基于TI OMAP3平臺(tái)的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　引言

　　在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，使用多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀對(duì)危重病人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)地了解其心肺功能、血壓以及氧合能力等綜合因素，對(duì)病人的治療起著非常重要的作用。多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀已經(jīng)在病房護(hù)理和急救系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　基于傳統(tǒng)PC平臺(tái)的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀成本高、體積大、操作復(fù)雜，使用范圍具有局限性。而采用單片機(jī)為核心的便攜式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀運(yùn)算能力低，功能單一，界面簡(jiǎn)陋，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的信號(hào)顯示和存儲(chǔ)。本文以德州儀器公司(TI)ARM+DSP的雙核處理器OMAP3530為核心，擴(kuò)展參數(shù)采集前端、觸摸屏、SD卡存儲(chǔ)電路和網(wǎng)絡(luò)接入電路等模塊，設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ艿男滦投鄥?shù)監(jiān)護(hù)儀。基于雙核芯片的優(yōu)異性能，系統(tǒng)可采用高效復(fù)雜的算法對(duì)各生命參數(shù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測(cè)、除噪和優(yōu)化等處理，而Google Android豐富的應(yīng)用支持，則為監(jiān)護(hù)儀提供了良好的監(jiān)護(hù)界面、網(wǎng)絡(luò)功能以及應(yīng)用擴(kuò)展性。醫(yī)生可使用該監(jiān)護(hù)儀實(shí)時(shí)或遠(yuǎn)程掌握病人的信息，使用者也可以家中自行測(cè)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(gòu)

　　處理核心

　　OMAP3530處理器采用65nm低功耗工藝制造，內(nèi)部集成了600MHz的Cortex-A8彈性內(nèi)核以及430MHz的TMS320C64x+ DSP內(nèi)核[1]。ARM+DSP的雙核結(jié)構(gòu)使操作系統(tǒng)效率和代碼的執(zhí)行更加優(yōu)化，ARM端負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制工作，DSP端則承擔(dān)繁重的實(shí)時(shí)信號(hào)處理任務(wù)，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(jié)構(gòu)的OMAP3530非常適合新型多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)。低功耗可以更好地實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)儀的便攜性，滿足野外救護(hù)等特殊需要;ARM對(duì)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(hù)界面;DSP強(qiáng)大的運(yùn)算能力可以確保對(duì)各生命參數(shù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確和復(fù)雜的分析處理。

　　硬件架構(gòu)

　　系統(tǒng)框圖如圖1所示，監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)采用經(jīng)典C/S(Client/Server，客戶機(jī)/服務(wù)器)架構(gòu)，既可以離線使用，也可以通過以太網(wǎng)或者Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程PC服務(wù)端。人體各個(gè)生命特征信號(hào)通過導(dǎo)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(jìn)行除噪、放大和A/D轉(zhuǎn)換后，通過串行口送到OMAP3530進(jìn)行檢測(cè)、顯示、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò) 傳送等處理。

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　　軟件架構(gòu)

　　Android是Google與開發(fā)手機(jī)聯(lián)盟(Open Handset Alliance，OHA)推出的以Linux為內(nèi)核，真正意義上的開放性移動(dòng)設(shè)備綜合平臺(tái)。從軟件結(jié)構(gòu)的角度上，Android系統(tǒng)分成4個(gè)層次： Linux操作系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)、本地代碼框架、Java框架和Java應(yīng)用程序。圖2為本系統(tǒng)的軟件架構(gòu)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(shí)現(xiàn)應(yīng)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(luò)傳輸使用多線程和隊(duì)列緩沖機(jī)制來保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和完整性。網(wǎng)絡(luò)使用C/S架構(gòu)，充分發(fā)揮服務(wù)器上的硬件優(yōu)勢(shì)，完成更多監(jiān)護(hù)信息的顯示和分析。

　關(guān)鍵設(shè)計(jì)

　　參數(shù)采集前端

　　前端中的心電模塊使用儀表放大器和運(yùn)放組成兩級(jí)放大電路將微弱心電信號(hào)放大200倍，并在設(shè)計(jì)中加入右腿驅(qū)動(dòng)電路來克服50Hz工頻共模干擾[2]。血氧的測(cè)量是根據(jù)血液中各種血紅蛋白對(duì)血氧探頭發(fā)射的不同特定波長(zhǎng)光吸收程度不同而進(jìn)行的。血壓采用振動(dòng)無創(chuàng)方法測(cè)量，首先充氣袖套阻斷上臂的動(dòng)脈血流，通過檢測(cè)因?yàn)檠毫鹘?jīng)彈性動(dòng)脈而引起袖套內(nèi)壓力的波動(dòng)幅度來識(shí)別動(dòng)脈收縮壓、舒張壓和平均壓[3]。呼吸頻率的測(cè)量共用心電模塊的前端導(dǎo)聯(lián)電極，使用呼吸阻抗法，根據(jù)呼吸時(shí)胸腔張弛，肺阻抗的變化來檢測(cè)人體的呼吸頻率[4]。設(shè)計(jì)中體溫的測(cè)量線路采用惠斯登電橋，將熱敏電阻接在電橋的一個(gè)橋臂上，通過測(cè)量電橋的不平衡輸出，即可測(cè)定體溫的大小。[!--empirenews.page--]

　　高速PCB設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)中采用LPDDR數(shù)據(jù)總線頻率高達(dá)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(hào)的布線等因素，否則容易導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至無法工作。PCB采用6層板設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)中，首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)行分組，再確定布線規(guī)則，如表1所示。

　　監(jiān)護(hù)程序設(shè)計(jì)

　　監(jiān)護(hù)程序需要完成各參數(shù)的采集、接收、顯示、存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?。程序中使用JNI技術(shù)向Java層提供串口的訪問接口，通過文件描述符對(duì)象創(chuàng)建輸入/輸出流進(jìn)行串口通信。為保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和完整性，設(shè)計(jì)采用多線程和雙緩沖機(jī)制。如開啟遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，系統(tǒng)將動(dòng)態(tài)生成一個(gè)線程來完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。波形顯示是界面設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，考慮到數(shù)據(jù)采集、波形繪制時(shí)的頁面刷新和網(wǎng)絡(luò)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(jī)制來實(shí)現(xiàn)，避免屏幕刷新時(shí)閃爍的現(xiàn)象。為了維護(hù)Android的單線程模型，設(shè)計(jì)中使用消息通知機(jī)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(hù)界面如圖3所示。

　　結(jié)語

　　樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，基于OMAP3530雙核處理器設(shè)計(jì)的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)心電、心率、血氧、血壓、呼吸頻率和體溫6個(gè)生命參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳送等功能。該監(jiān)護(hù)儀便于操作、成本低、功耗小、功能強(qiáng)大、便攜等特點(diǎn)使其具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和良好的市場(chǎng)價(jià)值。隨著人們醫(yī)療意識(shí)的提高和醫(yī)療體系的完善，該類型監(jiān)護(hù)儀將會(huì)在個(gè)人醫(yī)療保健、醫(yī)院救護(hù)、野外急救和遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)等場(chǎng)合得到越來越廣泛的應(yīng)用。