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远程心电医疗信号监测系统的设计

发布日期:2021-10-05 16:46浏览次数:
本文摘要:HHCE(HomeHealthCareEngineering)这门学科于是以随着人类对身体健康的推崇和远程医疗的发展而渐渐走出人们的生活,它倡导的是一种“在家就诊,自我保健,远程临床”的理念,把高科技与医疗融合一起。HHCE的经常出现合乎21世纪社会老龄化、医疗费用日益加剧以及人们生活身体健康质量低拒绝的趋势,同时可实现医疗资源共享,提升边远地区的医疗水平,因此具备尤其充沛的生命力。

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HHCE(HomeHealthCareEngineering)这门学科于是以随着人类对身体健康的推崇和远程医疗的发展而渐渐走出人们的生活,它倡导的是一种“在家就诊,自我保健,远程临床”的理念,把高科技与医疗融合一起。HHCE的经常出现合乎21世纪社会老龄化、医疗费用日益加剧以及人们生活身体健康质量低拒绝的趋势,同时可实现医疗资源共享,提升边远地区的医疗水平,因此具备尤其充沛的生命力。HHCE系统获取一种对于家庭、社区医疗、出诊医生有效地便利的医疗监测解决方案,具备心电信号监测功能的监测器是HHCE系统的最重要组成部分。

就国内而言,该类产品的研究也归属于刚刚跟上阶段,远程网络也只是非常简单的已完成数据库医疗数据的存储和传输,还没确实已完成将网络与医疗器械结合。在国际方面,世界各国在此的研究皆投放大量资金,但仍然主要是用于价格昂贵的仪器已完成医疗数据采集,然后相结合PC/internet网络已完成数据采集以及网络临床。本设计使用了Altera公司的NiosⅡ硬核处理器作为CPU,并重制了当今主流的mu;Clinux操作系统。该系统具备系统平稳、便携式、功能可升级拓展、面向用户、远程控制等特点。

一方面,它将家庭保健和远程医疗融合一起,主要面向用户终端设计,使个人需要便利的对自身心电信号的展开自我检测与分析,动态理解自己的身体健康状况;另一方面,收集到的数据还可以通过存储卡存储,以便对数据展开长年分析处置和临床;除此之外,系统还可以通过网络等远端通讯设施与医疗保健服务末端(如医院、私人医师、监护中心、保健中心等)较慢创建相连,将测量数据传送给远程数据库或医生。不利于医疗信息的数据库管理和远程动态监护、临床,使用户不必外出就能获得最及时有效地的临床。2系统讲解远程心电医疗信号监测系统主要由心电信号的前端收集与调理模块、心电信号处理与存储模块、数据表明模块和远程传输掌控模块等4个关键模块构成,系统功能结构如图1右图。该监测系统的硬件平台使用Altera公司CycloneⅡ2C35FPGA芯片,使用SOPC(片上可编程系统)技术将NiosⅡ硬核处理器、存储器、功能模块和拓展I/O口等构建在一块FPGA芯片上,外围拓展心电数据采集板、网络、LCD屏、触摸屏/键盘、SD存储卡等硬件来构建系统的硬件架构,且具有可拓展的I/O模块,便于以后系统功能升级与拓展。

3系统关键模块的设计3.1NiosⅡ嵌入式硬核处理器概述NiosⅡ系列嵌入式处理器是Altera公司发售的软核处理器。用户可以取得多达200DMIPS的性能,而只需花费将近35美分的FPGA逻辑资源。

NiosⅡ反对MicroC/OS-Ⅱ、mu;Clinux等多种实时操作系统,反对轻量级TCP/IP协议栈,容许用户减少自定义指令和自定义硬件加速单元,无缝重制自定义外设和模块逻辑,在性能提高的同时,便利了用户的设计。NiosⅡ处理器使用Avalon交换式总线,该总线是Altera研发的一种专用的内部连线技术。Avalon交换式总线由SOPCBuilder自动分解,是一种用作系统处理器、内部模块以及外设之间的内联总线。

Avalon交换式总线用于最多的逻辑资源来反对数据总线的适配、地址译码、等候周期的产生、外设的地址偏移、中断优先级的登录以及高级的交换式总线传输。3.2心电信号收集调理模块设计对ECG信号收集使用模块化的设计方式,主要由前端的导联传感器、信号滤波缩放调理电路和A/D取样电路构成。人体心电信号的主要频率范围为0.05~100Hz,幅度大约为0~4mV,信号十分黯淡。

同时心电信号中一般来说夹杂有其他生物电信号,加之体外以50Hz工频阻碍居多的电磁场阻碍,使得心电噪声背景较强,测量条件比较复杂。为了不杂讯地检测出有有临床价值的心电信号,信号滤波与缩放调理部分主要由一下几个电路构成:前置缩放电路、强弱通滤波电路、陷波电路与A/D切换电路,电路原理图如图2右图。首先心电导联成收集过来的黯淡心电信号通过前置缩放电路展开缩放,此部分还包括右腿驱动以诱导共模阻碍、屏蔽线驱动以避免引线阻碍,增益重设10倍左右。

设计前置缩放使用美国仿真器件公司生产的医用放大器AD620。AD620由传统的三运算放大器发展而出,为同互为并联差动放大器的构建。

其具备电源范围长(plusmn;2.3~plusmn;18V),设计体积小,功耗较低(仅次于供电电流仅有1.3mA)的特点,因而限于于低电压、低功耗的应用于场合。此外还具备有较高的共模诱导比,温度稳定性好,缩放频带长,噪声系数小等优点。

缩放后的信号经滤波、50Hz陷波处置后再行展开二次缩放,后级增益重设100倍左右。由于ECG信号幅度仅次于就几mV,而A/D切换中输出信号的幅度拒绝在1V以上,所以总增益重设1000倍左右。

其中,滤波使用压控电压源二阶低(较低)通滤波电路,用作避免0.05~100Hz频带以外的肌电等干扰信号,工频中的其余古志谐波也可被滤杀掉。同时,使用有源双T带阻滤波电路更进一步诱导50Hz工频阻碍。

A/D取样芯片使用TI公司的8位串行芯片TLC549,该芯片使用SPI模块,仅有用三条线才可构建收集掌控和数据传输;具备4MHz的片内系统时钟和软、硬件控制电路,切换时间大于17mu;s,取样速率约40kS/s;使用差分基准电压技术这个特性,TLC549有可能测量到的大于量值约1000mV/256,也就是说0~1V信号不经缩放也可以获得8位的分辨率。3.3数据采集控制器设计为了获得经过前端TLC549芯片切换的心电信号,必需设计一个数据采集控制器,构建对AD芯片的掌控与数字化心电数据的提供。该控制器根据TLC549芯片的工作时序与后端数据处理的必须,使用VerilogHDL自行设计。

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该控制器具备多路收集的特点。在自TLC549的I/OCLOCK末端输出8个外部时钟信号期间必须已完成以下工作:读取前次A/D切换结果;对本次切换的输出模拟信号取样并维持;启动本次A/D切换。则一路收集时间为:0.5mu;s×(3+8×2+1)=10mu;s,而芯片切换时间大于17mu;s,则整个过程时间花费为27mu;s。为了有效地的利用该控制器,在一路A/D切换期间,同时展开另外一路A/D取样,这样就可以在40mu;s时间内已完成对四路信号的收集,大大提高了工作效率。

同时,设计中还重新加入了一个FSM信号来掌控取样时间,从而适应环境有所不同频率信号的取样频率。AD芯片的时序建模图如图3右图。

Din为收集数据的串行输出,时钟由系统时钟通过方波系数获得。设计中,设置了fsm作为取样掌控时钟,这样可以根据必须来调整取样速率。由于展开一次AD取样的时间很短,无论使用查找还是中断必要加载都是不现实的,这就必须利用缓冲器设计,通过把N次切换的数据嗣后不存在缓冲存储器中来减少中断次数。

为了获得倒数和准确的收集数据,构建无缝缓冲器,鉴于FPGA设计的灵活性,本设计使用了双缓冲器存储的乒乓操作者结构。


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