基于ARM9的嵌入式心電監(jiān)護儀

趙 松，許江淳，周 靖

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，昆明 650504)

1 引言

當(dāng)今社會的快速發(fā)展很大程度地提高了人們的物質(zhì)生活水平，隨之而來的就是人們生活節(jié)奏的加快以及生活壓力的增加。這些都使得心臟病的突發(fā)率迅猛激增，心臟病已經(jīng)成為人類健康的最大殺手之一。心電圖是檢查、診斷和預(yù)防心臟病等此類疾病的主要手段和依據(jù)，心電監(jiān)護的使用貫穿于治療、康復(fù)的整個過程，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，變得越來越重要。醫(yī)生可以通過對人體的心電圖的分析研究做出對心臟病病變的診斷以及治療。因此人體心電信號準確無誤的采集、提取以及相關(guān)分析和處理是一個重要而有意義的課題。

常規(guī)的心電圖是在靜臥情況下由心電圖儀記錄病人的心電活動，經(jīng)歷的時間僅為幾秒，而且關(guān)于心臟狀況信息的獲取量也是少之又少，所以在特定的一段時間內(nèi)盡管發(fā)生心率失常，也是很難被發(fā)現(xiàn)的;尤其對于很多病人在數(shù)天或數(shù)周內(nèi)才發(fā)生一次的瞬間心電異常變化記錄的難度更大［1］。通用心電監(jiān)護系統(tǒng)(如CCU，ICU 等)雖可進行長時間連續(xù)地多參數(shù)監(jiān)護，對重癥病人起到有效的保護，但因為其功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜而體積較大，不便院外攜帶使用，因此對于很多的院外患者，尤其是較輕癥狀的早期患者不能進行及時準確地診斷，從而貽誤了診治時機，疾病難以得到早期治療和有效控制。因此，發(fā)展能進行24 小時不間斷的動態(tài)心電監(jiān)護系統(tǒng)，及時記錄心臟異常瞬間，對于心臟疾病的早期發(fā)現(xiàn)和心臟功能的準確估計具有十分重要的意義。順應(yīng)這種需要，隨著微電子和計算機技術(shù)飛速發(fā)展，市場上已經(jīng)推出了不同種類和檔次的動態(tài)心電監(jiān)護系統(tǒng)［2］。但是目前市場上已有的微型心電監(jiān)護儀和便攜式心電監(jiān)護儀大多采用低檔單片機實現(xiàn)，功能簡單，只能單一的進行心電信號的采集和顯示，不能進行實時數(shù)據(jù)分析，更沒有對人體其他生理參數(shù)的檢測功能，不便于醫(yī)務(wù)人員對病人全方位地觀察。

作者研制的微型心電監(jiān)護儀是基于嵌入式技術(shù)的軟硬件開發(fā)，完成了在Linux 操作系統(tǒng)下實現(xiàn)對心電信號的采集、處理以及顯示;而且還實現(xiàn)了對于人體體溫、血壓以及心率等參數(shù)的采集、分析和顯示。

2 嵌入式心電監(jiān)護儀的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體框架

Linux 以其免費開放的源代碼，強大的技術(shù)支持，強大的網(wǎng)絡(luò)功能，對眾多硬件的支持，和成熟、高效、健壯、可靠、模塊化、易于定制等特點贏得嵌入式的優(yōu)勢。但由于Linux 過于龐大，故要將它應(yīng)用于小巧的嵌入式系統(tǒng)，必須將其小型化［3］。

首先依據(jù)所選擇的CPU 類型，以公開的嵌入式Linux 源代碼為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計的嵌入式目標板情況編寫相應(yīng)的Bootloader 程序(啟動裝載程序)。然后根據(jù)標準Linux 裁剪出適合的內(nèi)核和文件系統(tǒng)。采用的嵌入式Linux 在其內(nèi)核內(nèi)部實現(xiàn)了相應(yīng)的驅(qū)動，并裁剪掉了不需要的模塊。對其文件系統(tǒng)進行了精簡。再將Bootloader 程序，內(nèi)核和文件系統(tǒng)固化到目標板的Flash(閃存)中，便構(gòu)成了一種新型的嵌入式心電監(jiān)護儀。

在設(shè)計中選用的處理器是samsungS3C2440AL，主頻400MHz，最高533MHz，以及必要的外圍接口硬件。圖1是嵌入式心電監(jiān)護儀的總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 心電監(jiān)護儀總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 心電信號的采集和實現(xiàn)

心電信號具有信號弱而且信噪比低、信號源阻抗大、信號頻率低(集中在0.05～100Hz)的特點，而且非常容易淹沒在外界電磁信號中。所以采集端的放大電路必須具有幾個特點:增益、輸入阻抗以及共模抑制比要高，輸入失調(diào)電壓和溫漂要低。

在前置級放大電路的設(shè)計中采用的芯片MCP6002，其具有1MHz 增益帶寬積和90 度的相位容限，支持軌到軌輸入輸出，共模輸入電壓范圍為VDD+ 300mV 到VSS－ 300mV;電源供電范圍為1.8V－5.5V［4］。采用三運放儀表放大器作為心電信號前置放大器的前置級，為了提高其放大倍數(shù)和穩(wěn)定性，在運放儀表放大電路的后面再加上一級交流放大電路，作為放大器的后置級［5］。

在本設(shè)計中，采集模塊的連接方式采用的是I導(dǎo)聯(lián)。I 導(dǎo)聯(lián)將人體的左右臂作為正負信號分別接入放大器的正負輸入端，而右腿則與放大器的參考端子相連接，作為放大器的接地端。I 導(dǎo)聯(lián)的連接示意圖，如圖2 所示。

圖2 I 導(dǎo)聯(lián)連接示意圖

2.3 體溫監(jiān)測功能模塊

在本模塊中選用數(shù)字溫度傳感器DS－18B20［6］進行測溫系統(tǒng)的電路設(shè)計。同時在顯示體溫的基礎(chǔ)上擴展告警功能。它的主要功能就是對體溫的顯示結(jié)果進行判斷，如果人體的體溫測量高于37℃，蜂鳴器就會鳴笛提醒用戶要注意體溫。

2.4 心電監(jiān)測算法

處理心電數(shù)字信號的關(guān)鍵是對心電信號中QRS復(fù)波的識別。正常人的QRS 波群的寬度為0.06－0.10秒。針對R 波很尖銳的特點，通過一個滑動時間窗判斷信號峰、谷是否滿足要求，同時確認其是否在時間窗內(nèi)。對信號幅值的閾值采用雙可變閾值法，即對波形設(shè)置波峰閾值和波谷閾值。如果峰閾值和谷閾值在一段時間內(nèi)有較大變換，則重新設(shè)置峰閾值和谷閾值。圖3是心電信號處理過程的圖示。

圖3 心電信號處理流程圖

2.5 QT 顯示界面

系統(tǒng)使用QT 作為圖形界面開發(fā)庫，主要實現(xiàn)通過觸控按鈕選擇顯示心電圖以及心率、體溫、血壓等參數(shù)。應(yīng)用程序啟動后，會生成一個帶有兩個圖標按鈕的界面。點擊心電圖開始按鈕后，會顯示心電圖的界面;點擊另一個按鈕，會綜合顯示心率、血壓以及體溫三個參數(shù)的界面。系統(tǒng)界面如圖3、圖4 所示。

圖4 心電圖顯示界面

圖5 系統(tǒng)顯示界面

3 實驗結(jié)果

目前作者在不同對象身上對該嵌入式監(jiān)護儀進行了多次實測。經(jīng)實驗，該儀器對心電信號的采集、分析、顯示實時性都很好，且準確率達到99.98%。界面簡潔，操作方便靈活，心電圖顯示清晰無誤，達到了最初的設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

基于arm9的嵌入式微型心電監(jiān)護儀，結(jié)合人體生理信號的特性以及檢測需求，實現(xiàn)了多種生理參數(shù)的檢測、分析以及顯示。該微型心電監(jiān)護儀體積小、功耗低、使用方便、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，優(yōu)于一般的小型心電監(jiān)護設(shè)備。可用于非監(jiān)護室及外出搶救病人的監(jiān)護。為醫(yī)療設(shè)備的小型化、智能化提供了一種新的解決方案。

［1］蔡建新，張唯真.生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，1997.

［2］許力.基于ARM9 家庭心電監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2008.

［3］萬相奎，丁建平，秦樹人.嵌入式系統(tǒng)及其典型開發(fā)模式［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，27(2):16－19.

［4］Eugene N Bruce.Biomedical Signal Processing and Signal Modeling［M］.Proakis Editor，2001.

［5］杜麗冰.ECG 中50Hz 干擾的抑制及其性能［J］.境技術(shù)，1998，23(6):26－29.

［6］Mark Summerfield，Jasmin Blanchette.C ++ CUI Programming with Qt［M］.Prentice Hall in association with Trolltech Press.2004.