基于FPGA的多通道生理信號(hào)監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)*

田 軍 ，張冰洋 ，詹壘壘 ，陳亞光 ，武 力

(1.中南民族大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢430074;2.中南民族大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心，湖北 武漢430074)

在現(xiàn)有的醫(yī)療、社會(huì)、科技背景下，醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)己經(jīng)朝著個(gè)人化、便攜化和多功能化的方向發(fā)展。目前家用便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品已在越來越多的家庭中廣泛使用，但這類產(chǎn)品功能比較單一，通常只對(duì)某種單一疾病的生理參數(shù)提供監(jiān)測(cè)[1]，比如心臟病、高血壓或糖尿病等，不能滿足多項(xiàng)生理信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。功能全面的醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀大多體積龐大，一般應(yīng)用在醫(yī)院等固定場(chǎng)所。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，心血管疾病已經(jīng)成為中國成人首要的死亡原因[2]。鑒于心血管疾病患者發(fā)病前期不能長(zhǎng)期靜臥于醫(yī)院，又需要對(duì)病情進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)，因此研制一款高性能的便攜式多參數(shù)生理信號(hào)監(jiān)護(hù)儀對(duì)心血管患者的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)具有十分重要的意義。利用FPGA并行運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)[3]，本文設(shè)計(jì)了一種便攜式多通道生理信號(hào)監(jiān)護(hù)儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多項(xiàng)生理參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)采用智能化電源管理方案，功耗低,續(xù)航時(shí)間長(zhǎng),體積小,重量輕,操作簡(jiǎn)單，滿足了心血管患者家庭實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)的需要。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該便攜式多通道生理信號(hào)監(jiān)護(hù)儀的硬件部分主要包括信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)通信、人機(jī)交互5個(gè)模塊。 系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

該系統(tǒng)采用Altera公司的Cyclone II系列 EP2C35F672作為中央處理芯片。EP2C35F672采用可編程的查找表LUT(Look Up Table)結(jié)構(gòu)，支持 129通道的 LVDS(低壓差分串行)和 RSDS(去抖動(dòng)差分信號(hào))，最高支持 640 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力，與一般處理器的單端I/O標(biāo)準(zhǔn)相比，這些內(nèi)置的LVDS緩沖器保持了信號(hào)的完整性，并且具有更低的電磁干擾、更好的電磁兼容性(EMI)以及更低的電源功耗[4]。這些特點(diǎn)滿足了系統(tǒng)快速運(yùn)算和信號(hào)穩(wěn)定的需求。系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)通信、人機(jī)交互等模塊組成，能實(shí)時(shí)地對(duì)心電、脈搏、血氧飽和度進(jìn)行監(jiān)護(hù)。

1.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需同時(shí)對(duì)多種生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)護(hù)，這要求ADC芯片具有多通道、速度快的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)最終選用MAX186，這款芯片具有8個(gè)模擬輸入通道，輸出數(shù)據(jù)精度為 12 bit,支持低功耗模式(1.5 mA(運(yùn)行狀態(tài)),2 μA(待機(jī)狀態(tài))),最高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換頻率達(dá)到133 kHz，與主控芯片通過SPI協(xié)議進(jìn)行通信，如圖2所示。

圖2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

1.2 心電信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

由于標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)方式只能反映被測(cè)兩點(diǎn)的電平差，不能探測(cè)某一點(diǎn)的電平變化，故設(shè)計(jì)中采用單極導(dǎo)聯(lián)方式采集心電，如圖3 所 示。 VR(右 手)、VF(左腿)、VL(左手)三路信號(hào)通過低通濾波傳至多路開關(guān)，得到兩路差分信號(hào)，送至差分放大器前，用等值電阻提取共模信號(hào)，經(jīng)反向放大送至RL(右腿)，消除共模干擾。為了保證用戶安全，差分放大器后采用光耦隔離電路，然后通過濾波電路，送至A/D，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖3 心電采集電路

1.3 脈搏采集模塊設(shè)計(jì)

采用壓電傳感器采集橈動(dòng)脈脈搏，為計(jì)算脈搏波速度，前后放置兩個(gè)傳感器在橈動(dòng)脈處。設(shè)計(jì)了兩路對(duì)稱的調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的采集。電路由前置放大電路、濾波、二級(jí)放大電路組成，如圖4所示。

1.4 血氧采集模塊設(shè)計(jì)

圖4 脈搏采集電路

采用雙波長(zhǎng)法測(cè)量血氧飽和度，光電傳感器將透射光轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，通過I-V轉(zhuǎn)換、前置放大、隔直電容將信號(hào)分成直流分量和交流分量，分別進(jìn)行濾波和放大后送至A/D。傳感器LED驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，分時(shí)段點(diǎn)亮兩個(gè)LED?？刂艶PGA的GPIO口產(chǎn)生PWM信號(hào)，通過濾波器濾除其中的諧波成分，實(shí)現(xiàn)PWM至DAC的轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)PWM占空比即可調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流大小，從而調(diào)整血氧探頭輸出信號(hào)的光電流大小。

圖5 LED驅(qū)動(dòng)電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境采用Quartus II和 Nios II IED。采用SoPC(System on Programmable Chip)技術(shù)在 Quartus II中定制軟核，進(jìn)行FPGA底層邏輯配置，在Nios II IDE中進(jìn)行系統(tǒng)功能的軟件開發(fā)。

2.1 Nios II軟核的定制

NiosⅡ嵌入式處理器是Altera公司推出的采用哈佛結(jié)構(gòu)、具有32位指令集的第二代片上可編程的軟核處理器,其最大優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)是模塊化的硬件結(jié)構(gòu),以及由此帶來的靈活性和可裁減性[5]。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求配置底層軟核驅(qū)動(dòng)，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟核定制

(1)同時(shí)或者分別處理各個(gè)信號(hào)時(shí),為了避免數(shù)據(jù)的丟失與覆蓋,要求較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率。為此筆者在 SPI驅(qū)動(dòng)(SPI Controller)中加入了一個(gè)容量為1 KB的緩沖器(Buffer)(見圖2)，能迅速將數(shù)據(jù)同時(shí)“推送”給處理器，有效提高數(shù)據(jù)處理速度。

(2)監(jiān)護(hù)儀的顯示模塊采用3.5英寸TFT液晶屏,因此需加入LCD Controller驅(qū)動(dòng)。為了方便視力較差的老人使用，系統(tǒng)還預(yù)留了VGA接口，可將所有數(shù)據(jù)接入外部顯示器顯示，所以需添加VGA Controller核。

(3)所有的數(shù)據(jù)都必須實(shí)時(shí)地以文本格式保存，方便醫(yī)生診斷參考。系統(tǒng)采用大容量SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，故加入SD Card Controller核。

(4)允許用戶進(jìn)行相應(yīng)功能的選擇操作,并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果給予相應(yīng)提示，系統(tǒng)預(yù)留按鍵、蜂鳴器和LED指示燈，加入GPIO控制驅(qū)動(dòng)。

(5)為了進(jìn)一步處理需要,需將存儲(chǔ)的文件發(fā)送給PC。選用最常用的串口通信，需加入RS232核。

2.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體功能描述如下：開機(jī)后，根據(jù)相應(yīng)的信號(hào)接入情況智能選擇A/D工作模式：待機(jī)、單參數(shù)模式和多參數(shù)模式。在待機(jī)模式中系統(tǒng)通過降低采樣頻率、降低傳感器驅(qū)動(dòng)電流、降低LCD亮度等方式來降低系統(tǒng)能耗。通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行IIR數(shù)字濾波來保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。設(shè)定低通濾波器的截止頻率為35 Hz，初步濾除包括工頻在內(nèi)的高頻干擾；設(shè)定高通濾波器的截止頻率為0.5 Hz，消除基線漂移等低頻干擾[6]。對(duì)數(shù)字濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，計(jì)算心率、脈搏波速和血氧飽和度，在LCD中顯示數(shù)據(jù)和波形。為了方便醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行復(fù)查，監(jiān)護(hù)日志以文本格式存入SD卡。

由于不同用戶的體征參數(shù)不盡相同，信號(hào)幅度和周期等參數(shù)就必然不同，所以系統(tǒng)還必須自適應(yīng)地調(diào)整采樣頻率、顯示幅度和基線位置。另外系統(tǒng)還必須根據(jù)用戶的選擇，把數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給PC，或者把SD卡中的文件讀出在LCD上顯示。主函數(shù)流程圖如圖7所示。

2.3 數(shù)字濾波模塊設(shè)計(jì)

在心電信號(hào)處理過程中，為濾除高頻噪聲，設(shè)計(jì)了IIR巴特沃斯數(shù)字低通濾波器,其技術(shù)指標(biāo)為Wp=35 Hz，Ws=100 Hz，Rp=0.1,Rs=80，數(shù)學(xué)模型為：

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖

為濾除呼吸等低頻干擾，消除基線漂移，設(shè)計(jì)切比雪夫高通濾波器，技術(shù)指標(biāo)為Ws=0.5 Hz，Wp=4 Hz，Rp=0.1，Rs=80，數(shù)學(xué)模型階數(shù)較高，這里不給出。圖8、圖9分別為處理前后的心電信號(hào)。

計(jì)算心率首先要識(shí)別QRS波群，本設(shè)計(jì)中使用的判據(jù)為斜率、極值點(diǎn)、幅度閾值、周期范圍[7]。實(shí)驗(yàn)證明通過以上4個(gè)判據(jù)，系統(tǒng)能準(zhǔn)確地識(shí)別QRS波群，結(jié)合采樣頻率就能迅速計(jì)算出心率。

圖9 濾波后心電信號(hào)

圖10 脈搏波信號(hào)

數(shù)字濾波處理后的雙路脈搏波形如圖10。首先利用極值點(diǎn)、斜率判據(jù)找出相鄰兩個(gè)主搏峰，計(jì)算出相鄰波峰的信號(hào)點(diǎn)數(shù)目后結(jié)合采樣率Fs換算成時(shí)間T,已知前后兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)距離L，然后計(jì)算出脈搏波傳遞速度，計(jì)算公式為PWV=L/T。

對(duì)血氧飽和度波形進(jìn)行10點(diǎn)滑動(dòng)平均處理,數(shù)學(xué)模型為：

處理后的血氧波形如圖11所示。通過A/D采樣可得到兩路光的透射強(qiáng)度波形和相應(yīng)直流幅度，然后計(jì)算出兩路信號(hào)的峰峰值 (對(duì)應(yīng)于兩個(gè)交流分量)。RedAC、RedDC表示紅光交流量、紅光直流量，IRAC、IRDC分別表示紅外光交流量、紅外光直流量。變量 R=(RedAC/RedDC)/(IRAC/IRDC)。通過二次曲線擬合計(jì)算血氧飽和度[8-9]。擬合公式為：

3 系統(tǒng)結(jié)果分析

圖11 血氧飽和度波形

經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集心電、脈搏、血氧信號(hào)，可將數(shù)據(jù)在LCD或外接顯示器上顯示,同時(shí)完成數(shù)據(jù)保存并上傳數(shù)據(jù)至PC。實(shí)測(cè)中，以邁瑞公司PM9000多參數(shù)生理監(jiān)護(hù)儀顯示的參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)計(jì)算得到各項(xiàng)生理參數(shù)的準(zhǔn)確度可達(dá)95%以上。因此，系統(tǒng)作為一個(gè)監(jiān)護(hù)儀器可及時(shí)地檢測(cè)出人體的健康狀況，用戶可根據(jù)系統(tǒng)的提示對(duì)一些病癥做出及時(shí)反應(yīng)，當(dāng)檢測(cè)到的信號(hào)指標(biāo)超過預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)將蜂鳴報(bào)警，達(dá)到了預(yù)期效果。

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