基于TI OMAP3平臺的多參數(shù)監(jiān)護儀設計與實現(xiàn)

　引言

　　在現(xiàn)代醫(yī)學中，使用多參數(shù)監(jiān)護儀對危重病人進行實時監(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)護儀已經(jīng)在病房護理和急救系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。

　　基于傳統(tǒng)PC平臺的多參數(shù)監(jiān)護儀成本高、體積大、操作復雜，使用范圍具有局限性。而采用單片機為核心的便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀運算能力低，功能單一，界面簡陋，只能進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，擴展參數(shù)采集前端、觸摸屏、SD卡存儲電路和網(wǎng)絡接入電路等模塊，設計及實現(xiàn)了一個具有實時檢測、顯示、存儲和網(wǎng)絡傳輸?shù)裙δ艿男滦投鄥?shù)監(jiān)護儀?；陔p核芯片的優(yōu)異性能，系統(tǒng)可采用高效復雜的算法對各生命參數(shù)進行快速準確的檢測、除噪和優(yōu)化等處理，而Google Android豐富的應用支持，則為監(jiān)護儀提供了良好的監(jiān)護界面、網(wǎng)絡功能以及應用擴展性。醫(yī)生可使用該監(jiān)護儀實時或遠程掌握病人的信息，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

　　處理核心

　　OMAP3530處理器采用65nm低功耗工藝制造，內部集成了600MHz的Cortex-A8彈性內核以及430MHz的TMS320C64x+ DSP內核[1]。ARM+DSP的雙核結構使操作系統(tǒng)效率和代碼的執(zhí)行更加優(yōu)化，ARM端負責系統(tǒng)控制工作，DSP端則承擔繁重的實時信號處理任務，從而成功地解決了性能與功耗的最佳組合問題。具有雙核結構的OMAP3530非常適合新型多參數(shù)監(jiān)護儀的設計。低功耗可以更好地實現(xiàn)監(jiān)護儀的便攜性，滿足野外救護等特殊需要;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)護界面;DSP強大的運算能力可以確保對各生命參數(shù)進行快速、準確和復雜的分析處理。

　　硬件架構

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

　　軟件架構

　　Android是Google與開發(fā)手機聯(lián)盟(Open Handset Alliance，OHA)推出的以Linux為內核，真正意義上的開放性移動設備綜合平臺。從軟件結構的角度上，Android系統(tǒng)分成4個層次： Linux操作系統(tǒng)及驅動、本地代碼框架、Java框架和Java應用程序。圖2為本系統(tǒng)的軟件架構圖。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)絡傳輸使用多線程和隊列緩沖機制來保證數(shù)據(jù)的實時性和完整性。網(wǎng)絡使用C/S架構，充分發(fā)揮服務器上的硬件優(yōu)勢，完成更多監(jiān)護信息的顯示和分析。

　關鍵設計

　　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，并在設計中加入右腿驅動電路來克服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設計

　　系統(tǒng)中采用LPDDR數(shù)據(jù)總線頻率高達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，否則容易導致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至無法工作。PCB采用6層板設計，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設計中，首先要對信號進行分組，再確定布線規(guī)則，如表1所示。

　　監(jiān)護程序設計

　　監(jiān)護程序需要完成各參數(shù)的采集、接收、顯示、存儲以及網(wǎng)絡傳輸?shù)裙δ?。程序中使用JNI技術向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/輸出流進行串口通信。為保證數(shù)據(jù)采集的實時性和完整性，設計采用多線程和雙緩沖機制。如開啟遠程監(jiān)護，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?。波形顯示是界面設計中的難點，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制來實現(xiàn)，避免屏幕刷新時閃爍的現(xiàn)象。為了維護Android的單線程模型，設計中使用消息通知機制來完成非主界面線程與主界面線程之間的通信[5]。監(jiān)護界面如圖3所示。

　　結語

　　樣機測試結果表明，基于OMAP3530雙核處理器設計的多參數(shù)監(jiān)護儀，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)絡傳送等功能。該監(jiān)護儀便于操作、成本低、功耗小、功能強大、便攜等特點使其具有廣泛的應用領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)護儀將會在個人醫(yī)療保健、醫(yī)院救護、野外急救和遠程醫(yī)療監(jiān)護等場合得到越來越廣泛的應用。