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由于心臟病發(fā)病時一般具有突發(fā)性、短暫性和危險性的特點,因此有必要對患者的心電圖等生理參數(shù)進行長時間實時檢測,實現(xiàn)及時搶救和疾病預(yù)報。當(dāng)前我國醫(yī)療資源仍然十分緊張,而遠程醫(yī)療、社區(qū)護理是解決這一問題的有效辦法[1,2]?？晒┥鐓^(qū)、家庭使用的便攜式心電監(jiān)護儀,有著廣泛的應(yīng)用前景。 基于普通16位單片機的便攜式心電監(jiān)護儀,能夠?qū)崿F(xiàn)心電信號的存儲、顯示、傳輸及簡單的判病報警[3],但由于所采用的單片機運算速度有限,難以采用耗費資源多的算法,如近年發(fā)展迅速的小波分析。有人制作以DSP芯片為核心的心電數(shù)據(jù)分析卡,插在PC機內(nèi),內(nèi)嵌小波算法處理心電信號[4]。這種方法在心電分析上取得顯著效果,缺點是必須配備PC機。目前,雖有使用其他系列DSP芯片的心電監(jiān)護模塊[5],但還沒有見到使用較先進的C5000系列芯片的便攜心電監(jiān)護儀。隨著技術(shù)的發(fā)展,DSP芯片的性能有很大提高,這使我們能夠進一步擴展便攜儀器的功能。 本監(jiān)護儀的設(shè)計目標(biāo)是患者可以帶著它自由走動,能夠自我監(jiān)護,實現(xiàn)真正的便攜與易用;具有較強的數(shù)據(jù)處理能力,保證心電檢測的高準(zhǔn)確率;能夠便捷地與醫(yī)院中心站進行通訊。這樣的監(jiān)護儀,將成為家庭、社區(qū)護理的有力幫手。 硬件電路的設(shè)計 監(jiān)護儀主要構(gòu)成如圖1所示。DSP芯片TMS320VC5402通過豐富的接口控制周邊器件。模擬電路通過導(dǎo)聯(lián)線與人體相連,負責(zé)采集、放大肢體Ⅱ?qū)?lián)的心電信號。大容量的Flash存儲器能夠長時間存儲心電信號,從而使監(jiān)護儀具有類似Holter的功能。時鐘芯片為監(jiān)護儀提供準(zhǔn)確時間信息,可用來標(biāo)記每段心電信號的采集時間。液晶顯示模塊可以實時顯示心電波形和監(jiān)護信息。本監(jiān)護儀采用數(shù)字通訊和模擬通訊2種通訊模塊。數(shù)字通訊模塊可通過Modem向醫(yī)院傳送完整的心電數(shù)據(jù),而模擬通訊模塊把心電信號耦合成聲音信號,只要有電話的地方就可以向醫(yī)院傳輸,十分靈活。系統(tǒng)采用鋰離子電池供電,可以隨時充電,連續(xù)使用。  
模擬電路模擬電路部分實現(xiàn)對心電信號的采集、放大、濾波以及A/D轉(zhuǎn)換。其構(gòu)成見圖2。 如前置放大電路主要由儀表放大器AD620構(gòu)成。AD620具有低功耗、低噪聲、低溫漂的特點,最大偏置電流2nA,共模抑制比達到93dB以上。AD620與外接電阻配合將心電信號放大100倍。我們利用右腿驅(qū)動電路來去除人體的交流干擾。這種做法不會損失心電信號的頻率成分。由于不同患者的心電信號強弱不同,因而儀器需要自動對放大倍數(shù)進行調(diào)整,實現(xiàn)方法為調(diào)整下一級放大電路中反饋電阻的阻值。具體做法是用一片4路輸出選擇器74HC4052來控制反饋回路的選通。自學(xué)習(xí)程序?qū)⑴袛喑跏夹碾姺糯蟊稊?shù)的大小,然后由DSP芯片修改選擇器的控制位來得到合適的放大倍數(shù)。整個放大電路的放大倍數(shù)范圍為2001 500倍。電壓上拉電路將使基線電壓由0V變?yōu)?V,以滿足A/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換范圍。雙T型50Hz陷波電路用來去除50Hz工頻信號的干擾。A/D轉(zhuǎn)換芯片選用MAX1242為逐次逼近式A/D芯片,轉(zhuǎn)換位數(shù)為10位,采用SPI串行總線控制,電壓轉(zhuǎn)換范圍為02.5V。經(jīng)計算,模擬電路的總共模抑制比≥80dB。 DSP芯片及存儲電路TMS320VC5402是一款性價比很高的定點數(shù)字信號處理器,其最高處理速度可達100MIPS,C5402有8條總線,使得執(zhí)行程序可以高度并行。它的數(shù)據(jù)/程序?qū)ぶ房臻g達到1M×16bit,并且內(nèi)置4k×16bit ROM和16k×16bit RAM。C5402有2個多通道緩沖串行口、一個8位主機接口(HPI)、2個16位定時器以及6通道DMA控制器。 我們采用閃速存儲器SST39VF040來存儲數(shù)據(jù)。這款Flash采用并行總線,可以存儲4Mb數(shù)據(jù),寫入一個字節(jié)的速度為14μs,讀取一個字節(jié)的速度為70ns,可反復(fù)擦寫次,可以完全滿足低采樣率A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的實時存儲要求。除了存儲心電信號,Flash還需要存儲DSP芯片的內(nèi)嵌程序。整個程序在DSP的RAM中運行,但在掉電后不能被保存,因而需要將程序保存在FLASH中。系統(tǒng)上電后,C5402首先運行固化在ROM中的Bootloader代碼,自動把存儲在閃存中的程序?qū)懭隓SP的RAM,寫入結(jié)束后主程序開始運行。 SST39VF040以字節(jié)為單位進行數(shù)據(jù)存儲,共有19條地址線,其中的低16位直接與C5402的地址總線相連,而最高3位則連接C5402的異步串行口,這樣通過控制異步串行口的輸出,就可以改變對FLASH的高位尋址。例如,我們首先將連接高3位地址線的串行口輸出設(shè)為“000”,然后執(zhí)行尋址“010h”的指令,則最后所尋地址為0h+010h=010h;如果把連接高3位地址線的串行口輸出改為“001”,然后仍執(zhí)行尋址“010h”的指令,則所尋地址變?yōu)?0000h+010h=10010h。可見,通過改變高3位地址,我們可以分別訪問FLASH的8塊起始地址不同的扇區(qū)。每塊扇區(qū)的大小為64kb。其中起始地址為0h的第一塊扇區(qū)被用來存儲內(nèi)嵌程序,其余7塊用來存儲心電數(shù)據(jù)。時鐘芯片如果能記錄下每段心電數(shù)據(jù)的采集時間,就可以方便地對心電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,這十分有利于對患者的長期觀察。我們用Dallas公司生產(chǎn)的DS1302涓滴電流式時鐘芯片實現(xiàn)這一功能。 DS1302相當(dāng)于一塊電子表,存儲包括年月日在內(nèi)的準(zhǔn)確時間信息。此芯片采用雙電源供電方式。當(dāng)系統(tǒng)上電后,它由3.3V系統(tǒng)主電源供電;當(dāng)儀器關(guān)閉后,我們用一塊3V鈕扣電池供電,以保持芯片繼續(xù)計時。當(dāng)開始采集一段心電數(shù)據(jù)時,我們首先從DS1302中讀出時間信息,存儲于這段心電數(shù)據(jù)的開頭。當(dāng)用Modem傳送某段心電信息時,它的時間信息首先被醫(yī)院中心站接收讀出。 另外,在待機狀態(tài)時,監(jiān)護儀通過液晶顯示從時鐘芯片讀出的時間。 液晶顯示模塊我們選用精電蓬遠公司的MOBI2002圖形點陣式液晶,其分辨率為96×48。MOBI2002的驅(qū)動芯片為Philips公司的PCF8548。驅(qū)動芯片內(nèi)有96×6字節(jié)的DDRAM,每個字節(jié)控制一列共8個象素點的狀態(tài)。由于這款液晶沒有自帶的字庫,因此所有數(shù)字與字母的字庫都需要我們自行設(shè)置。 這款液晶的特點是采用總線I2C控制?？偩€是Philips推出的一種二線制串行總線。兩條通訊線分別為串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL,使用時必須為每條通訊線加一個上拉電阻以保證當(dāng)總線空閑時為高電平。這兩條線由C5402的HPI口模擬為通用I/O口進行控制。使用I2C總線在保證傳輸速度的同時,有效節(jié)省了系統(tǒng)資源。數(shù)字通訊模塊本監(jiān)護儀可以利用電話網(wǎng)絡(luò),通過Modem撥號將儲存的心電數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)院的中心站。通常Modem由RS232串行口進行控制,而C5402只能輸出和接收TTL電平的信號。因此為了在C5402和Modem之間實現(xiàn)雙向的電平和時序轉(zhuǎn)換,我們選擇MAX3111E來完成此項功能。MAX3111E集成了一個通用異步收發(fā)器(UART)和一個有15kV靜電保護的RS232收發(fā)器。MAX3111E采用SPI串行接口,其內(nèi)部的電荷泵使它通過3V電源就可以產(chǎn)生符合RS232電平標(biāo)準(zhǔn)的信號。UART包括晶體振蕩器和可以軟件設(shè)置的波特率發(fā)生器。我們將波特率設(shè)置為9600。我們要同時使用MAX3111E的UART和MAX232收發(fā)器,因此將UART的輸出管腳與RS232收發(fā)器的輸入管腳相連,將UART的輸入管腳與RS232收發(fā)器的輸出管腳相連(圖3)。 
使用時,將Modem與監(jiān)護儀相連,同時保證中心站端的Modem和心電接收程序處于開啟狀態(tài),則按下監(jiān)護儀上的Modem傳輸鍵,程序?qū)⒆詣訐芴栠B接,開始傳送心電數(shù)據(jù)。通過監(jiān)護儀上的按鍵可以選擇傳送不同段的心電數(shù)據(jù)。 模擬通訊模塊[5]監(jiān)護儀的另一種通訊方式,是把數(shù)字心電信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和電壓/頻率(V/F)轉(zhuǎn)換變成頻率電信號,然后通過特定發(fā)聲裝置將此頻率信號轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號,最后撥通普通電話將此音頻信號傳送給醫(yī)院中心站,醫(yī)院端的相應(yīng)接收設(shè)備再將聲音信號還原為心電信號。這種方式操作方便,不需要為監(jiān)護儀附加特殊的通訊設(shè)備,適合短期心電數(shù)據(jù)的傳送,是Mo-dem傳送方式的有益補充。 D/A轉(zhuǎn)換芯片采用串行控制的MAX5355,其轉(zhuǎn)換精度為10位。轉(zhuǎn)換后的模擬電壓信號接入鎖相環(huán)集成芯片CD4046進行V/F轉(zhuǎn)換,成為脈沖頻率信號。最后,我們用一個三極管驅(qū)動一個壓電陶瓷蜂鳴片,將此頻率信號轉(zhuǎn)化為音頻信號。壓電陶瓷蜂鳴片是一種電-聲能轉(zhuǎn)換裝置,當(dāng)在壓電陶瓷發(fā)聲元件上施加交變的電壓,發(fā)聲元會產(chǎn)生繞曲振動而發(fā)聲。在用戶端,將電話機話筒置于蜂鳴器上即可進行傳輸。除了用于模擬通訊,壓電陶瓷蜂鳴片還被用來在監(jiān)護儀檢測到異常心電信號時發(fā)聲報警。 電源模塊整個監(jiān)護儀需要多種直流電源。為了使監(jiān)護儀能夠連續(xù)使用和實現(xiàn)便攜性,我們采用一節(jié)1 050mA時的鋰離子電池作為供電電源,并為其配備充電電路。我們采用脈沖式高效鋰離子電池充電芯片MAX1879。我們在充電電路中接入一個綠色發(fā)光二極管。在充電過程中,二極管發(fā)光;當(dāng)鋰離子電池被充到95%以上時,二極管熄滅,表示充電結(jié)束。 C5402需要1.8V和3.3V混合供電,另外多種外設(shè)需要3.3V供電。我們使用TI儀器公司針對DSP而設(shè)計的電源芯片TPS767D318。此芯片集成了2個DC-DC轉(zhuǎn)換器,分別能產(chǎn)生3.3V和1.8V。此外,將TPS767D318的RESET管腳與C5402、液晶模塊以及閃存的復(fù)位管腳相連。當(dāng)TPS767D318片內(nèi)的電壓比較器發(fā)現(xiàn)輸出電壓不足時,其RESET被拉低,從而對以上3種器件進行復(fù)位。 模擬電路部分需要±5V供電,74HC4052需要±3.3V。+5V由PWM型DC-DC轉(zhuǎn)換器MAX1676產(chǎn)生。MAX1676是一款高效率、逼近型、帶有同步整流器-DC變換器,其輸入端接鋰離子電池。此芯片有低電壓檢測功能。如圖4,當(dāng)LBI處的電壓低于1.3V時,LBO由高阻態(tài)變?yōu)榈碗娖健Ｎ覀兘尤胍粋€紅色二極管,當(dāng)鋰離子電池的輸出電壓低于某值時,則R1、R2之間的電平低于1.3V,二極管發(fā)光,做出需要充電的提示。我們用兩個反電壓變換器MAX828分別將+5V和+3.3V轉(zhuǎn)化為-5V和-3.3V。此外,為了使壓電陶瓷蜂鳴片發(fā)出的聲強足夠大,我們使用MAX761從+5V得到+12V為其供電。 
系統(tǒng)控制程序的設(shè)計 儀器的軟件開發(fā)系統(tǒng)為TI公司的XDS510軟件開發(fā)工具包。我們采用混合編程的方式,主程序用C語言編寫,控制外設(shè)的各個子程序用匯編語言編寫。各子程序可以完成相對獨立的功能,而主程序需要完成以下任務(wù):1)初始化各功能子模塊;2)檢測用戶按鍵輸入;3)調(diào)用各子模塊的功能;4)協(xié)調(diào)分配各子模塊占用的系統(tǒng)資源。其系統(tǒng)控制流程如圖5所示。 
4個外部中斷分別對應(yīng)監(jiān)護儀的4個控制按鈕。程序?qū)崿F(xiàn)對中斷的嵌套調(diào)用,使按鍵在不同工作狀態(tài)下也代表不同的功能選擇,就像手機按鍵一樣。心律失常的判別算法[6]嵌在系統(tǒng)程序中。在硬件中,沒有對心電信號進行低通濾波。 我們設(shè)計一種40階FIR低通濾波器,對心電數(shù)據(jù)進行軟件濾波。這樣既節(jié)約了硬件資源,又提高了濾波效果。 結(jié)果與討論 我們用監(jiān)護儀實際采集人體的心電信號,檢測心電放大電路的效果。對于算法,通過軟件來檢測它對MIT心電數(shù)據(jù)庫的檢測準(zhǔn)確率。我們還將實驗室的一臺機器裝上醫(yī)院中心站軟件,連接上Modem和模擬接收機,用監(jiān)護儀與其進行數(shù)字通訊和模擬通訊試驗。在把監(jiān)護儀充滿電后,測試了其使用時間。 各項測試結(jié)果如下: 1)經(jīng)過放大和濾波處理的心電信號穩(wěn)定度高,因測試者活動產(chǎn)生的基線漂移大大減少;高頻干擾被濾得很干凈。 2)監(jiān)護儀操縱界面友好,液晶顯示清晰快捷,能夠描畫出實時心電波形,實現(xiàn)了對心電信號的實時采集與分析。用MIT心電數(shù)據(jù)庫進行檢驗,算法對R波的檢出率達99%以上[6]。對停搏、漏搏、心動過速、過緩能及時做出報警。 3)數(shù)字通訊中,Modem撥號成功,心電信號被成功傳播到中心站電腦上并顯示出圖形。 4)模擬通訊中,轉(zhuǎn)化為音頻的心電信號用普通電話傳給作為醫(yī)院中心站的電腦,并被成功還原為心電波形。這種方法傳輸?shù)男碾娦盘栐诒贿€原之后明顯比原始信號平滑,因為多次轉(zhuǎn)換造成了細節(jié)上的損失,但仍保存著概貌的信息。 5)由于采用大量貼片元件,設(shè)計合理,整個系統(tǒng)十分省電。鋰電池充滿一次電后可待機5h以上(當(dāng)不使用模擬傳輸時達到此項指標(biāo),模擬傳輸模塊中的蜂鳴器耗電量大,頻繁使用會縮短待機時間)。 本監(jiān)護儀在設(shè)計上主要針對家庭用戶,目前實現(xiàn)了4種常見的心律失常報警。下一步可以根據(jù)使用中的實際需要來調(diào)整其功能?？紤]在今后的改進中采用具有更大內(nèi)部RAM的C5000系列DSP芯片,以使軟件能夠進一步擴展。擬加入對心電數(shù)據(jù)的壓縮算法,這樣閃存所能存儲的心電數(shù)據(jù)長度可超過目前的水平。也可以換用更大容量的閃存。 摘自：中國計量測控網(wǎng)
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