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(jì)了一個(gè)新型多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，用于監(jiān)測(cè)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(diǎn)討論了基于小波變換的心電檢測(cè)算法，簡要介紹其他參數(shù)采集模塊.樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，該監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程傳送，正確完成對(duì)各項(xiàng)生命體征參數(shù)的監(jiān)測(cè).

　　在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，采用多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，對(duì)危重病人實(shí)施多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可及時(shí)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(duì)患者病情的分析判斷，及時(shí)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(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.而采用低檔單片機(jī)為核心的便攜式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，功能簡單、運(yùn)算能力差、界面簡陋，只能進(jìn)行簡單的信號(hào)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(hào)(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(jì)了一臺(tái)具有實(shí)時(shí)檢測(cè)、實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)掌握病人的心電、血壓、血氧等信息，以應(yīng)對(duì)患者的病情突發(fā)，又可幫助健康人群隨時(shí)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(jì)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(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)等需要；借助ARM對(duì)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(qiáng)大的運(yùn)算能力可以對(duì)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(jì)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量、分析、報(bào)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(gè)基本生命參數(shù)信號(hào)，數(shù)據(jù)通過串口送到OMAP3530進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)在LCD或電腦顯示器上實(shí)時(shí)顯示各種信號(hào)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(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳送，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)護(hù)，并根據(jù)醫(yī)學(xué)知識(shí)對(duì)各種實(shí)測(cè)信號(hào)設(shè)置報(bào)警閾值，對(duì)異常情況報(bào)警。

　　2　心電監(jiān)測(cè)模塊

　　2·1　硬件電路設(shè)計(jì)

　　圖2是心電采集電路的設(shè)計(jì)框圖.人體心電信號(hào)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(yùn)放OPA2335組成兩級(jí)放大電路，將0·5~106 Hz頻段心電信號(hào)放大200倍.右腿驅(qū)動(dòng)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(jì)的.原理是采用以人體為相加點(diǎn)的共模電壓作并聯(lián)負(fù)反饋，其方法是提取前級(jí)放大電路中的共模電壓，經(jīng)驅(qū)動(dòng)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(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后通過SPI(serial peripheral interface)接口送至OMAP3530進(jìn)行檢測(cè)、推導(dǎo)等相關(guān)算法處理。

　　2·2　心電檢測(cè)算法

　　心電信號(hào)中QRS波群的檢測(cè)是對(duì)心電信號(hào)自動(dòng)分析診斷的前提和基礎(chǔ)，只有在R波標(biāo)定和ST段檢測(cè)后才可計(jì)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(shí)頻分析技術(shù)，能針對(duì)信號(hào)頻率成分進(jìn)行采樣，更好地滿足高頻信號(hào)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(cè)信號(hào)突變，如本文中對(duì)心電信號(hào)R波的檢測(cè).在利用小波變換進(jìn)行心電信號(hào)R波檢測(cè)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(cè)算法的核心是在某一尺度或幾個(gè)尺度內(nèi)搜索小波變換模極大值-極小值對(duì)之間的過零點(diǎn)，如圖3.

　　本文中采用Marr小波變換進(jìn)行R波檢測(cè)，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(hào)的特征點(diǎn)與小波變換的模極大值點(diǎn)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而可通過檢測(cè)模極大值點(diǎn)實(shí)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(shì)：①避免了一次微分小波方法中過零點(diǎn)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(duì)相鄰模極值點(diǎn)的位置及兩者間的斜率，才能間接定位R波，計(jì)算過程繁瑣.二次微分小波只需確定小波變換后信號(hào)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(yùn)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(duì)離散后的心電信號(hào)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(jì)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(hào)分解時(shí)一個(gè)重要問題，嚴(yán)格意義上，應(yīng)采用內(nèi)積方式求解，但計(jì)算過程較復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用中一般不采用.當(dāng)尺度足夠小時(shí)，尺度函數(shù)可近似為一個(gè)δ函數(shù)，因此內(nèi)積可近似認(rèn)為是對(duì)原函數(shù)的采樣.當(dāng)采樣速率大于Nyquist速率時(shí)，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(shí)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(hào)x[n]，其分解過程如圖4.

　　具體檢測(cè)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(duì)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(cè)試.樣本總體為數(shù)據(jù)庫100~148號(hào)文件中共103 891個(gè)標(biāo)準(zhǔn)心博，經(jīng)測(cè)試，累計(jì)漏檢數(shù)71，誤檢數(shù)109，總錯(cuò)檢率為0·17%.經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)中所采用的方法可有效從噪聲干擾中識(shí)別心電信號(hào)中R波位置，且識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)99·83%.完成R波識(shí)別流程后，以R波位置為起始點(diǎn)，向前在長度為0·04 s的區(qū)間中搜索模極小值點(diǎn)位置，以對(duì)Q波定位.對(duì)S波識(shí)別的基本流程與Q波相似，不同點(diǎn)在于對(duì)R波后向檢索，且由于S波延續(xù)時(shí)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(diǎn)是可通過5個(gè)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(gè)電極E (胸骨下部平第5肋間)、A (左腋中線平E點(diǎn)位置)、I (右腋中線平E點(diǎn)位置)、S (胸骨柄)和RL (右腿驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(jì)

　　3·1　血氧飽和度監(jiān)測(cè)模塊

　　SPO2的測(cè)量主要根據(jù)氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對(duì)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(hào)，計(jì)算兩種光強(qiáng)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(hào)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(hào)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(cè)模塊

　　振動(dòng)無創(chuàng)測(cè)量法是采用充氣袖套阻斷上臂動(dòng)脈血流，通過監(jiān)測(cè)因血液流經(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[7].

　　如圖7壓力傳感器MPX5050GP得到的壓力信號(hào)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(jì)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(shí)刻對(duì)應(yīng)的壓力指數(shù).②舒張壓是指振動(dòng)幅度經(jīng)過最大點(diǎn)開始下降，下降變化率最大時(shí)刻對(duì)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(gè)測(cè)量者的實(shí)際測(cè)試結(jié)果，本模塊測(cè)量的平均誤差為0·5 kPa (5 mmHg)，對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0·9 kPa (8 mmHg)，完全符合針對(duì)無創(chuàng)血壓檢驗(yàn)的SP-10國際標(biāo)準(zhǔn)[8].

　　3·3呼吸監(jiān)測(cè)模塊

　　在電路上，呼吸監(jiān)測(cè)模塊與心電檢測(cè)共用胸部監(jiān)護(hù)電極和前置放大器.如圖8，單片機(jī)控制頻率合成芯片AD9833得到62·5 kHz的高頻周期信號(hào)，再經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路得到該頻率的激勵(lì)脈沖[9].將此脈沖施加在人體胸腔上，在測(cè)量電極兩端得到被62·5 kHz脈沖調(diào)制的呼吸信號(hào)，經(jīng)放大、解調(diào)和帶通濾波后，即可得到呼吸信號(hào)的原型[10].將A/D轉(zhuǎn)換后的呼吸信號(hào)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(cè)模塊

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

　　4　關(guān)鍵設(shè)計(jì)及結(jié)果

　　4·1　低功耗設(shè)計(jì)

　　為解決信號(hào)處理時(shí)功耗大的問題，本設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的電壓、頻率與功耗.為實(shí)現(xiàn)電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)整，供電電路的設(shè)計(jì)與一般的嵌入式系統(tǒng)不同，設(shè)計(jì)中采用的電源控制芯片TPS65930對(duì)整機(jī)功耗進(jìn)行管理. TPS65930除了對(duì)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(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，整機(jī)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(jī)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(jì)

　　限于篇幅，僅以心電模塊為例，介紹A/D轉(zhuǎn)電路的設(shè)計(jì).電路圖如圖10，設(shè)計(jì)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(shí)， ADS8325的功耗少于1 mW. ADS8325的兩個(gè)模擬信號(hào)輸入端IN+、IN-形成差分輸入對(duì)，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(jì)對(duì)0·5~106 Hz頻段的心電信號(hào)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(shí)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(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)功能的OMAP3530更適合遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì).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(huì)自動(dòng)查找附近網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn).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(jì)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(jì)

　　借助OMAP的強(qiáng)大性能，本設(shè)計(jì)首次在監(jiān)護(hù)儀中采用Google的Android平臺(tái)進(jìn)行開發(fā). Android是基于Linux的軟件平臺(tái)和操作系統(tǒng)，是一個(gè)真正意義上的開發(fā)性移動(dòng)設(shè)備綜合平臺(tái).

　　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(shí)時(shí)顯示從串行口傳過來的ECG、SPO2、NIBP、R和temp信號(hào)參數(shù).除基本的參數(shù)監(jiān)測(cè)功能外，程序還允許使用者手動(dòng)設(shè)置各參數(shù)的報(bào)警閾值，以滿足不同場(chǎng)合的報(bào)警需要.測(cè)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)護(hù).另外，憑借雙核處理器DSP端強(qiáng)大的運(yùn)算能力，還能以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為藍(lán)本，添加各種復(fù)雜醫(yī)學(xué)診斷算法，實(shí)現(xiàn)診斷自動(dòng)化，這是OMAP3530雙核結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)所在.

　　結(jié)　語

　　本研究基于OMAP3530雙核處理器設(shè)計(jì)的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，可實(shí)現(xiàn)對(duì)ECG、SPO2、NIBP、R和TEMP等生命體征參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程傳送.其操作方便、體積小、成本低、功耗小、功能強(qiáng)大，且便于移動(dòng)，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.

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