基于FPGA算法智慧醫療社區信息采集系統設計

(寶雞文理學院 物理與光電技術學院，陜西 寶雞 721016)

基于FPGA算法智慧醫療社區信息采集系統設計

周新淳

(寶雞文理學院物理與光電技術學院，陜西寶雞721016)

對智慧醫療社區信息采集進行系統設計，可以縮短患者就診時間，減少醫務人員因醫療信息不足而導致的誤診現象;當前方法根據CPRS實現智慧醫療社區信息采集系統的設計；將GSM系統當作基礎，完成無線分組交換，提供IP網絡的連接，并利用其終端設備GPRS DTU完成最終設計；該方法不能進行穩定可靠地醫療社區信息采集傳輸，無線分組交換目標不明確，導致當前醫療社區信息采集系統無法實現高效率、高精度地信息實時采集；為此，提出一種基于FPGA算法智慧醫療社區信息采集系統設計方法；該方法的整體框架包括信息數據轉換模塊、信息數據采集模塊、電源電路、信息數據傳輸模塊；利用ADS8361構建智慧醫療社區信息轉換工作電路，實現信息的數模轉換；根據Altera推出的Nios系列處理器對智慧醫療社區信息進行采集，選取XR公司生產的XR2206和XR2211將采集到的信息傳輸至存儲部分，整個系統的電源電路采用LT1764-3.3和AMS1117電源電壓芯片實現；系統軟件部分利用最小均方自適應濾波算法，對信息采集過程中的噪聲進行去除；實驗證明，所提方法可快速對智慧醫療社區信息采集系統進行設計，提高會診質量及醫療資源合理配置的效率，為我國社區醫療服務發展提供依據。

FPGA算法；智慧醫療社區；信息采集系統

0 引言

當前我國的人口大概占世界人口的22%，不過醫療衛生資源只占世界的2%，人均占有量排在世界100位以外，醫僅有2%醫療資源，其中80%集中在大城市[1]，社區及農村基本醫療功能不強，農村和偏遠山區幾乎沒有正規的醫院，醫療資源的配置基本是一個倒金字塔結構，導致看病的等待時間較長[2]。隨著人們生活水平的不斷提高，高效、便捷的醫療服務是人們現如今的重要需求[3]。而智慧醫療社區是面向社區群眾的，具有反應速度快、服務的群眾多等特點，尤其是針對群眾的慢性病以及老年人的健康方面有著比較獨特的優勢，由于其可以為國家醫療體系做出杰出的貢獻，所以成為了國家醫療的服務體系中比較重要的一環[4]。隨著智慧醫療社區服務的不斷創新，其信息的不完整性降低了醫療質量，所以需要對其信息采集系統進行設計[5]。當前的智慧醫療社區信息采集系統設計方法，不能對醫療信息采集系統進行全面，完整的設計，存在設計精度低，速度慢等問題。在這種情況下，如何實現智慧醫療社區信息采集系統的高效設計，提高現代醫療技術水平，成為了迫在眉睫的問題[6]。而基于FPGA算法的智慧醫療社區信息采集系統設計方法，可以對智慧醫療社區信息采集系統進行快速、穩定地設計，能夠減少患者的就診時間，為醫務人員的確診提供了支撐，是解決上述問題的可靠途徑[7]。

在文獻[8]方法中，智慧醫療社區信息采集系統主要功能為：將所有試驗數據和信息進行采集，并統一存儲和分析，構建數據和信息交互平臺，完成醫療數據和信息查看和交互。這個系統的設計利用的是數據層與中間層，以及用戶層結構，與此同時，為提高系統平臺兼容性，利于系統功能的升級與擴展，通過C語言完成系統功能的測試，實驗證明該方法提高了智慧醫療社區信息的利用率，但是所設計的信息采集系統運行不夠穩定。文獻[9]方法為適應智慧醫療社區大規模信息的管理，利用數據庫技術，對醫療社區信息采集系統管理進行設計。該管理模塊集成Robinhood策略引擎和TORQUE管理系統，根據分布式并行運算，得到系統元數據的信息，將信息存儲至My SQL數據庫，此時利用數據庫的元數據信息來得到醫療信息采集的監視和管理及備份功能。實驗證明，利用分布式并行運算可以充分根據集群計算資源，增強醫療信息采集系統遍歷速率，保障了系統監視與備份的正常進行，但是過程繁瑣。文獻[10]方法中，為智慧醫療社區信息采集系統內部，設置了24道模擬信息采集電路，對周圍電路實現邏輯控制，以及信息實時采樣，上機位和目標間的信息通信采用的是TCP/IP協議，并通過實驗證明，該方法下的信息采集系統具有一定的實時性，但是采集過程中的噪聲過大，導致采集到的信息精確性低。

針對上述產生的問題，提出一種基于FPGA算法的智慧醫療社區信息采集系統設計方法。實驗證明，所提方法可以設計出高精度，高擴展性的智慧醫療社區信息采集系統，不僅提高了智慧醫療社區的服務水平，而且還促進了民眾的身體素質，對當下的智慧醫療社區服務有著重要的意義，為智慧醫療社區的發展提供了基礎。

1 基于FPGA算法智慧醫療社區信息采集系統硬件設計

1.1 系統整體結構設計

智慧醫療社區信息采集系統整體構造的組成部分為：信息轉換模塊、信息采集模塊、電源電路、信息傳輸模塊等。上圖中所選取的FPGA是EP2C8Q208C，是AL-TERA公司的Cyclone系列中一款成本比較低的FPGA，比較適用于智慧醫療社區信息采集系統的構造。其中有8256個LEs，以及36個M4KRAM blocks，并且有165888bit RAM，支持18個Embedded multipliers以及兩個PLL，其資源的配置特別豐富。

圖1 信息采集系統的整體構造

1.2 系統硬件設計

智慧醫療社區信息采集系統硬件構造中，主要包含206DSP和CAMAC接口以及206DSP和7865接口。硬件核心TMS320C206為TI公司生產的低成本定點DSP，有簡單易用等優點。其與常用的TMS320C1X系列中DSP指令兼容，功能有所擴充。

圖2 系統硬件構造

1.2.1 醫療信息轉換電路設計

圖3是利用ADS8361得到的智慧醫療社區信息轉換工作電路，圖中的CS為芯片片選引腳，M1與M0以及A0引腳根據高低電平組合，選取醫療社區信息通道與采樣通道，其中CONVST引腳為A/D轉換的控制引腳，RD為讀取醫療社區信息引腳，使用過程中，直接把兩個引腳進行連接，CLOCK引腳應用至醫療社區信息的輸入，采樣的式中利用FPGA分頻提供，SDB與SDA引腳專門負責把采樣模16位采樣信息進行串行輸出。

圖3 信息轉換電路

1.2.2 智慧醫療社區信息采集模塊設計

智慧醫療社區信息采集模塊利用的是Altera推出的Nios系列處理器，Altera為配置該處理器，提供了成本比較低的串行配置元件，分別為1Mbit、4Mbit、16Mbit以及64Mbit，四個串行的配置元件。在智慧醫療社區信息采集模塊設計中，EP2C8Q208內的配置芯片為EPCS4。EP2C8Q208有208個管腳封裝，它的I/O口能夠滿足智慧醫療社區信息采集電路的需求。且EP2C8Q208有8256個邏輯單元，77個差分通道，2個鎖相環，以上資源大部分都可用于智慧醫療社區信息采集電路信號的后續處理。

圖4 智慧醫療社區信息采集模塊

1.2.3 醫療社區信息傳輸電路設計

在圖5智慧醫療社區信息傳輸電路中，調制解調器是其中的核心部分，它負擔著醫療社區信息流的控制以及信息調制解調任務。在該電路中，選取的是XR公司生產的XR2206和XR2211，作為調制解調實現傳輸距離遠的信息傳輸任務。

圖5 醫療社區信息傳輸電路

XR2206其實是一種單片集成的函數發生器，能夠生成各種信號，其輸出的信號能承受外加的電壓控制，進而完成調幅或者調頻。內部的壓控震蕩器VCO為輸出頻率和輸出電流間成正比的一種可控振蕩器，它的震蕩頻率完全取決于電容與電阻，所以能夠提供兩個離散輸出頻率，可組建CP-2FSK調制器。它的主要參數：震蕩頻率是0.01 Hz～1 MHz，正弦波的失真度為0.5%，頻率穩定性為20*10-6℃，FSK鍵控電平為1.4 V。在本文中，選擇正弦波當作載波信號，以高電平3 V與低電平1 V輸出的頻率F1，F2的離散調制信號，完成智慧醫療社區信息的數字式載波通信。

電路中的XR2211是專門為智慧醫療社區信息傳輸設計的相環，能夠構成FSK解調器和FM解調器等。VCO、檢相器以及外部濾波器構建基本的鎖相環路，并和FSK比較器進行組合，這樣就能完成2FSK解調功能。主要參數：工作頻率范圍在0.01-300 kHz間，輸出信號的動態范圍為3 mV～3 V，可跟蹤范圍為±1%-80%，頻率的穩定度為20*10-6℃。利用上述電路構造，可實現更為完善的智慧醫療社區信息傳輸電路。

1.2.4 系統電源電路

智慧醫療社區信息采集系統電源電路，利用5 V供電，由于要向多種不同的芯片提供種類不同的電壓，由此，該電源電路中通過LT1764-3.3和AMS1117電源電壓芯片，生成+3.3 V與+1.2 V電壓，LT1764-3.3為凌特公司所生產的穩壓器件，該器件能夠提供3A供電電流，可以滿足整個智慧醫療社區信息采集電源電路的需求。其中，AMS1117系列的穩壓器具有可調版和多種固定的電壓版，在本文的設計中，利用固定電壓為1.2 V的版型，也就是根據AMS1117-1.2芯片，能夠提供1A的輸出電流，可供智慧醫療社區信息采集系統使用。

圖6 系統電源電路

2 智慧醫療社區信息采集系統軟件設計

基于FPGA的智慧醫療社區信息采集系統設計中，在FPGA的內部，能夠對輸入信息信號進行保存，處理等。但在信息采集的過程中，會受到噪聲的干擾，由此在上述硬件的基礎上，利用最小均方自適應濾波算法(LMS)，對智慧醫療社區信息采集過程中的噪聲進行去除。LMS在隨機輸入的維納濾波器的遞歸運算中，采用的是確定性梯度。LMS的顯著特點是簡單性，因為它并不需要對相關函數進行計算，更不需要對矩陣進行逆運算，可以簡單性地被應用于智慧醫療社區信息采集系統設計中。

在LMS算法中有兩個基本過程：

第一個是濾波過程，對濾波器所輸出的醫療社區信息信號相應的進行計算，利用比較輸出的結果和期望相應值生成估計誤差。

第二個是自適應過程，通過估計誤差可以自動調整濾波器的參數。

其中，最小的均方誤差迭代公式為：

濾波的輸出為：

y(n)=WT(n)U(n)

(1)

估計的誤差為：

e(n)=d(n)-y(n)

(2)

抽頭的自適應為：

W(n+1)=W(n)+μU(n)e*(n)

(3)

式中，μ代表智慧醫療社區信息采集自適應濾波器收斂因子，W(n)代表抽頭向量目前估計值，μU(n)e*(n)代表抽頭權重目前調整量的估計值。

為了進一步的提高智慧醫療社區信息采集精度，且提高系統的可預測性以及自適應性，在上述的基礎上，引入最小均方差的自適應濾波，并根據DSP高速計算，以保障算法的迅速實現，進而增強系統的實時性。具體過程如下：

自適應濾波器作用是對任意輸入的信息信號目前值，所提供的某種意義的最好預測。假設濾波采集的信息通過延時之后，當作LMS濾波器中一個隨機輸入的信號u，u通過LMS濾波器后，獲得一個預測估計值y，y和期望值做比較獲得一個誤差E，并通過E的大小對執行智慧醫療社區信息采集系統的部件進行控制，并輸入實際值Y。LMS濾波器在輸入隨機的優化信息后，不僅可以得到u，還有y和d間的差值e，利用所得值來不斷修正LMS本身的權值參數。由此智慧醫療社區信息采集系統能夠很好地，對隨機輸入的信息信號進行預測，進而能夠迅速地利用控制信號使信息采集質量在最短時間內，逼近標準值。實現高精度的智慧醫療社區信息采集。

3 實驗結果與分析

為了證明基于FPGA算法的智慧醫療社區信息采集系統設計方法的整體有效性，需要進行一次實驗。在POSIX的環境下搭建智慧醫療社區信息采集實驗平臺，實驗數據取自于某智慧醫療社區。利用本文所提方法對實驗數據進行實驗，并與文獻方法在各方面進行對比，觀察本文方法的可行性。

3.1 實驗參數

該實驗的硬件環境為可劃分為兩部分：測試結果分析和實驗數據采集。采集端主要應用于組建全局的網絡拓撲與采集終端數據，其中包含AT91SAM9G45開發板，CC1101收發芯片，STM32f108單片機以及模擬傳感器。

實驗的軟件環境為：嵌入式Linux系統、SQLite、WEB服務器BOA。

3.2 實驗及結果分析

在上述實驗環境下進行實驗，圖7是不同方法智慧醫療社區信息采集效率(%)對比，圖8是不同方法智慧醫療信息采集信息信號過濾效果對比。圖9是不同方法智慧醫療社區信息傳輸時間(s)對比。

圖7 同方法智慧醫療社區信息采集效率對比

分析上圖可知，文獻[8]方法將所有試驗數據和信息進行采集，并統一存儲和分析，構建數據和信息交互平臺，完成醫療數據和信息查看和交互。但是信息的采集過程中沒有對信息信號進行過濾，導致智慧醫療社區信息采集效率偏低。文獻[9]方法中管理模塊集成Robinhood策略引擎和TORQUE管理系統，根據分布式并行運算，得到系統元數據的信息，將信息存儲至My SQL數據庫。管理系統中沒有設置具體的管理參數，降低了信息采集的效率。文獻[10]方法為智慧醫療社區信息采集系統內部，設置了24道模擬信息采集電路，對周圍電路實現邏輯控制。24道電路需要大量的電流，電壓，產生了大量的噪聲，導致系統采集信息的效率低。而本文方法智慧醫療社區信息采集模塊利用的是Altera推出的Nios系列處理器，Altera為配置該處理器，提供了成本比較低的串行配置元件，提高了醫療社區信息采集效率。

圖8 不同方法采集信息信號過濾效果對比

圖8中，本文所提方法過濾后的智慧醫療社區信號，明顯比文獻方法過濾后的信號更為平穩。因為利用本文對采集信號進行過濾時，引入了最小均方差的自適應濾波，減少了信號波動，增強了信息采集精度，證明了本文方法的具有可實踐性。

圖9 不同方法醫療社區信息傳輸時間對比

分析上圖實驗結果可知，本文所提方法信息傳輸時間較少，因為本文方法的信息傳輸電路，選取的是XR公司生產的XR2206和XR2211，作為調制解調實現傳輸距離遠的信息傳輸任務。減少了信息傳輸時間，為智慧醫療社區信息采集提供了有力依據。

實驗證明，本文方法可以穩定可靠地對智慧醫療社區信息采集系統進行設計。為目前還沒有完善的智慧醫療社區信息采集系統，提供了一定的借鑒意義。

4 結束語

通過當前方法對智慧醫療社區信息采集系統進行設計時，僅考慮了眼前的手工信息采集，沒有直接亦或是具有針對性地和智慧醫療社區的信息系統進行連接。無法滿足目前智慧醫療社區發展的需求。而基于FPGA算法的智慧醫療社區信息采集系統設計方法，可以實現安全完善地醫療信息采集系統，實驗證明，所提方法能夠對智慧醫療信息采集系統進行高效率，低誤差地設計，可為該領域的研究發展提供建設性的基礎。

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DesignofIntelligentMedicalCommunityInformationCollectionSystemBasedonFPGAAlgorithm

Zhou Xinchun

(Baoji University of Arts and Sciences,Institute of Physics amp; Optoelectronics Technology, Baoji 721016,China)

The wisdom medical community information acquisition system design, can shorten the time to the patient, reduce the medical staff lead to misdiagnosis phenomenon due to lack of medical information. The current method is based on CPRS to realize the design of the intelligent medical community information acquisition system. The GSM system is used as the basis for the wireless packet switching, the connectivity of the IP network, and the final design using GPRS DTU, its terminal device. This method cannot be stable and reliable in the medical community information collection and transmission, wireless packet switching objectives are not clear, lead to current medical community information acquisition system is unable to realize high efficiency, high precision and real time information acquisition. In this paper, a method for the design of information collection system based on FPGA algorithm is proposed. The overall framework of this method includes information data conversion module, information data acquisition module, power circuit, information data transmission module. Use ADS8361 to build the intelligent medical community information to transform the working circuit, to achieve the digital transformation of the information. Based on Altera's processor Nios series of wisdom medical community information collection, selection of XR company XR2206 and XR2211 will collect the information transmission to the storage, the power circuit of the whole system adopts LT1764 3.3 and AMS1117 supply voltage chip implementation. The software part of the system utilizes the minimum mean square adaptive filtering algorithm, which removes the noise in the information acquisition process. Experiments show that the proposed method can rapidly to wisdom medical community information collection system design, improve the efficiency of the consultation with the quality, and efficiency of the rational allocation of medical resources, provided the basis for our country community health service.

The FPGA algorithm; smart health community; information acquisition system

2017-06-13；

2017-07-13。

寶雞市科技局項目(16RKX1-16)；寶雞文理學院重點項目(ZK2017010)。

周新淳(1983-)，男，陜西寶雞人，碩士研究生，講師，主要從事通信技術，單片機及嵌入式系統方向的研究。

1671-4598(2017)09-0161-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.042

TP391

A