基于ARM9处理器的家用远程医疗监护终端
时间：11-10
来源：互联网
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远程医疗是网络科技与医疗技术相结合的产物，随着我国经济的发展、科技的进步以及进入老龄化社会的需要，发展远程医疗已成为一种必然趋势。远程医疗从使用对象上可分为:面向医院的远程医疗系统和面向家庭的远程医疗系统。面向家庭的远程医疗系统的功能包括:远程“看医生”、远程监护、远程医学信息查询 /咨询等。
国外的远程家庭医疗更加注重远程“看医生”，个人/ 患者在家中就可与医生进行实时语音、图像信息交流,可实现在线检测人体生理信号并给出诊断。这种系统是以视频会议系统为核心，但目前还难以在我国普及，原因一是该系统的价格太贵，一般家庭承受不起;原因二是受到通信信道带宽的限制，国外一般使用综合业务数字网(ISDN)，而我国现在普及到家庭的是普通电话系统(POTS)，尽管通过这也可实现双向视频传输，但在图像分辨率、每秒传输图像桢数等方面，难以达到远程医疗的要求。作为远程医疗的重要内容之一的远程监护，其传输的只是人体生理信号，其所需的通信速度通过普通电话线就可以满足。因此，考虑到我国互联网用户呈逐年增长趋势，发展远程监护更加符合我国国情。
系统结构与功能
系统采用B/S(Browser/Server，浏览器/服务器)模式设计，使用该模式的最大好处是减少开发工作量、运行维护比较简便。将B/S模式引入嵌入式网络设计，改变了过去需要同时开发上位机和下位机软硬件的做法，现在只需要在下位机(服务器端)的嵌入式设备中集成一个微型服务器，利用 HTML(超文本标记语言)设计网页模块，就可在上位机(浏览器端)使用IE等浏览器接收和解析此模板，从而为用户提供一个视觉效果好、操作方便的工作界面。
首先基于ARM9处理器S3C2410A和嵌入式Linux操作系统，设计出支持嵌入式Web Server的开发平台，再通过移植嵌入式Web Server—boa，配合数据采集和处理等模块，构造一套适用于家庭的便携式远程医疗监护终端。在监护终端，利用生物电引导电极采用标准三导联方式将人体心电信号拾取出，经导联线传输到信号调理模块，经该模块的滤波、放大后得到初级的生物电信号，再经由S3C2410自带的ADC引脚送入Web服务器模块，心电信号在此模块中经过各种运算分析后得到反映心脏特征的信号， LCD上实时的显示心电波形和病人的个人信息，同时将心电信号存储于片外Flash ROM中，终端通过以太网口接入以太网，以实现与监控中心的远程交互。系统框图如图1所示。
图1 系统框图
硬件电路设计
信号调理电路模块
心电信号的检测是属于强噪声背景下的微弱信号检测，信号具有微弱、低频、高阻抗、不稳定和随机等特点。此信号的主要频率范围为0.05~100Hz, 幅值范围为0.5~5mV。微弱的心电信号还受到多种干扰，其特征被淹没在复杂的信号之中。又由于生物电引导电极在拾取人体电信号时与人体接触会产生极化电压。因此，为了满足检测要求，信号调理电路必须要较好的抑制各种干扰、不失真的放大心电信号。本设计中，信号调理电路模块主要包括前端电路、信号放大电路和陷波电路。电路框图如图2。
图2 信号调理电路框图
前端电路
前端电路作为信号调理电路的第一级，其功能主要是为了抑制环境中的干扰噪声、提高前置放大器的共模抑制能力。缓冲放大器一般采用电压跟随器实现，其缓冲隔离作用减小了生物信号源对放大器的过高要求，提高了电路的输入阻抗，减少心电信号衰减和匹配失真。使用屏蔽层驱动电路可以较好的去除导联线屏蔽层分布电容的不等量衰减造成对放大器总CMRR(共模抑制比)的影响。由于人体本身可通过各种渠道从环境中拾取工频50Hz交流电压，在心电测量中形成交流共模干扰，这种干扰常在几伏以上，采用右腿驱动电路后能够使50Hz共模干扰电压降到1%以下。电路图如图3。
图3 前端电路
信号放大电路
信号放大电路采用两级放大，如图4，差动放大U805为前置级，同相放大U809构成第二级。根据心电信号检测的特点，通常要求放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围的性能。前置放大器的输入电阻一般要求>2兆欧，输入电阻越大，因电极接触电阻不同而引起的波形失真越小，共模抑制比就越高。由于极化电压的存在, 为防止前置放大器工作于饱和或截止区，前置级的增益不能太高,实验表明放大10倍左右效果较好。因此选用仪表放大器MAX4196，该芯片可采用单电源供电，其功耗最低达到8mA，共模抑制比为115dB，输入偏移电压为50mV，-3dB带宽可达250kHz，输入阻抗为1000MW，增益固定为 10(V/V)。
图4 两极放大和滤波电路
前置放大器部分总的共模抑制比为：
公式
其中：
公式放大器闭环差模增益，Ac：共模增益，CMRRD：运放本身的值;CMRRR：外电路电阻匹配精度限定的CMRR，d：电阻精度。因此在电路中，要精确匹配外电路电阻R812=R813，以使共模输出变得更小。
主放大器采用MAX4197(特性与MAX4196一样)，其增益固定为100(V/V)。信号调理电路的总放大倍数为1000倍。在图4中，电容C805具有去除极化电压功能，并与电阻R820构成高通滤波电路，用于抑制直流漂移和放大器通带外的低频噪声。
国外的远程家庭医疗更加注重远程“看医生”，个人/ 患者在家中就可与医生进行实时语音、图像信息交流,可实现在线检测人体生理信号并给出诊断。这种系统是以视频会议系统为核心，但目前还难以在我国普及，原因一是该系统的价格太贵，一般家庭承受不起;原因二是受到通信信道带宽的限制，国外一般使用综合业务数字网(ISDN)，而我国现在普及到家庭的是普通电话系统(POTS)，尽管通过这也可实现双向视频传输，但在图像分辨率、每秒传输图像桢数等方面，难以达到远程医疗的要求。作为远程医疗的重要内容之一的远程监护，其传输的只是人体生理信号，其所需的通信速度通过普通电话线就可以满足。因此，考虑到我国互联网用户呈逐年增长趋势，发展远程监护更加符合我国国情。
系统结构与功能
系统采用B/S(Browser/Server，浏览器/服务器)模式设计，使用该模式的最大好处是减少开发工作量、运行维护比较简便。将B/S模式引入嵌入式网络设计，改变了过去需要同时开发上位机和下位机软硬件的做法，现在只需要在下位机(服务器端)的嵌入式设备中集成一个微型服务器，利用 HTML(超文本标记语言)设计网页模块，就可在上位机(浏览器端)使用IE等浏览器接收和解析此模板，从而为用户提供一个视觉效果好、操作方便的工作界面。
首先基于ARM9处理器S3C2410A和嵌入式Linux操作系统，设计出支持嵌入式Web Server的开发平台，再通过移植嵌入式Web Server—boa，配合数据采集和处理等模块，构造一套适用于家庭的便携式远程医疗监护终端。在监护终端，利用生物电引导电极采用标准三导联方式将人体心电信号拾取出，经导联线传输到信号调理模块，经该模块的滤波、放大后得到初级的生物电信号，再经由S3C2410自带的ADC引脚送入Web服务器模块，心电信号在此模块中经过各种运算分析后得到反映心脏特征的信号， LCD上实时的显示心电波形和病人的个人信息，同时将心电信号存储于片外Flash ROM中，终端通过以太网口接入以太网，以实现与监控中心的远程交互。系统框图如图1所示。
图1 系统框图
硬件电路设计
信号调理电路模块
心电信号的检测是属于强噪声背景下的微弱信号检测，信号具有微弱、低频、高阻抗、不稳定和随机等特点。此信号的主要频率范围为0.05~100Hz, 幅值范围为0.5~5mV。微弱的心电信号还受到多种干扰，其特征被淹没在复杂的信号之中。又由于生物电引导电极在拾取人体电信号时与人体接触会产生极化电压。因此，为了满足检测要求，信号调理电路必须要较好的抑制各种干扰、不失真的放大心电信号。本设计中，信号调理电路模块主要包括前端电路、信号放大电路和陷波电路。电路框图如图2。
图2 信号调理电路框图
前端电路
前端电路作为信号调理电路的第一级，其功能主要是为了抑制环境中的干扰噪声、提高前置放大器的共模抑制能力。缓冲放大器一般采用电压跟随器实现，其缓冲隔离作用减小了生物信号源对放大器的过高要求，提高了电路的输入阻抗，减少心电信号衰减和匹配失真。使用屏蔽层驱动电路可以较好的去除导联线屏蔽层分布电容的不等量衰减造成对放大器总CMRR(共模抑制比)的影响。由于人体本身可通过各种渠道从环境中拾取工频50Hz交流电压，在心电测量中形成交流共模干扰，这种干扰常在几伏以上，采用右腿驱动电路后能够使50Hz共模干扰电压降到1%以下。电路图如图3。
图3 前端电路
信号放大电路
信号放大电路采用两级放大，如图4，差动放大U805为前置级，同相放大U809构成第二级。根据心电信号检测的特点，通常要求放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围的性能。前置放大器的输入电阻一般要求>2兆欧，输入电阻越大，因电极接触电阻不同而引起的波形失真越小，共模抑制比就越高。由于极化电压的存在, 为防止前置放大器工作于饱和或截止区，前置级的增益不能太高,实验表明放大10倍左右效果较好。因此选用仪表放大器MAX4196，该芯片可采用单电源供电，其功耗最低达到8mA，共模抑制比为115dB，输入偏移电压为50mV，-3dB带宽可达250kHz，输入阻抗为1000MW，增益固定为 10(V/V)。
图4 两极放大和滤波电路
前置放大器部分总的共模抑制比为：
公式
其中：
公式放大器闭环差模增益，Ac：共模增益，CMRRD：运放本身的值;CMRRR：外电路电阻匹配精度限定的CMRR，d：电阻精度。因此在电路中，要精确匹配外电路电阻R812=R813，以使共模输出变得更小。
主放大器采用MAX4197(特性与MAX4196一样)，其增益固定为100(V/V)。信号调理电路的总放大倍数为1000倍。在图4中，电容C805具有去除极化电压功能，并与电阻R820构成高通滤波电路，用于抑制直流漂移和放大器通带外的低频噪声。