引言

在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，使用多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀對危重病人進(jìn)行實時監(jiān)測，可以及時地了解其心肺功能、血壓以及氧合能力等綜合因素，對病人的治療起著非常重要的作用。多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀已經(jīng)在病房護(hù)理和急救系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

基于傳統(tǒng)PC平臺的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀成本高、體積大、操作復(fù)雜，使用范圍具有局限性。而采用單片機(jī)為核心的便攜式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀運算能力低，功能單一，界面簡陋，只能進(jìn)行簡單的信號顯示和存儲。本文以德州儀器公司(TI)ARM+DSP的雙核處理器OMAP3530為核心，擴(kuò)展參數(shù)采集前端、觸摸屏、SD卡存儲電路和網(wǎng)絡(luò)接入電路等模塊，設(shè)計及實現(xiàn)了一個具有實時檢測、顯示、存儲和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ艿男滦投鄥?shù)監(jiān)護(hù)儀?；陔p核芯片的優(yōu)異性能，系統(tǒng)可采用高效復(fù)雜的算法對各生命參數(shù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測、除噪和優(yōu)化等處理，而Google Android豐富的應(yīng)用支持，則為監(jiān)護(hù)儀提供了良好的監(jiān)護(hù)界面、網(wǎng)絡(luò)功能以及應(yīng)用擴(kuò)展性。醫(yī)生可使用該監(jiān)護(hù)儀實時或遠(yuǎn)程掌握病人的信息，使用者也可以家中自行測量，這將是新一代“數(shù)字醫(yī)療社區(qū)/醫(yī)院”的重要發(fā)展方向。

系統(tǒng)架構(gòu)

處理核心

OMAP3530處理器采用65nm低功耗工藝制造，內(nèi)部集成了600MHz的Cortex-A8彈性內(nèi)核以及430MHz的TMS320C64x+ DSP內(nèi)核[1]。ARM+DSP的雙核結(jié)構(gòu)使操作系統(tǒng)效率和代碼的執(zhí)行更加優(yōu)化，ARM端負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制工作，DSP端則承擔(dān)繁重的實時信號處理任務(wù)，從而成功地解決了性能與功耗的最佳組合問題。具有雙核結(jié)構(gòu)的OMAP3530非常適合新型多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計。低功耗可以更好地實現(xiàn)監(jiān)護(hù)儀的便攜性，滿足野外救護(hù)等特殊需要;ARM對多種操作系統(tǒng)的支持，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和良好的監(jiān)護(hù)界面;DSP強(qiáng)大的運算能力可以確保對各生命參數(shù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確和復(fù)雜的分析處理。

硬件架構(gòu)

系統(tǒng)框圖如圖1所示，監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計采用經(jīng)典C/S(Client/Server，客戶機(jī)/服務(wù)器)架構(gòu)，既可以離線使用，也可以通過以太網(wǎng)或者Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程PC服務(wù)端。人體各個生命特征信號通過導(dǎo)聯(lián)電極、血氧探頭、袖套等傳感器獲得后，在參數(shù)采集前端進(jìn)行除噪、放大和A/D轉(zhuǎn)換后，通過串行口送到OMAP3530進(jìn)行檢測、顯示、存儲和網(wǎng)絡(luò) 傳送等處理。
 

軟件架構(gòu)

Android是Google與開發(fā)手機(jī)聯(lián)盟(Open Handset Alliance，OHA)推出的以Linux為內(nèi)核，真正意義上的開放性移動設(shè)備綜合平臺。從軟件結(jié)構(gòu)的角度上，Android系統(tǒng)分成4個層次： Linux操作系統(tǒng)及驅(qū)動、本地代碼框架、Java框架和Java應(yīng)用程序。圖2為本系統(tǒng)的軟件架構(gòu)圖。多參數(shù)采集前端通過異步串行口與OMAP3530 通信，由于Java本身未提供串口的類庫，必須使用JNI(Java Native Interface)實現(xiàn)應(yīng)用層與串口硬件的數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)采集、處理、顯示及網(wǎng)絡(luò)傳輸使用多線程和隊列緩沖機(jī)制來保證數(shù)據(jù)的實時性和完整性。網(wǎng)絡(luò)使用 C/S架構(gòu)，充分發(fā)揮服務(wù)器上的硬件優(yōu)勢，完成更多監(jiān)護(hù)信息的顯示和分析。
 

關(guān)鍵設(shè)計

參數(shù)采集前端

前端中的心電模塊使用儀表放大器和運放組成兩級放大電路將微弱心電信號放大200倍，并在設(shè)計中加入右腿驅(qū)動電路來克服50Hz工頻共模干擾[2]。血氧的測量是根據(jù)血液中各種血紅蛋白對血氧探頭發(fā)射的不同特定波長光吸收程度不同而進(jìn)行的。血壓采用振動無創(chuàng)方法測量，首先充氣袖套阻斷上臂的動脈血流，通過檢測因為血液流經(jīng)彈性動脈而引起袖套內(nèi)壓力的波動幅度來識別動脈收縮壓、舒張壓和平均壓[3]。呼吸頻率的測量共用心電模塊的前端導(dǎo)聯(lián)電極，使用呼吸阻抗法，根據(jù)呼吸時胸腔張弛，肺阻抗的變化來檢測人體的呼吸頻率[4]。設(shè)計中體溫的測量線路采用惠斯登電橋，將熱敏電阻接在電橋的一個橋臂上，通過測量電橋的不平衡輸出，即可測定體溫的大小。

高速PCB設(shè)計

系統(tǒng)中采用LPDDR數(shù)據(jù)總線頻率高達(dá)330MHz，屬于典型的高速電路，必須考慮器件管腳的電氣特性、PCB(印制電路板)參數(shù)、布局和高速信號的布線等因素，否則容易導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至無法工作。PCB采用6層板設(shè)計，F(xiàn)R4板材，分層方案為：頂層-地層-走線層-電源層-地層-底層。在高速PCB設(shè)計中，首先要對信號進(jìn)行分組，再確定布線規(guī)則，如表1所示。
 

監(jiān)護(hù)程序設(shè)計

監(jiān)護(hù)程序需要完成各參數(shù)的采集、接收、顯示、存儲以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?。程序中使用JNI技術(shù)向Java層提供串口的訪問接口，通過文件描述符對象創(chuàng)建輸入/輸出流進(jìn)行串口通信。為保證數(shù)據(jù)采集的實時性和完整性，設(shè)計采用多線程和雙緩沖機(jī)制。如開啟遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，系統(tǒng)將動態(tài)生成一個線程來完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。波形顯示是界面設(shè)計中的難點，考慮到數(shù)據(jù)采集、波形繪制時的頁面刷新和網(wǎng)絡(luò)傳輸給系統(tǒng)帶來的消耗以及屏的大小限制，繪制波形的視圖采用多緩沖機(jī)制來實現(xiàn)，避免屏幕刷新時閃爍的現(xiàn)象。為了維護(hù)Android的單線程模型，設(shè)計中使用消息通知機(jī)制來完成非主界面線程與主界面線程之間的通信[5]。監(jiān)護(hù)界面如圖 3所示。

結(jié)語

樣機(jī)測試結(jié)果表明，基于OMAP3530雙核處理器設(shè)計的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，可以實現(xiàn)對心電、心率、血氧、血壓、呼吸頻率和體溫6個生命參數(shù)的實時檢測、顯示、存儲和網(wǎng)絡(luò)傳送等功能。該監(jiān)護(hù)儀便于操作、成本低、功耗小、功能強(qiáng)大、便攜等特點使其具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和良好的市場價值。隨著人們醫(yī)療意識的提高和醫(yī)療體系的完善，該類型監(jiān)護(hù)儀將會在個人醫(yī)療保健、醫(yī)院救護(hù)、野外急救和遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)等場合得到越來越廣泛的應(yīng)用。