遠(yuǎn)程家庭心電監(jiān)護(hù)終端

摘要： 設(shè)計(jì)了一種新型的低成本的家用遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)終端，該終端采用B/S模式設(shè)計(jì)，基于ARM9處理器S3C2410和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，通過移植嵌入式Web服務(wù)器---boa，再配合信號(hào)采集處理等模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生理信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、處理、存儲(chǔ)和顯示以及遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程醫(yī)療；S3C2410；Linux

　　遠(yuǎn)程醫(yī)療是網(wǎng)絡(luò)科技與醫(yī)療技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及進(jìn)入老齡化社會(huì)的需要，發(fā)展遠(yuǎn)程醫(yī)療已成為一種必然趨勢(shì)。遠(yuǎn)程醫(yī)療從使用對(duì)象上可分為:面向醫(yī)院的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)和面向家庭的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)。面向家庭的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的功能包括:遠(yuǎn)程“看醫(yī)生”、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)信息查詢/咨詢等。

　　國外的遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療更加注重遠(yuǎn)程“看醫(yī)生”，個(gè)人/ 患者在家中就可與醫(yī)生進(jìn)行實(shí)時(shí)語音、圖像信息交流,可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)人體生理信號(hào)并給出診斷。這種系統(tǒng)是以視頻會(huì)議系統(tǒng)為核心，但目前還難以在我國普及，原因一是該系統(tǒng)的價(jià)格太貴，一般家庭承受不起；原因二是受到通信信道帶寬的限制，國外一般使用綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)，而我國現(xiàn)在普及到家庭的是普通電話系統(tǒng)(POTS)，盡管通過這也可實(shí)現(xiàn)雙向視頻傳輸，但在圖像分辨率、每秒傳輸圖像楨數(shù)等方面，難以達(dá)到遠(yuǎn)程醫(yī)療的要求。作為遠(yuǎn)程醫(yī)療的重要內(nèi)容之一的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，其傳輸?shù)闹皇侨梭w生理信號(hào)，其所需的通信速度通過普通電話線就可以滿足。因此，考慮到我國互聯(lián)網(wǎng)用戶呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，發(fā)展遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)更加符合我國國情。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

　　系統(tǒng)采用B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器)模式設(shè)計(jì)，使用該模式的最大好處是減少開發(fā)工作量、運(yùn)行維護(hù)比較簡(jiǎn)便。將B/S模式引入嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，改變了過去需要同時(shí)開發(fā)上位機(jī)和下位機(jī)軟硬件的做法，現(xiàn)在只需要在下位機(jī)(服務(wù)器端)的嵌入式設(shè)備中集成一個(gè)微型服務(wù)器，利用HTML(超文本標(biāo)記語言)設(shè)計(jì)網(wǎng)頁模塊，就可在上位機(jī)(瀏覽器端)使用IE等瀏覽器接收和解析此模板，從而為用戶提供一個(gè)視覺效果好、操作方便的工作界面。

　　首先基于ARM9處理器S3C2410A和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出支持嵌入式Web Server的開發(fā)平臺(tái)，再通過移植嵌入式Web Server—boa，配合數(shù)據(jù)采集和處理等模塊，構(gòu)造一套適用于家庭的便攜式遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)終端。在監(jiān)護(hù)終端，利用生物電引導(dǎo)電極采用標(biāo)準(zhǔn)三導(dǎo)聯(lián)方式將人體心電信號(hào)拾取出，經(jīng)導(dǎo)聯(lián)線傳輸?shù)叫盘?hào)調(diào)理模塊，經(jīng)該模塊的濾波、放大后得到初級(jí)的生物電信號(hào)，再經(jīng)由S3C2410自帶的ADC引腳送入Web服務(wù)器模塊，心電信號(hào)在此模塊中經(jīng)過各種運(yùn)算分析后得到反映心臟特征的信號(hào)， LCD上實(shí)時(shí)的顯示心電波形和病人的個(gè)人信息，同時(shí)將心電信號(hào)存儲(chǔ)于片外Flash ROM中，終端通過以太網(wǎng)口接入以太網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程交互。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)框圖

硬件電路設(shè)計(jì)

　　信號(hào)調(diào)理電路模塊

　　心電信號(hào)的檢測(cè)是屬于強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號(hào)檢測(cè)，信號(hào)具有微弱、低頻、高阻抗、不穩(wěn)定和隨機(jī)等特點(diǎn)。此信號(hào)的主要頻率范圍為0.05~100Hz, 幅值范圍為0.5~5mV。微弱的心電信號(hào)還受到多種干擾，其特征被淹沒在復(fù)雜的信號(hào)之中。又由于生物電引導(dǎo)電極在拾取人體電信號(hào)時(shí)與人體接觸會(huì)產(chǎn)生極化電壓。因此，為了滿足檢測(cè)要求，信號(hào)調(diào)理電路必須要較好的抑制各種干擾、不失真的放大心電信號(hào)。本設(shè)計(jì)中，信號(hào)調(diào)理電路模塊主要包括前端電路、信號(hào)放大電路和陷波電路。電路框圖如圖2。

圖2  信號(hào)調(diào)理電路框圖

　　前端電路
　　前端電路作為信號(hào)調(diào)理電路的第一級(jí)，其功能主要是為了抑制環(huán)境中的干擾噪聲、提高前置放大器的共模抑制能力。緩沖放大器一般采用電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)，其緩沖隔離作用減小了生物信號(hào)源對(duì)放大器的過高要求，提高了電路的輸入阻抗，減少心電信號(hào)衰減和匹配失真。使用屏蔽層驅(qū)動(dòng)電路可以較好的去除導(dǎo)聯(lián)線屏蔽層分布電容的不等量衰減造成對(duì)放大器總CMRR(共模抑制比)的影響。由于人體本身可通過各種渠道從環(huán)境中拾取工頻50Hz交流電壓，在心電測(cè)量中形成交流共模干擾，這種干擾常在幾伏以上，采用右腿驅(qū)動(dòng)電路后能夠使50Hz共模干擾電壓降到1%以下 。電路圖如圖3。

圖3  前端電路

　　信號(hào)放大電路
　　信號(hào)放大電路采用兩級(jí)放大，如圖4，差動(dòng)放大U805為前置級(jí)，同相放大U809構(gòu)成第二級(jí)。根據(jù)心電信號(hào)檢測(cè)的特點(diǎn)，通常要求放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍的性能。前置放大器的輸入電阻一般要求＞2兆歐，輸入電阻越大，因電極接觸電阻不同而引起的波形失真越小，共模抑制比就越高。由于極化電壓的存在, 為防止前置放大器工作于飽和或截止區(qū)，前置級(jí)的增益不能太高,實(shí)驗(yàn)表明放大10倍左右效果較好。因此選用儀表放大器MAX4196，該芯片可采用單電源供電，其功耗最低達(dá)到8mA，共模抑制比為115dB，輸入偏移電壓為50mV，-3dB帶寬可達(dá)250kHz，輸入阻抗為1000MW，增益固定為10(V/V)。

　　前置放大器部分總的共模抑制比為：

　　其中：放大器閉環(huán)差模增益，Ac：共模增益，CMRRD：運(yùn)放本身的值；CMRRR：外電路電阻匹配精度限定的CMRR，d：電阻精度。因此在電路中，要精確匹配外電路電阻R812=R813，以使共模輸出變得更小。

　　主放大器采用MAX4197(特性與MAX4196一樣)，其增益固定為100(V/V)。信號(hào)調(diào)理電路的總放大倍數(shù)為1000倍。在圖4中，電容C805具有去除極化電壓功能，并與電阻R820構(gòu)成高通濾波電路，用于抑制直流漂移和放大器通帶外的低頻噪聲。

圖4  兩極放大和濾波電路

　　陷波電路
　　工頻干擾是心電信號(hào)的主要干擾，雖然前端電路和前置放大器已對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，但有部分工頻于擾是以差模信號(hào)進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號(hào)頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因數(shù)，前級(jí)電路輸出的心電信號(hào)仍然存在較強(qiáng)的工頻干擾，因此必須將其濾除。本設(shè)計(jì)采用的是無限增益多路反饋型二階陷波器，電路如圖5。

圖5  陷波電路