摘　要：以美國德州儀器公司最新雙核處理器OMAP3530為核心設(shè)計了一個新型多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，用于監(jiān)測人體心電、血氧飽和度、無創(chuàng)血壓、呼吸及體溫等生命體征參數(shù).重點討論了基于小波變換的心電檢測算法，簡要介紹其他參數(shù)采集模塊.樣機測試結(jié)果表明，該監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能實時監(jiān)測和遠(yuǎn)程傳送，正確完成對各項生命體征參數(shù)的監(jiān)測.

　　在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，采用多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，對危重病人實施多參數(shù)實時監(jiān)測，可及時了解病人的心肺功能及氧合能力等生命體征變化，有利于提高醫(yī)生對患者病情的分析判斷，及時采取有效的護(hù)理或急救措施，降低危重病人的死亡率.

　　傳統(tǒng)基于PC平臺的多參數(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.而采用低檔單片機為核心的便攜式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，功能簡單、運算能力差、界面簡陋，只能進(jìn)行簡單的信號顯示，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

　　本研究以美國德州儀器公司最新的雙核處理器OMAP3530為核心，搭配十二導(dǎo)聯(lián)心電信號(elec-trocardiograph， ECG )采集模塊、血氧飽和度(pulse oxygen saturation， SPO2)采集模塊、無創(chuàng)血壓(non-invasive blood pressure， NIBP)采集模塊、呼吸( respiration， R)采集模塊以及體溫(bodytemperature， TEMP)采集模塊，設(shè)計了一臺具有實時檢測、實時分析和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ艿男滦投鄥?shù)監(jiān)護(hù)儀.該監(jiān)護(hù)儀既可方便醫(yī)生實時掌握病人的心電、血壓、血氧等信息，以應(yīng)對患者的病情突發(fā)，又可幫助健康人群隨時關(guān)注自己的身體狀況.是新一代“數(shù)字醫(yī)療社區(qū)/醫(yī)院”在遠(yuǎn)程醫(yī)療方面的重要發(fā)展方向.

　　1　系統(tǒng)方案

　　本設(shè)計采用的OMAP3530處理器由65 nm低功耗工藝制造，內(nèi)部集成了4倍于當(dāng)前300 MHzARM9器件處理能力的600MHzCortex-A8彈性內(nèi)核和430 MHz的TMS320C64x+TMDSP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)繁重的實時信號處理任務(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.低功耗可以更好地實現(xiàn)監(jiān)護(hù)儀的便攜性，滿足野外救護(hù)等需要；借助ARM對多種操作系統(tǒng)的支持，可以獲得更好的監(jiān)護(hù)界面；利用DSP強大的運算能力可以對生命參數(shù)進(jìn)行各種復(fù)雜算法分析.

　　圖1為系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)采用主控板和采集模塊分開的形式設(shè)計，實現(xiàn)了測量、分析、報警和網(wǎng)絡(luò)通信等功能.通過導(dǎo)聯(lián)端、血氧探頭、袖套和溫度探頭獲得人體的ECG、SPO2、NIBP、R和TEMP 5個基本生命參數(shù)信號，數(shù)據(jù)通過串口送到OMAP3530進(jìn)行實時處理，同時在LCD或電腦顯示器上實時顯示各種信號的波形和數(shù)值.系統(tǒng)還可根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡(luò)傳送，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)護(hù)，并根據(jù)醫(yī)學(xué)知識對各種實測信號設(shè)置報警閾值，對異常情況報警。

　　2　心電監(jiān)測模塊

　　2·1　硬件電路設(shè)計

　　圖2是心電采集電路的設(shè)計框圖.人體心電信號幅度一般僅在0·5~4 mV，必須進(jìn)行放大.本系統(tǒng)使用高輸入阻抗的儀表放大器INA326和高精度運放OPA2335組成兩級放大電路，將0·5~106 Hz頻段心電信號放大200倍.右腿驅(qū)動電路專門為克服50 Hz工頻共模干擾，提高共模抑制比而設(shè)計的.原理是采用以人體為相加點的共模電壓作并聯(lián)負(fù)反饋，其方法是提取前級放大電路中的共模電壓，經(jīng)驅(qū)動電路倒相放大后再加回人體右腿上[2].放大及除噪后的心電信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后通過SPI(serial peripheral interface)接口送至OMAP3530進(jìn)行檢測、推導(dǎo)等相關(guān)算法處理。

　　2·2　心電檢測算法

　　心電信號中QRS波群的檢測是對心電信號自動分析診斷的前提和基礎(chǔ)，只有在R波標(biāo)定和ST段檢測后才可計算心率，并區(qū)分正常和非正常心率[3].相比傳統(tǒng)的濾波器方法，小波變換作為一種較新的時頻分析技術(shù)，能針對信號頻率成分進(jìn)行采樣，更好地滿足高頻信號需高分辨率的要求.正是基于小波變換這種“顯微”特性，使其非常適用于檢測信號突變，如本文中對心電信號R波的檢測.在利用小波變換進(jìn)行心電信號R波檢測的問題上，部分研究者采用一次微分小波作為母函數(shù)，檢測算法的核心是在某一尺度或幾個尺度內(nèi)搜索小波變換模極大值-極小值對之間的過零點，如圖3.

　　本文中采用Marr小波變換進(jìn)行R波檢測，該小波母函數(shù)是高斯函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)，屬于二次微分小波，心電信號的特征點與小波變換的模極大值點存在對應(yīng)關(guān)系，從而可通過檢測模極大值點實現(xiàn)R波的定位[3].相比之下，二次微分小波具有以下優(yōu)勢：①避免了一次微分小波方法中過零點易受干擾的問題，定位精度及穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高.②一次微分小波需首先確定一對相鄰模極值點的位置及兩者間的斜率，才能間接定位R波，計算過程繁瑣.二次微分小波只需確定小波變換后信號的模最大值處即可定位R波，使算法大大簡化。

　　Marr小波母函數(shù)可表達(dá)為

　　通過內(nèi)積運算或查表可得到小波濾波器的系數(shù)h0和h1，之后可以通過Mallat快速算法對離散后的心電信號x[n]進(jìn)行小波分解，j尺度空間的剩余系數(shù)cj，k和小波系數(shù)dj，k可由j-1尺度空間的剩余系數(shù)cj-1，k經(jīng)濾波器系數(shù)h0和h1進(jìn)行加權(quán)求和得到，計算如式(2)[4].

　　同樣，將尺度空間Vj繼續(xù)分解，可得任意尺度空間的剩余系數(shù)和小波系數(shù).

　　如何獲得初始輸入序列cj-1，k是利用Mallat快速算法進(jìn)行信號分解時一個重要問題，嚴(yán)格意義上，應(yīng)采用內(nèi)積方式求解，但計算過程較復(fù)雜，實際應(yīng)用中一般不采用.當(dāng)尺度足夠小時，尺度函數(shù)可近似為一個δ函數(shù)，因此內(nèi)積可近似認(rèn)為是對原函數(shù)的采樣.當(dāng)采樣速率大于Nyquist速率時，采樣數(shù)據(jù)在該尺度上可以很好地近似原始函數(shù)，而不需要任何小波系數(shù)描述該尺度上的細(xì)節(jié)[4].因此在大多數(shù)實際應(yīng)用中，常常直接用f(t)的采樣序列f [k]近似作為c0，k.本研究中， c0，k就是A/D轉(zhuǎn)換后的離散心電信號x[n]，其分解過程如圖4.

　　具體檢測方法為：在小波變換尺度4上，分等長區(qū)間分別求模極大值，再對這組模極大值求均值，將該均值1/2作為閾值，就可求出過閾值的連續(xù)區(qū)間中極大值為R波的相應(yīng)位置.

　　為檢查算法的有效性，采用國際通用的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫進(jìn)行測試.樣本總體為數(shù)據(jù)庫100~148號文件中共103 891個標(biāo)準(zhǔn)心博，經(jīng)測試，累計漏檢數(shù)71，誤檢數(shù)109，總錯檢率為0·17%.經(jīng)實驗證明，系統(tǒng)中所采用的方法可有效從噪聲干擾中識別心電信號中R波位置，且識別準(zhǔn)確率達(dá)99·83%.完成R波識別流程后，以R波位置為起始點，向前在長度為0·04 s的區(qū)間中搜索模極小值點位置，以對Q波定位.對S波識別的基本流程與Q波相似，不同點在于對R波后向檢索，且由于S波延續(xù)時間較Q波長，搜索區(qū)間長度為0·06 s.

　　2·3　十二導(dǎo)聯(lián)推導(dǎo)算法

　　EASI十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)是臨床醫(yī)學(xué)診斷中常用的心電導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng). EASI心電圖是一種衍生的十二導(dǎo)聯(lián)心電圖，最大優(yōu)點是可通過5個心電電極產(chǎn)生3路雙極導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)，并推導(dǎo)出極近似標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)的心電數(shù)據(jù).此導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)由5個電極E (胸骨下部平第5肋間)、A (左腋中線平E點位置)、I (右腋中線平E點位置)、S (胸骨柄)和RL (右腿驅(qū)動電極，一般置右腹)組成[5].電極貼放位置如圖5.

　　EASI十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)能通過式(3)，轉(zhuǎn)化后得出十二導(dǎo)聯(lián)心電信息.

　　其中，A-I、E-S、A-S為3路雙極導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)，能分別反映心電向量在冠狀面、矢狀面和額狀面的心電變化；a、b、c為經(jīng)大樣本研究后得出的精確相關(guān)系數(shù)[5].大量臨床研究證實，通過EASI十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)獲得的心電圖非常接近標(biāo)準(zhǔn)的十二導(dǎo)聯(lián)心電圖.

　　3　其他模塊設(shè)計

　　3·1　血氧飽和度監(jiān)測模塊

　　SPO2的測量主要根據(jù)氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對不同波長的光吸收程度不同而進(jìn)行的.血氧探頭使用兩種特定波長的光透過人手指上部，用硅光電池接收透射光而產(chǎn)生電信號，計算兩種光強的交直流分量之比，通過式(4)可求SPO2.

　　其中，a、b為常數(shù)； AC660和AC925分別是兩路透射光的交流成分； DC660和DC925分別是兩路透射光信號的直流成分[6].

　　本監(jiān)護(hù)儀采用RST002DA血氧探頭，加上脈沖控制電路、信號放大電路和雙T陷波器電路組成血氧模塊，如圖6.

　　3·2無創(chuàng)血壓監(jiān)測模塊

　　振動無創(chuàng)測量法是采用充氣袖套阻斷上臂動脈血流，通過監(jiān)測因血液流經(jīng)彈性動脈而引起袖套內(nèi)壓力的波動幅度來識別動脈收縮壓、舒張壓和平均壓[7].

　　如圖7壓力傳感器MPX5050GP得到的壓力信號經(jīng)高低兩路濾波器和放大器后，送入A/D轉(zhuǎn)換器，得到數(shù)字化后的壓力信息.

　　在OMAP3530端，得到壓力數(shù)據(jù)后，可根據(jù)以下算法計算收縮壓、舒張壓和平均壓[7].其中①收縮壓是指放氣過程中，振幅由小到大，上升變化率最大時刻對應(yīng)的壓力指數(shù).②舒張壓是指振動幅度經(jīng)過最大點開始下降，下降變化率最大時刻對應(yīng)的壓力指數(shù).③平均壓是指(收縮壓+2舒張壓) /3.

　　根據(jù)20個測量者的實際測試結(jié)果，本模塊測量的平均誤差為0·5 kPa (5 mmHg)，對比的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0·9 kPa (8 mmHg)，完全符合針對無創(chuàng)血壓檢驗的SP-10國際標(biāo)準(zhǔn)[8].

　　3·3呼吸監(jiān)測模塊

　　在電路上，呼吸監(jiān)測模塊與心電檢測共用胸部監(jiān)護(hù)電極和前置放大器.如圖8，單片機控制頻率合成芯片AD9833得到62·5 kHz的高頻周期信號，再經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路得到該頻率的激勵脈沖[9].將此脈沖施加在人體胸腔上，在測量電極兩端得到被62·5 kHz脈沖調(diào)制的呼吸信號，經(jīng)放大、解調(diào)和帶通濾波后，即可得到呼吸信號的原型[10].將A/D轉(zhuǎn)換后的呼吸信號送入OMAP3530中作進(jìn)一步處理就可獲相關(guān)呼吸數(shù)據(jù).

　　3·4　體溫監(jiān)測模塊

　　監(jiān)護(hù)用的體溫測量多數(shù)用熱敏電阻作為傳感器.如圖9，體溫以測量線路是惠斯登電橋，將熱敏電阻表在電橋的一個橋壁上，通過測量電橋的不平衡輸出，測定體溫大小.

　　4　關(guān)鍵設(shè)計及結(jié)果

　　4·1　低功耗設(shè)計

　　為解決信號處理時功耗大的問題，本設(shè)計采用最新的SmartReflexTM技術(shù)，可根據(jù)設(shè)備的工作情況、工作模式、工藝技術(shù)及溫度變化等因素實時動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的電壓、頻率與功耗.為實現(xiàn)電壓的動態(tài)調(diào)整，供電電路的設(shè)計與一般的嵌入式系統(tǒng)不同，設(shè)計中采用的電源控制芯片TPS65930對整機功耗進(jìn)行管理. TPS65930除了對主芯片和外圍電路的供電外，還通過I2C總線與OMAP3530進(jìn)行電壓控制信息的交換.

　　根據(jù)直流分析儀N6705A的10次實際測量數(shù)據(jù)，整機在休眠狀態(tài)下平均功耗為0·103W，其中主控板的功耗為0·042 W；在單參數(shù)監(jiān)護(hù)狀態(tài)下，整機平均功耗為0·6~1·2 W；在所有采集模塊一起工作的情況下，平均功耗為3·2W.

　　4·2　A /D電路設(shè)計

　　限于篇幅，僅以心電模塊為例，介紹A/D轉(zhuǎn)電路的設(shè)計.電路圖如圖10，設(shè)計采用的ADS8325是德州儀器一款16 b精度，超低功耗的A/D換芯片，在采樣率低于10 kHz時， ADS8325的功耗少于1 mW. ADS8325的兩個模擬信號輸入端IN+、IN-形成差分輸入對，公用模式腳REF用來設(shè)置共用輸入電壓. ADS8325的工作參考電壓為2·5 V，較低的電壓可以降低信噪比.

　　本設(shè)計對0·5~106 Hz頻段的心電信號進(jìn)行采樣，根據(jù)Nyquist速率，采樣頻率設(shè)為250 Hz， 16b采樣. ADS8325的參考電平由外部提供，通過SPI串行口與OMAP3530通信.

　　4·3　網(wǎng)絡(luò)電路

　　網(wǎng)絡(luò)接入電路是實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的物理層基礎(chǔ).相比其他微處理器， OMAP3530支持WIFI (wirelessfidelity)、GSM (global system formobile communica-tions)、無線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)4種網(wǎng)絡(luò)接入方式，具有強大網(wǎng)絡(luò)功能的OMAP3530更適合遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計.如圖11，本監(jiān)護(hù)儀支持USB無線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)兩種接入方式.

　　無線網(wǎng)卡必須符合IEEE 802·11g標(biāo)準(zhǔn)，連接到USB OTG (on-the-go)主從復(fù)合口，系統(tǒng)會自動查找附近網(wǎng)絡(luò)接入點.監(jiān)護(hù)儀還提供了10/100 M以太網(wǎng)接口. DM9000A內(nèi)置10/100 M以太網(wǎng)模塊，兼容IEEE 802·3標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，網(wǎng)線接口為標(biāo)準(zhǔn)的RJ45.設(shè)計中需注意DM9000的端口電壓為3·3V，與OMAP3530的不同，必須進(jìn)行傳輸匹配.

　　4·4　監(jiān)護(hù)程序設(shè)計

　　借助OMAP的強大性能，本設(shè)計首次在監(jiān)護(hù)儀中采用Google的Android平臺進(jìn)行開發(fā). Android是基于Linux的軟件平臺和操作系統(tǒng)，是一個真正意義上的開發(fā)性移動設(shè)備綜合平臺.

　　監(jiān)護(hù)程序基于Android SDK (software develop-mentkit) 1·6，在IBM的Eclipse 3·3中采用Java語言開發(fā).監(jiān)護(hù)界面如圖12，程序能分別以波形和數(shù)據(jù)形式實時顯示從串行口傳過來的ECG、SPO2、NIBP、R和temp信號參數(shù).除基本的參數(shù)監(jiān)測功能外，程序還允許使用者手動設(shè)置各參數(shù)的報警閾值，以滿足不同場合的報警需要.測量數(shù)據(jù)可通過程序打包成XML (extensiblemarkup language)格式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳送，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)護(hù).另外，憑借雙核處理器DSP端強大的運算能力，還能以實時監(jiān)測數(shù)據(jù)為藍(lán)本，添加各種復(fù)雜醫(yī)學(xué)診斷算法，實現(xiàn)診斷自動化，這是OMAP3530雙核結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢所在.

　　結(jié)　語

　　本研究基于OMAP3530雙核處理器設(shè)計的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，可實現(xiàn)對ECG、SPO2、NIBP、R和TEMP等生命體征參數(shù)的實時監(jiān)測與遠(yuǎn)程傳送.其操作方便、體積小、成本低、功耗小、功能強大，且便于移動，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)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(hù)儀將會在個人醫(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)等場合得到越來越廣泛的應(yīng)用.

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　　基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(60872125， 60901016)；美國德州儀器公司創(chuàng)新基金資助項目

　　作者簡介：曾啟明(1984-)，男(漢族)，廣東省清遠(yuǎn)市人，深圳大學(xué)博士研究生.

　　通訊作者：紀(jì)　震(1973-)，男(漢族)，深圳大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師.