基于TI OMAP3的多參數監(jiān)護儀設計及實現(xiàn)方案

引言

在現(xiàn)代醫(yī)學中，使用多參數監(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。多參數監(jiān)護儀已經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，擴展參數采集前端、觸摸屏、SD卡存儲電路和網絡接入電路等模塊，設計及實現(xiàn)了一個具有實時檢測、顯示、存儲和網絡傳輸等功能的新型多參數監(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，也可以通過以太網或者Wi-Fi網絡傳送數據到遠程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據傳送。數據采集、處理、顯示及網絡傳輸使用多線程和隊列緩沖機制來保證數據的實時性和完整性。網絡使用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

參數采集前端

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、舒張壓和電子產品世界

監(jiān)護程序設計

監(jiān)護程序需要完成各參數的采集、接收、顯示、存儲以及網絡傳輸等功能。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。為保證數據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據傳輸的任務。波形顯示是界面設計中的難點，考慮到數據采集、波形繪制時的頁面刷新和網絡傳輸給系統(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個生命參數的實時檢測、顯示、存儲和網絡傳送等功能。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。

參考文獻：

[1]德州儀器公司.醫(yī)療應用設計方案

[2]廖江海,姜來,李蓁,等.基于DSP的EASI十二導聯(lián)多功能Holter系統(tǒng)[J].電子技術應用,2009，

[3]王義山.多參數監(jiān)護儀血壓參數的檢驗校準方法探討[J].中國計量

[4]呂文標,馬桂玲.多參數監(jiān)護儀測量原理及應用[J].醫(yī)療設備信息

[5]姚昱旻,劉衛(wèi)國.Android的架構與應用開發(fā)研究[J].計算機系統(tǒng)應用

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