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1 引言 隨著(zhù)社會(huì )生活節奏加快、人口逐漸老齡化，心血管疾病已經(jīng)成為同前威脅人類(lèi)生命的豐要疾病之一，此類(lèi)疾病往往具有突發(fā)性、短暫性和危險性的特點(diǎn)，如果不能及時(shí)發(fā)現并進(jìn)行治療將會(huì )產(chǎn)生非常嚴重的后果。心電圖是檢查．診斷和預防該類(lèi)疾病的主要手段和依據，對于心肌梗塞、心律失常等癥狀，心電監護儀的使用貫穿于治療、康復的整個(gè)過(guò)程。由于傳統的基于PC機平臺的心電躲護儀，價(jià)格昂貴，體積龐大，不便于移動(dòng)且主要集中在大醫院，給醫牛和病人帶來(lái)了很大的不便。因此，為了降低成本、縮小體積，本文設計了一種基于ARM9微處理器的新型便攜式多床位遙測心電盟護儀。該監護儀采用Samsung公司的一款以ARM920T為控制器內核的16／32位高速處理器S3C2410A芯片作為系統控制核心，利用nRF401無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片發(fā)送和接收心電數據，具有功耗低、體積小、可靠性高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 2 系統結構 該遙測心電監護儀可同時(shí)監護1～12個(gè)床位．系統結構框圖如圖1所示．其中與PC機相連的S3C2410A作為中心躲護端．其功能是傳遞由PC機發(fā)出的命令，與監護各個(gè)床位的監護終端進(jìn)行通信，將各個(gè)臨護終端所采集到的數據匯總到中心監護端，并通過(guò)USB口傳遞給Pc機。監護一個(gè)床位的便攜式心電監護終端作為終端節點(diǎn)，功能是采集心電信號，對采集到的數據進(jìn)行必要的處理，同時(shí)當收到中心監護端的命令時(shí)，做出回應。 
圖1 系統結構框圖 3 系統硬件設計 系統硬件設計包括中心監護端的硬件設計和監護一個(gè)床位的各個(gè)心電監護終端的硬件設計兩大部分。中心監護端的硬件設計包括S3C2410A與PC機的連接和nRF401與S3C2410A的連接。由于S3C2410A具有USB設備控制器，因此可通過(guò)USB口與PC機相連，并得到5V的T作電壓。無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF401直接與S3C2410A的串口1連接。圖2為監護一個(gè)床位的心電監護終端硬件電路的結構框圖，包括ARM微處理器S3C2410A、心電放大及采集電路、外部擴展的Nand FLash存儲器、電源、LCD顯示、鍵盤(pán)和nRF401尤線(xiàn)數傳模塊等。 3．1心電采集電路 心電采集電路包括放大器、低通濾波器、50Hz陷波器等。該電路的放大器由差動(dòng)放大電路和放大級電路兩級放大電路組成。導聯(lián)系統采用通用的二電極方式，右胸上電極及左腹下電極為心電采樣電極．右腹下電極為右腿驅動(dòng)電極。由于采集的心電信號是籌模信號，采用三運放籌動(dòng)放大電路作為第一級放大電路，增益約為22，再經(jīng)第二級放大電路，總增益接近1000。由于心電信號屬于低頻信號，因此，為消除高頻信號，本設計了采用了一階濾波電路的低通濾波器，截止頻率為100Hz。為抑制50Hz的工頻干擾，還設計了二階壓控電壓源帶阻濾波器，即50Hz陷波器。
圖2 監護1個(gè)床位的硬件電路結構框圖 3．2 ARM微處理器模塊 S3C2410A是二星公司推出的一款基于A(yíng)RM920T處理器構架的嵌入式CPUS3C2410，它提供8通道的10位模數轉換器，轉換器以2．5MHz MD轉換時(shí)鐘將模擬輸入信號以最大500ksps轉換率轉換為lO位二進(jìn)制數字編碼。根據美困心臟學(xué)會(huì )AHA標準[3]和Nyquist采樣定律，當信號采樣頻率等于或大干信號最高頻率的2倍時(shí)，就可以從抽樣后的信號中不失真的還原出原信號。ECG頻率范圍為0．05~100Hz，中心頻率在17Hz左右，故取采樣頻率取200Hz，即采樣周期為5ms即可滿(mǎn)足要求。采集到的信號經(jīng)通道1送入S3C2410A微處理器。經(jīng)分析處理后在液晶屏上顯示心電波形和分析結果。 3．3無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊采用Nordic公司研制的單片UHF無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF401，該芯片工作在433MHzISM(Industrial，scientific and Medical)瀕段。該頻段無(wú)需申請許可證。并采用FSK調制解調技術(shù)，抗干擾能力強，并采用PLL頻率合成技術(shù)，頻牢穩定性好，數據傳輸速率可達20kbDs，傳輸距離可達1000m，完全滿(mǎn)足本設計所需要的通信距離要求。不同于其他的RF單片芯片，nRF401通過(guò)單片機串口直接于MCU通信，而無(wú)需對數據進(jìn)行曼徹斯特編碼，這使的nRF401的外圍元件很少，只包括一個(gè)基準晶振和幾個(gè)無(wú)源器件，具有成本低、一致性好等特點(diǎn)。本設計中，nRF401直接與S3C2410A的串口1連接。 3．4存儲、顯示和鍵盤(pán)模塊 為了實(shí)現大容量的數據存儲，利用S3C2410A自帶的Nand Flash控制器擴展了一片16Mx8位的Nand Flash存儲器，可存儲12小時(shí)的心電數據。為了使用戶(hù)能夠對采集到的心電信號有一個(gè)直觀(guān)的印象和進(jìn)行常識性的觀(guān)察，利用S3C2410A自帶的LCD控制器，設計了LCD顯示屏的接口，并選用了一塊240x128的LCD顯示屏，用于顯示所采集的心電信號及一些基本參數。系統還設計了一個(gè)4x4的鍵盤(pán)模塊，用戶(hù)可通過(guò)鍵盤(pán)實(shí)現一些基本功能的切換。 4 系統軟件設計 本系統的軟件設計是基于Windows CE操作系統的。Windows CE是為各種嵌入式系統和產(chǎn)品設計的一種壓縮的、具有高效的、可升級的操作系統，具有多線(xiàn)性、多仟務(wù)、全優(yōu)先的操作系統環(huán)境。由于Window CE操作系統本身沒(méi)有自帶獨立的開(kāi)發(fā)環(huán)境，因此，需要在PC機(宿主機)上完成應用程序的開(kāi)發(fā)，實(shí)現仿真．并針對ARM嵌入式設備(目標機)進(jìn)行交叉編譯，使其與目標機的CPU體系結構相匹配，使操作系統和應用軟件在目標機上也能正常運行。然后再移植到各目標機上。在Windows CE操作系統構建起來(lái)之后，就是上層應用程序的實(shí)現問(wèn)題。 4．1中心監護端程序設計 Windows CE是一個(gè)多任務(wù)、多線(xiàn)程的操作系統[6]。圖為中心監護端的功能不只是單一的網(wǎng)絡(luò )通信，還要進(jìn)行數據分析和處理，所以不在主線(xiàn)程中直接進(jìn)行通信。而是在主線(xiàn)程中創(chuàng )建一個(gè)單獨的子線(xiàn)程負責等待PC機的命令，收到命令后，為其創(chuàng )建一個(gè)單獨的通信子線(xiàn)程與相應的終端節點(diǎn)進(jìn)行通信．等待子線(xiàn)程繼續等待PC機的命令。通信子線(xiàn)程接收數據并進(jìn)行校驗，并通過(guò)USB口傳遞到PC機。 由于多個(gè)通信子線(xiàn)程可能會(huì )同時(shí)對共享資源nRF401進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，形成線(xiàn)程沖突，因此需要協(xié)調好各個(gè)線(xiàn)程之間的同步問(wèn)題�；コ鈱ο�(Mutex)是Windows CE操作系統所提供的實(shí)現線(xiàn)程同步的方法之一，主要用于協(xié)調多個(gè)線(xiàn)程對共享資源的訪(fǎng)問(wèn)，其原理是只有擁有互斥對象的線(xiàn)程才具有訪(fǎng)問(wèn)共享資源的權限。由于互斥對象只有一個(gè)，因此就決定了任何情況下此共享資源都不會(huì )同時(shí)被多個(gè)線(xiàn)程所訪(fǎng)問(wèn)。首先，利用API所提供的函數CreateMutex()創(chuàng )建一個(gè)互斥對象，初始化為FALSE狀態(tài)以標識該互斥對象處于未被任何線(xiàn)程占有狀態(tài)。通信子線(xiàn)程通過(guò)waitForSingleobiect()來(lái)請求占用該互斥對象，若此時(shí)該互斥對象被占用，則該線(xiàn)程需等待直到前一線(xiàn)程釋放后才能成功占用；若此時(shí)該互斥對象未被占用，則可以實(shí)現對共享資源nRF401的訪(fǎng)問(wèn)。例如負責與床位號為n的監護終端通信的子線(xiàn)程獲得對nRF401的訪(fǎng)問(wèn)權后，該子線(xiàn)程會(huì )發(fā)送一個(gè)1字節的同步信號“n”，床位號為n的監護終端接收到命令后，返回“n”作為應答，該通信子線(xiàn)程收到應答，核對正確后，雙方開(kāi)始數據傳輸，監護終端將數據及其校驗和以數據包的形式傳送給中心監護端。該子線(xiàn)程接收完畢后，結束通信，用ReleaseMutex()來(lái)釋放對互斥對象的擁有權，完成對于共享資源nRF401的訪(fǎng)問(wèn)，從而其它線(xiàn)程可有機會(huì )獲取對nRF401的訪(fǎng)問(wèn)權。然后對所接收的數據進(jìn)行校驗，再次提出占用互斥對象請求。這樣，每個(gè)通信子線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)nRF401的機會(huì )均等，子線(xiàn)程問(wèn)相互獨立，避免了程序死鎖在一個(gè)連接上，提高了系統的整體響應速度。 4．2監護終端程序設計 監護一個(gè)床位的各監護終端的程序設計同樣采用多線(xiàn)程的結構，在主線(xiàn)程中對心電信號進(jìn)行A/D轉換、必要的處理和存儲、顯示等。另創(chuàng )建一個(gè)子線(xiàn)程，置nRF401為接收狀態(tài)，等待接收中心監護端的命令，收到命令并檢驗合法后，置nRF401為發(fā)送狀態(tài)發(fā)送回應，并從存儲器巾讀取數據打包發(fā)送，若收到中心監護端校驗錯誤信息，則重發(fā)數據包。 4．3 QRS波的檢測 在心電分析中，要進(jìn)行參數測量和波形分析，計算R-R間隔和心率，首先要進(jìn)行QRS波的檢測。本文采用四點(diǎn)平均濾波器法首先對心電信號進(jìn)行濾波，濾除電源工頻干擾、基線(xiàn)漂移，肌電噪聲、運動(dòng)偽跡等所帶來(lái)的干擾。其解析式為：
其對心電信號的中心頻率(17Hz)影響較小，同時(shí)可抑制高頻噪聲和50Hz的工頻干擾。再對經(jīng)過(guò)濾波后的心電信號的一、二階差分值進(jìn)行平滑處理，利用心電信號的二階差分值極小值和一階差分過(guò)零點(diǎn)在較短的時(shí)間窗內實(shí)現QRS波精確定位。即對四點(diǎn)濾波后的心電信號y(n)進(jìn)行一階和二階差分，通過(guò)不應期判別、幅值判別等方法找到R波對應的二階差分的極小值的位置。再根據啊二階差分與x(n)、y(n)的時(shí)延關(guān)系，求出濾波信號和原心電信號中R波的位置。在心電信號的一階差分信號中，R波和與其對應的Q,S波的位置關(guān)系為：如果R波在一階差分信號中為QRS波群所對應的向下過(guò)零點(diǎn)(其值為負)，則Q波應為R波所在位置前面的第1個(gè)向上過(guò)零點(diǎn)(其值為正)；S波為R波所在位置后面的第1個(gè)向上過(guò)零點(diǎn)(其值為正)。這樣，由已知的R波的位置即可檢測出 Q,S在一階差分中的位置，再根據時(shí)延關(guān)系就而可以求出R-R問(wèn)期、心率等參數。由于籌分會(huì )增加部分高頻噪音，上述計算是在一階和二階差分經(jīng)平滑移動(dòng)處理后進(jìn)行的。該算法能抑止多種噪聲對心電信號的影響，經(jīng)過(guò)臨床測試，在靜息和慢走情況下．算法對動(dòng)態(tài)心電的檢測準確率非常高；即使在做體操和慢跑的情況下，其正確率還是在99．8％以上。 5 實(shí)驗結果 使用此監護儀分別對12名志愿者進(jìn)行了心電數據采集。實(shí)驗表明，該監護儀能同時(shí)監護12個(gè)病人，也能獨立監護1個(gè)病人，實(shí)時(shí)性良好．心電波形顯示清晰，對心電數據分析準確，心律失常時(shí)，會(huì )自動(dòng)報警，并對其進(jìn)行存儲和回放。佩戴者可在半徑100米范圍內活動(dòng)得到較好的監護，采用2節5號電池供電，可連續監測20小時(shí)。 6 結論 本文設計了一種基于A(yíng)RM9微處理器的新型便攜式多床位無(wú)線(xiàn)遙測心電監護儀，該監護儀硬件集成度高，體積小，功耗低，便于患者隨身攜帶，在不影響患者日�；顒�(dòng)的同時(shí)使患者得糾較好的監護。本文的創(chuàng )新之處是采用Windows CE嵌入式操作系統作為軟件平臺，具有易定制、可擴展、高穩定性等優(yōu)點(diǎn)。采用多線(xiàn)程編程，可同時(shí)監護多個(gè)床位，各線(xiàn)程之間相對獨立，避免了波形顯示停滯，或死鎖在一個(gè)連接上，提高了系統的整體響應速度，使系統實(shí)時(shí)性更好。在Windows CE環(huán)境下，還可以通過(guò)中間驅動(dòng)程序為S3C2410A擴展串口通信，實(shí)現更多床位的實(shí)時(shí)集中監護。 項目經(jīng)濟效益：3000萬(wàn)元。 作者：王寧寧，趙秋生 來(lái)源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第4-2期 |
