 所示。由圖可見，本系統(tǒng)的測量結(jié)果與邁瑞監(jiān)護(hù)儀測量結(jié)果間的絕對誤差較小，基本在監(jiān)護(hù)儀的測量精度范圍內(nèi)。另外幾種測量參數(shù)的驗(yàn)證準(zhǔn)確率、平均誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差的計(jì)算結(jié)果如表1 所示。其中體溫的測量準(zhǔn)確率最高為96.7%，血氧飽和度、脈率、血壓值偏低，軟件上還可進(jìn)一步完善。通過分析可知本監(jiān)護(hù)儀的測量驗(yàn)證準(zhǔn)確率平均值為92.2%，滿足監(jiān)護(hù)儀臨床使用要求。

圖8 心率測量結(jié)果比較Fig．8 Heart rate measuring results comparation

圖10 脈率測量結(jié)果比較Fig．10 Pulse rate measuring results comparation

表1 不同生理參數(shù)的測量誤差和驗(yàn)證準(zhǔn)確率Tab．1 Verification accuracy rate of diffenrence parameter

4 討論和結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和社會(huì)人口結(jié)構(gòu)的老齡化，監(jiān)護(hù)儀的使用需求越來越廣泛，所以研制高性價(jià)比、網(wǎng)絡(luò)化、信息化的監(jiān)護(hù)儀意義重大。本研究所設(shè)計(jì)的監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)硬件上采用了信號采集與主控分離的方法，兩者通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高了硬件的通用性，便于硬件的維護(hù)和升級，也有利于硬件的調(diào)試和移植。另外應(yīng)用軟件并非固化在硬件中，可以通過Linux 腳本文件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)更新，也可自行通過USB 更新。

當(dāng)然系統(tǒng)還有很多可擴(kuò)展和升級的地方，例如雖然每個(gè)模塊以插槽的形式固定在連接板上，但不能獨(dú)立使用，可考慮設(shè)計(jì)獨(dú)立的客戶端，并以無線通信方式與主機(jī)交互信息，方便患者的使用。另外可通過心電和脈搏波的融合進(jìn)行呼吸率的計(jì)算［15］，從而減少傳感器的個(gè)數(shù)，降低成本。

以嵌入式微處理器ARM9 芯片S3C2440 為控制核心，設(shè)計(jì)了具有多種通信方式的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，實(shí)現(xiàn)心電、呼吸、血壓、脈搏、體溫和血氧飽和度等參數(shù)的監(jiān)護(hù)。通過WiFi、GPRS 和DM9000 的接口設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)不同使用環(huán)境和條件下的有線和無線通信功能。通過對30 位受試者的對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，本監(jiān)護(hù)儀的測量驗(yàn)證的平均準(zhǔn)確率達(dá)到92.2%，而且多種通信方式方便建立局域網(wǎng)和Internet 網(wǎng)絡(luò)連接，為遠(yuǎn)程醫(yī)療和家庭醫(yī)療提供條件。

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