摘 要： 研究了一種基于SoPC的體外反搏控制系統(tǒng)，通過SoPC技術將數(shù)據(jù)采集控制模塊、中央處理器、VGA控制器等單元集成到一塊FPGA芯片上，該系統(tǒng)具有性能高、抗干擾性強、可重構、易擴展等優(yōu)點。同時采用了數(shù)字信號處理和硬件電路相結合的方法進行基線矯正和自動增益調節(jié)，提高系統(tǒng)的適用性。系統(tǒng)很好地完成了對體外反搏裝置的控制，同時也推進了體外反搏系統(tǒng)向微型化、家庭化的方向發(fā)展。
關鍵詞： 體外反搏；SoPC；小波分析；心電信號
體外反搏器是一種無創(chuàng)傷的體外輔助循環(huán)裝置，在增強心、腦等器官的血液供應，促進缺血組織器官側支循環(huán)的建立以及消除疲勞等方面具有顯著的功效[1]。SoPC(System on a Programmable Chip)技術結合了嵌入式系統(tǒng)和FPGA的優(yōu)點，為高性能的系統(tǒng)設計提供了新的實現(xiàn)方法，它具有電路體積小、易編程、運行速度快、穩(wěn)定性高、軟件設計靈活的特點，在醫(yī)療器械開發(fā)中有廣泛的應用前景。采用SoPC技術設計體外反搏器的控制系統(tǒng)能使整個系統(tǒng)在性能、抗干擾、重構性和擴展性等方面都得到顯著改善，同時也促進了體外反搏器向微型化、家庭化的方向發(fā)展。
1 體外反搏的醫(yī)學機理及實現(xiàn)
心臟的供血主要在心臟的舒張期內(nèi)完成。如果在心臟舒張期內(nèi)人為增高動脈血壓，就會增加心臟的供血——這就是體外反搏最基本的醫(yī)學機理[2]。
體外反搏系統(tǒng)是一種無創(chuàng)傷機械輔助循環(huán)裝置，它是一種應用計算機進行控制的氣壓驅動系統(tǒng)。作為一種用于防治心腦血管疾病的醫(yī)療設備，它通過先進的計算機軟件控制包裹于人體下半身的氣囊，在心臟舒張期序貫式地加壓，使下半身的血液驅返至主動脈，使舒張壓明顯增高，大量血液向心腦、腎、五官灌注，為心臟增加血流，同時降低主動脈收縮壓，減輕心臟的阻力負荷及心肌耗氧量[3]。
心臟舒張期產(chǎn)生時間的檢測十分重要，其中檢測心電信號是最直接的方法。如圖1所示，典型的心電信號主要由P波、QRS波群、T波等組成。P波對應于心房收縮開始，P-Q期間代表心房收縮開始至心室收縮開始的時間，T波反映心室舒張期開始。由于T波幅值小、不易檢測，QRS波幅值大、斜率大，本設計通過QRS波來識別心臟的舒張期[4]。當檢測到QRS波后，系統(tǒng)延時Q-T間期，便對氣囊依次充氣；當充氣時間到了設定時間時，便控制氣囊放氣；反搏控制系統(tǒng)會根據(jù)不斷檢測到的心電周期計算出Q-T間期，并自動調節(jié)反搏參數(shù)，從而保證反搏時序能自動跟蹤心電信號的變換。
2 體外反搏控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)總體結構圖
體外反搏控制系統(tǒng)的結構圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由信號采集檢測部分、控制器和執(zhí)行機構等組成。在信號檢測回路中，利用作用在人體表面的電極直接檢測皮膚表面兩點間的電位差，從而得到心電信號，另一路是利用一種光電傳感器檢測脈搏血流狀況，判斷反搏效果。以SoPC為核心的片上系統(tǒng)的功能是對采集的心電信號進行處理，以控制包裹在人體下肢及臀部上的氣囊，使之按反搏要求充放氣，同時還需要協(xié)調系統(tǒng)各部分的動作。執(zhí)行部分有氣泵、儲氣箱、電磁閥、氣路和氣囊[5]。通過控制器對電磁閥的控制，對氣囊進行充放氣，從而實現(xiàn)對人體動脈的序貫式反搏。
2.2 系統(tǒng)硬件設計
體外反搏控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包括心電信號采集及預處理模塊、SoPC和電磁閥驅動模塊。其中SoPC又包括心電信號處理及識別模塊和顯示模塊等。從人體體表拾取的心電信號很微弱，一般只有0.05 mV～5 mV。在測量中，對于如此微弱的信號，采集之前必須進行預處理。心電信號采集及預處理模塊的功能就是對心電信號進行適當?shù)姆糯?，并濾除干擾信號。其中主要的干擾是基線漂移、工頻干擾和肌電干擾。由呼吸引起的基線漂移信號的頻率一般低于1 Hz，是十分緩變的信號；工頻干擾是由人體分布電容引起的，頻率固定為50 Hz；肌電干擾頻率一般在5 Hz～2 kHz之間，表現(xiàn)為不規(guī)則的雜波形式。
SoPC主控制器是本系統(tǒng)的重點，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、抑制基線漂移控制模塊、小波算法模塊、NiosⅡ模塊和VGA顯示控制模塊等。數(shù)據(jù)采集模塊的功能是產(chǎn)生A/D轉換芯片的控制信號，并將A/D轉換后的串行數(shù)據(jù)變成并行數(shù)據(jù)，隨后產(chǎn)生相應的中斷信號，以提示NiosⅡ采集數(shù)據(jù)有效；抑制基線漂移控制模塊的功能是將采集進來的數(shù)據(jù)進行滑動求均值，并由求得的均值判斷是否基線漂移，如果漂移了則產(chǎn)生控制信號控制基線漂移抑制電路進行調節(jié)；小波算法模塊的功能是根據(jù)Mallat小波算法進行多尺度小波分解，從而得到多尺度上的細節(jié)信號；NiosⅡ模塊的功能是協(xié)調各部分的運行，計算出檢測R波的初始閾值，隨后還需根據(jù)小波分解所得的多尺度細節(jié)信號不斷地更新閾值。另外由于此模塊能得到R波幅值，而自動增益調節(jié)的依據(jù)就是R波的幅值，因此該模塊還兼有產(chǎn)生自動增益調節(jié)電路的控制信號，實現(xiàn)自動增益調節(jié)的功能。與此同時還應根據(jù)閾值實時地檢測R波，在檢測到R波后啟動定時器，進行反搏控制。而且在信號采集期間還要根據(jù)存儲區(qū)中的采集信號改寫片外SRAM中的顯示數(shù)據(jù)，而該模塊中的DMA功能塊負責將SRAM中的顯示數(shù)據(jù)送到VGA控制器的FIFO中；VGA顯示控制模塊的功能是接收DMA傳送的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生VGA顯示器的同步信號和三基色信號，從而將采集進來的心電信號和指脈信號，以及相應的參數(shù)和系統(tǒng)工作狀態(tài)送到顯示器上顯示。SoPC的內(nèi)部結構圖如圖3所示。
體外反搏的輸出部分主要包括氣泵、電磁閥、輸氣管道和氣囊。電磁閥分別根據(jù)設定的時序，用功率三極管TIP41C進行驅動。體外反搏要求充氣迅速，因此氣泵應選擇大流量低壓泵，與此同時，為了使輸出氣壓穩(wěn)定和提高瞬時氣體流量，本系統(tǒng)增加了一個儲氣罐，而儲氣罐的壓力由壓力閥控制。
2.3 系統(tǒng)軟件設計
體外反搏控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件設計思想是：首先進行數(shù)據(jù)采集，待采集的數(shù)據(jù)存滿數(shù)據(jù)存儲區(qū)后，讓系統(tǒng)有個開機自學習的過程，在此過程中系統(tǒng)不進行反搏操作，而是根據(jù)采集的心電信號計算出檢測R波的初始閾值，由此結束開機自學習過程；然后用初始閾值檢測下個采樣周期中的R波信號，并進行反搏操作。在此之后系統(tǒng)軟件不斷地更新檢測R波的閾值，實現(xiàn)可變閾值檢測[6]。由于檢測R波的閾值要由原信號中的R波數(shù)
據(jù)計算得出，為了避免新采集的數(shù)據(jù)覆蓋以前數(shù)據(jù)的情況發(fā)生，本系統(tǒng)設置了一個存儲區(qū)標志位，使得數(shù)據(jù)采集和閥值更新分別在兩個不同的存儲區(qū)中進行，并不斷地在兩個存儲區(qū)間相互切換。而反搏的具體過程如下：在檢測到R波后，延時一段時間，順序地打開3個充氣閥，最后根據(jù)反搏時間關斷充氣閥、打開排氣閥。這里的反搏時間可以自由設置。此外系統(tǒng)中還含有自動增益調節(jié)電路，并由R波的平均值來判斷如何進行調節(jié)。當R波的平均值小于某個閾值時，則控制自動增益調節(jié)電路使增益變大，反之則使增益變小。
本文設計了一種基于SoPC技術的體外反博控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有設計使用簡單、功耗低、抗干擾性強、系統(tǒng)可擴展等特點。使用者可以根據(jù)設計需求，結合臨床實驗，對系統(tǒng)的各項指標和功能進行完善，提高工作性能。
參考文獻
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[2] 孫光耀，余生晨.小波變換在QRS波檢測中的應用[J].北方工業(yè)大學學報，2003，15（3）：15-17.
[3] 李海云，鄭振聲.一種新型體外反搏控制系統(tǒng)的研究[J].中國醫(yī)療器械雜志，1999，23(4)：187-189.
[4] 伍時桂.體外反搏的理論分析[C].第四屆全國生物醫(yī)學工程學術會議，武漢：1990：54-55.
[5] 曾璐.依賴虛擬儀器的體外反搏控制系統(tǒng)設計[J].電子技術，2007，34(1)：64-66.
[6] 曾璐，汪鋒鎖.基于LabVIEW的體外反搏系統(tǒng)軟件設計[J]. 儀器儀表與分析監(jiān)測，2006，11（4）：32-33.