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遠程醫療是網(wǎng)絡(luò )科技與醫療技術(shù)相結合的產(chǎn)物，隨著(zhù)我國經(jīng)濟的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及進(jìn)入老齡化社會(huì )的需要，發(fā)展遠程醫療已成為一種必然趨勢。遠程醫療從使用對象上可分為:面向醫院的遠程醫療系統和面向家庭的遠程醫療系統。面向家庭的遠程醫療系統的功能包括:遠程“看醫生”、遠程監護、遠程醫學(xué)信息查詢(xún) /咨詢(xún)等。 國外的遠程家庭醫療更加注重遠程“看醫生”，個(gè)人/ 患者在家中就可與醫生進(jìn)行實(shí)時(shí)語(yǔ)音、圖像信息交流,可實(shí)現在線(xiàn)檢測人體生理信號并給出診斷。這種系統是以視頻會(huì )議系統為核心，但目前還難以在我國普及，原因一是該系統的價(jià)格太貴，一般家庭承受不起;原因二是受到通信信道帶寬的限制，國外一般使用綜合業(yè)務(wù)數字網(wǎng)(ISDN)，而我國現在普及到家庭的是普通電話(huà)系統(POTS)，盡管通過(guò)這也可實(shí)現雙向視頻傳輸，但在圖像分辨率、每秒傳輸圖像楨數等方面，難以達到遠程醫療的要求。作為遠程醫療的重要內容之一的遠程監護，其傳輸的只是人體生理信號，其所需的通信速度通過(guò)普通電話(huà)線(xiàn)就可以滿(mǎn)足。因此，考慮到我國互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)呈逐年增長(cháng)趨勢，發(fā)展遠程監護更加符合我國國情。 系統結構與功能 系統采用B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器)模式設計，使用該模式的最大好處是減少開(kāi)發(fā)工作量、運行維護比較簡(jiǎn)便。將B/S模式引入嵌入式網(wǎng)絡(luò )設計，改變了過(guò)去需要同時(shí)開(kāi)發(fā)上位機和下位機軟硬件的做法，現在只需要在下位機(服務(wù)器端)的嵌入式設備中集成一個(gè)微型服務(wù)器，利用 HTML(超文本標記語(yǔ)言)設計網(wǎng)頁(yè)模塊，就可在上位機(瀏覽器端)使用IE等瀏覽器接收和解析此模板，從而為用戶(hù)提供一個(gè)視覺(jué)效果好、操作方便的工作界面。 首先基于ARM9處理器S3C2410A和嵌入式Linux操作系統，設計出支持嵌入式Web Server的開(kāi)發(fā)平臺，再通過(guò)移植嵌入式Web Server—boa，配合數據采集和處理等模塊，構造一套適用于家庭的便攜式遠程醫療監護終端。在監護終端，利用生物電引導電極采用標準三導聯(lián)方式將人體心電信號拾取出，經(jīng)導聯(lián)線(xiàn)傳輸到信號調理模塊，經(jīng)該模塊的濾波、放大后得到初級的生物電信號，再經(jīng)由S3C2410自帶的ADC引腳送入Web服務(wù)器模塊，心電信號在此模塊中經(jīng)過(guò)各種運算分析后得到反映心臟特征的信號， LCD上實(shí)時(shí)的顯示心電波形和病人的個(gè)人信息，同時(shí)將心電信號存儲于片外Flash ROM中，終端通過(guò)以太網(wǎng)口接入以太網(wǎng)，以實(shí)現與監控中心的遠程交互。系統框圖如圖1所示。 圖1 系統框圖 硬件電路設計 信號調理電路模塊 心電信號的檢測是屬于強噪聲背景下的微弱信號檢測，信號具有微弱、低頻、高阻抗、不穩定和隨機等特點(diǎn)。此信號的主要頻率范圍為0.05~100Hz, 幅值范圍為0.5~5mV。微弱的心電信號還受到多種干擾，其特征被淹沒(méi)在復雜的信號之中。又由于生物電引導電極在拾取人體電信號時(shí)與人體接觸會(huì )產(chǎn)生極化電壓。因此，為了滿(mǎn)足檢測要求，信號調理電路必須要較好的抑制各種干擾、不失真的放大心電信號。本設計中，信號調理電路模塊主要包括前端電路、信號放大電路和陷波電路。電路框圖如圖2。 圖2 信號調理電路框圖 前端電路 前端電路作為信號調理電路的第一級，其功能主要是為了抑制環(huán)境中的干擾噪聲、提高前置放大器的共模抑制能力。緩沖放大器一般采用電壓跟隨器實(shí)現，其緩沖隔離作用減小了生物信號源對放大器的過(guò)高要求，提高了電路的輸入阻抗，減少心電信號衰減和匹配失真。使用屏蔽層驅動(dòng)電路可以較好的去除導聯(lián)線(xiàn)屏蔽層分布電容的不等量衰減造成對放大器總CMRR(共模抑制比)的影響。由于人體本身可通過(guò)各種渠道從環(huán)境中拾取工頻50Hz交流電壓，在心電測量中形成交流共模干擾，這種干擾常在幾伏以上，采用右腿驅動(dòng)電路后能夠使50Hz共模干擾電壓降到1%以下。電路圖如圖3。 圖3 前端電路 信號放大電路 信號放大電路采用兩級放大，如圖4，差動(dòng)放大U805為前置級，同相放大U809構成第二級。根據心電信號檢測的特點(diǎn)，通常要求放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線(xiàn)性度小、合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍的性能。前置放大器的輸入電阻一般要求>2兆歐，輸入電阻越大，因電極接觸電阻不同而引起的波形失真越小，共模抑制比就越高。由于極化電壓的存在, 為防止前置放大器工作于飽和或截止區，前置級的增益不能太高,實(shí)驗表明放大10倍左右效果較好。因此選用儀表放大器MAX4196，該芯片可采用單電源供電，其功耗最低達到8mA，共模抑制比為115dB，輸入偏移電壓為50mV，-3dB帶寬可達250kHz，輸入阻抗為1000MW，增益固定為 10(V/V)。 圖4 兩極放大和濾波電路 前置放大器部分總的共模抑制比為： 公式 其中： 公式放大器閉環(huán)差模增益，Ac：共模增益，CMRRD：運放本身的值;CMRRR：外電路電阻匹配精度限定的CMRR，d：電阻精度。因此在電路中，要精確匹配外電路電阻R812=R813，以使共模輸出變得更小。 主放大器采用MAX4197(特性與MAX4196一樣)，其增益固定為100(V/V)。信號調理電路的總放大倍數為1000倍。在圖4中，電容C805具有去除極化電壓功能，并與電阻R820構成高通濾波電路，用于抑制直流漂移和放大器通帶外的低頻噪聲。 陷波電路 工頻干擾是心電信號的主要干擾，雖然前端電路和前置放大器已對共模干擾具有較強的抑制作用，但有部分工頻于擾是以差模信號進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號頻帶之內，加上電極和輸入回路不穩定等因數，前級電路輸出的心電信號仍然存在較強的工頻干擾，因此必須將其濾除。本設計采用的是無(wú)限增益多路反饋型二階陷波器，電路如圖5。 圖5 陷波電路 嵌入式Web服務(wù)器模塊 考慮本系統定位于家庭使用，且系統需要連續長(cháng)時(shí)間工作，又由于系統需要良好的人機交互環(huán)境、存儲大量數據以及支持網(wǎng)絡(luò )通信，所以要求處理器具有功耗低、成本低、豐富的接口和支持操作系統。本設計選用ARM9處理器S3C2410A，S3C2410A主要面向手持設備以及高性?xún)r(jià)比、低功耗的應用上。其 CPU內核采用的是ARM公司的16/32位ARM920T RISC處理器。ARM920T實(shí)現了MMU、AMBA總線(xiàn)和Harvard高速緩存體系結構，該結構具有獨立的16KB指令Cache和16KB數據 Cache。S3C2410A集成的片上功能主要包括：1.8V/2.0V內核供電，3.3V存儲器供電，3.3V外部I/O供電;外部存儲器控制器;LCD控制器提供1通道LCD專(zhuān)用DMA; 8通道10位ADC接口，轉換速率最大為500KSPS(Kilo Sample Per Second，千采樣點(diǎn)每秒);117位通用I/O口和24通道外部中斷源;電源控制模式包括正常、慢速、空閑和掉電4種模式;支持NAND Flash的啟動(dòng)裝載。 對心電信號采樣精度的考慮主要出于對ST段異常分析處理的要求，ST段電平變化約為0.05mV，因此采樣精度至少為0.025mV。當采用10位 A/D轉換器工作在正極性、滿(mǎn)刻度電壓為2.5V時(shí)，可分辨的最小輸入電壓為2.5mV，而信號調理電路放大倍數為1000倍，則輸入端的最小分辨率約為 0.0025mV，故S3C2410A具有的10位A/D的精度完全滿(mǎn)足系統需求。 為了使用戶(hù)能夠直觀(guān)的觀(guān)察心電和便于控制設備，設計采用東華公司的TFT彩屏YL-LCD35套件用于人機交互界面。為滿(mǎn)足移植操作系統以及存儲心電信號、網(wǎng)頁(yè)等數據的要求，系統外擴了64M的NAND Flash(使用一片K9F1208UOB)和64M的SDRAM(使用兩片HY57V561620)。為滿(mǎn)足終端聯(lián)網(wǎng)的需求，選用CS8900A用于設計網(wǎng)絡(luò )適配器，CS8900A是一個(gè)真正的單芯片、全雙工的以太網(wǎng)解決方案產(chǎn)品，更方便的是在Linux內核中提供有CS8900A適配器的驅動(dòng)程序。 電源部分 為增加安全性、降低功耗、節省成本，設計采用9V堿性電池供電，通過(guò)電源轉換芯片AS1117-3.3將9V轉換為3.3V可供給放大器芯片和S3C2410使用。 軟件設計 軟件設計主要包括Linux的移植，嵌入式Web Server-Boa的移植，CGI(通用網(wǎng)關(guān)接口)程序的設計，功能程序的設計。 圖6 系統軟件框圖 Linux的移植 本設計采用linux-2.4.18內核。正確進(jìn)行Linux移植的前提是具備一個(gè)與Linux配套、易于使用的BootLoader，它能夠正確完成硬件系統的初始化和Linux的引導。本系統中采用vivi，它是由韓國MIZI公司提供的一款針對S3C2410芯片的BootLoader。 Linux內核的目錄/arch中包含了所有與硬件體系結構相關(guān)的內核移植代碼，目錄/arch中的每個(gè)子目錄代表了一種Linux支持的處理器。移植Linux到S3C2410平臺主要是修改/arch/arm目錄及其子目錄下相關(guān)的makefile文件和配置文件。例如：修改內核根目錄下的 Makefile文件，指明要移植的硬件平臺為ARM：ARCH:=arm,指明使用的交叉編譯器CROSS_COMPILE=/opt/host /armv41/bin/armv41-unknown-linux-;修改arm/arm目錄下的config.in文件，配置S3C2410的相關(guān)信息;為初始化處理器，還需在arch/arm/boot/compressed目錄下添加head-s3c2410.s文件。內核修改完成后，用命令 make menuconfig配置Linux，再用make zImage命令編譯內核，編譯通過(guò)后則在目錄arch/arm/boot下生成zImage內核文件，還需利用工具軟件MKCRAMFS制作 cramfs文件系統。最后，在minicom終端的vivi命令行下利用load命令將內核和文件系統下載到目標系統，至此移植完成。 Boa的移植和CGI程序設計 由于嵌入式設備資源有限，并且不需要同時(shí)響應多用戶(hù)請求，因此一般使用一些專(zhuān)門(mén)的Web服務(wù)器用于嵌入式應用設計。Boa是單任務(wù)web服務(wù)器，源代碼開(kāi)放，性能高，支持CGI，能為CGI程序fork出一個(gè)進(jìn)程來(lái)執行，其設計目標是速度和安全，可執行代碼只有約60KB。移植Boa的過(guò)程如下：從 sourceforge.net上下載 boa-0.94.13，在其解壓目錄下生成并修改makefile文件，然后運行make得到可執行程序，利用命令armv4l-unknown- linux-strip將調試信息剝去，然后修改Boa的配置文件boa.conf，使其能支持CGI程序的運行。最后將生成的可執行程序Boa掛載到目標系統，若能成功訪(fǎng)問(wèn)靜態(tài)HTML網(wǎng)頁(yè)和運行測試用的CGI程序，則表明配置成功。 通用網(wǎng)關(guān)接口CGI可將Web服務(wù)器連接到外部應用程序，它主要完成兩件事情：一是收集從Web瀏覽器發(fā)送給Web服務(wù)器的信息，并將這些信息提供給外部程序利用;二是對提出請求的Web瀏覽器發(fā)送程序的輸出。CGI具有平臺獨立性、語(yǔ)言獨立性和層次感等優(yōu)點(diǎn)。利用CGI程序則可以實(shí)時(shí)執行并輸出動(dòng)態(tài)信息，且其占用資源少。CGI程序的執行過(guò)程為：瀏覽器將表單數據以POST方法提交給Web服務(wù)器，服務(wù)器根據收到的數據設置環(huán)境變量，并新開(kāi)一子進(jìn)程來(lái)執行CGI程序，CGI程序從環(huán)境變量中讀取所需要的數據，通過(guò)調用用戶(hù)自定義的外部功能函數完成數據處理后，再讀取相應的HTML模板文件，根據注釋標記將對應的數據填充到HTML文件中，生成新的HTML頁(yè)面經(jīng)Web服務(wù)器返回給瀏覽器。 為快速開(kāi)發(fā)符合應用要求的CGI程序，在設計時(shí)添加了CGIC庫和gd庫。CGIC是一個(gè)功能強大的支持CGI開(kāi)發(fā)的開(kāi)放源碼的標準C庫。 Thomas Boutell編寫(xiě)的gd庫是標準的C語(yǔ)言庫，具有基本的繪圖等功能。為實(shí)現在網(wǎng)頁(yè)上動(dòng)態(tài)顯示心電波形，將每次采集的數據經(jīng)過(guò)功能程序處理后存儲的同時(shí)送給CGI程序，利用gd庫提供的函數來(lái)創(chuàng )建圖像。通過(guò)在網(wǎng)頁(yè)模塊上設定刷新時(shí)間(使用HTML語(yǔ)言的META標記)，從而實(shí)現在網(wǎng)頁(yè)上心電波形的動(dòng)態(tài)顯示。 主程序設計 主程序首先完成對系統的初始化，然后阻塞監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )接口是否有連接請求，一旦客戶(hù)端發(fā)出連接請求，則在服務(wù)器端產(chǎn)生中斷;讀取網(wǎng)絡(luò )數據，然后對網(wǎng)絡(luò )數據進(jìn)行解析，這一步主要是解析HTTP協(xié)議，需要判斷連接請求是否符合服務(wù)器規定的請求格式，判斷是連接請求的請求方法，判斷請求的文件是否存在服務(wù)器上，判斷認證信息是否正確等等;在處理A/D采集的數據這一過(guò)程中，首先要將采集后的心電信號進(jìn)行濾波處理，主要是抑制心電信號中的50Hz工頻干擾，再完成濾波后，將數據送到本地的LCD上顯示，同時(shí)將當前的數據以網(wǎng)頁(yè)數據的格式發(fā)送到網(wǎng)口。 結語(yǔ) 本系統的設計定位于家庭醫療監護，通過(guò)在用于生理特征信息監測的嵌入式系統中集成Web服務(wù)器實(shí)現Internet的接入，從而實(shí)現用于遠程家庭醫療的監護系統。其意義在于：設計出一套價(jià)格低且易于推廣的遠程家庭醫療監護系統，改變目前我國家庭醫療監護落后的狀況;有效提高中老年人群心血管等慢性疾病的監護水平，有利于提高中老年人群突發(fā)疾病患者的整體救治率;為醫療機構提供大量有價(jià)值的我國中老年人群疾病的原始數據進(jìn)行科研工作。 |
