喻曉+夏澎

摘要：便攜式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備是現(xiàn)代化醫(yī)院、社區(qū)、家庭不可缺少的醫(yī)療設(shè)備。在分析總結(jié)傳統(tǒng)心電監(jiān)護(hù)原理及方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于嵌入式Linux的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。所研究系統(tǒng)具有體積小、可攜帶、成本低、監(jiān)護(hù)準(zhǔn)確、效率高等特點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)直觀、可靠、準(zhǔn)確、有效的心電監(jiān)護(hù)，保證了監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)的完整性。

關(guān)鍵詞：嵌入式Linux；心電監(jiān)護(hù)；Qtopia Core

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 章編號(hào)：1009-3044（2016）25-0220-04

1 背景

心電監(jiān)護(hù)設(shè)備能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)病人的心電參數(shù)，方便醫(yī)生及時(shí)和準(zhǔn)確的診斷，因此在醫(yī)療設(shè)備中占有很重要的地位。傳統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備盡管可以對(duì)危重病人進(jìn)行長(zhǎng)期持續(xù)的心電監(jiān)護(hù)，但由于其本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不方便移動(dòng)，使得多數(shù)非住院患者，特別是早期癥狀輕微的患者不能得到及時(shí)準(zhǔn)確的診斷，從而延誤診斷和治療的機(jī)會(huì)[1]。所以，開(kāi)發(fā)智能化、數(shù)字化、可攜帶的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備有著很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

目前國(guó)內(nèi)外心電監(jiān)護(hù)儀器中，大多數(shù)使用電腦配備心電采集卡的方式或單片機(jī)配備心電采集電路的方式。不方便攜帶的設(shè)備、低效率的保養(yǎng)、測(cè)量準(zhǔn)確度不夠等，都是普遍存在的問(wèn)題[2]。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于嵌入式Linux平臺(tái)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)、多任務(wù)并準(zhǔn)確地進(jìn)行心電監(jiān)護(hù)。該系統(tǒng)利用嵌入式Linux系統(tǒng)和心電監(jiān)護(hù)相結(jié)合，有效減少設(shè)備本身體積，更加便于攜帶的同時(shí)還有效地實(shí)現(xiàn)了心電監(jiān)護(hù)的功能，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要需實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，報(bào)警等功能。本文設(shè)計(jì)的嵌入式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。主要有六大功能模塊，分別是嵌入式平臺(tái)控制模塊、心電采集模塊、心電數(shù)據(jù)顯示模塊，系統(tǒng)輸入模塊、QRS波檢測(cè)算法模塊和心電數(shù)據(jù)打印模塊。

本系統(tǒng)的工作原理為：通過(guò)心電電極從人體體表采集心電信號(hào)，經(jīng)心電放大器，電平抬升電路將數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM內(nèi)核的嵌入式核心控制平臺(tái)，由ARM內(nèi)置的 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換然后，由控制平臺(tái)將數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、QRS波群檢測(cè)、心率計(jì)算及心律失常分析，最后在LCD液晶屏上顯示波形和分析結(jié)果，并打印測(cè)試結(jié)果或者通過(guò)串口網(wǎng)口電路將數(shù)據(jù)發(fā)送。

整個(gè)嵌入式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分為嵌入式處理器、心電采集模塊、心電顯示模塊和心電數(shù)據(jù)打印模塊的設(shè)計(jì)。軟件部分主要為移植操作系統(tǒng)、設(shè)計(jì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、開(kāi)發(fā)心電信號(hào)采集處理程序以及設(shè)計(jì)GUI界面等。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)，圖2為整個(gè)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。其中S3C2410X 微處理器、存儲(chǔ)器（SDRAM、NAND FLASH、NOR FLASH），網(wǎng)口、串口，USB接口、電源復(fù)位電路、JTAG接口均由SBC2410開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供。

由于Linux系統(tǒng)可以通過(guò)內(nèi)核配置USB驅(qū)動(dòng)，因此系統(tǒng)采用可以即插即用的USB接口鼠標(biāo)和鍵盤作為輸入工具，方便操作。

系統(tǒng)采用5V電源為核心板供電，12V電源給液晶屏供電。這些電壓由單獨(dú)的電源模塊提供。

3.1 嵌入式處理器

嵌入式處理器通常把傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，使得嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)有利于小型化，并同時(shí)具備高效率、高可靠性等特征。在目前市場(chǎng)上流通的一千多種嵌入式處理器芯片中，使用最廣泛的當(dāng)屬ARM系列芯片。ARM公司是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，其設(shè)計(jì)生產(chǎn)的ARM處理器具有高性能、低耗能以及穩(wěn)定性等眾多優(yōu)點(diǎn)[3]，因此是當(dāng)今設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的首選。

本系統(tǒng)是借助廣州友善之臂科技有限公司的 S3C2410開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。它是一款基于ARM9處理器S3C2410芯片的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)引出了CPU的大部分信號(hào)引腳，同時(shí)較完整地集成了各種設(shè)備接口，便于用戶二次開(kāi)發(fā)[4]。

3.2 心電采集模塊

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和心電信號(hào)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了心電數(shù)據(jù)采集模塊，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其原理為：由專用的心電電極采集心電信號(hào)后將其送入前置放大器初步放大后，送入帶通濾波器進(jìn)行干擾信號(hào)的過(guò)濾，濾波后的信號(hào)通過(guò)主放大器再次進(jìn)行放大后，利用50HZ和35HZ兩種陷波器分別進(jìn)行工頻和肌電干擾信號(hào)的過(guò)濾，最后將心電信號(hào)送入S3C2410里的A/D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行高精度的A/D轉(zhuǎn)換。

3.3 心電顯示模塊

目前便攜式設(shè)備最常使用的顯示設(shè)備一般為L(zhǎng)CD液晶顯示器，其優(yōu)點(diǎn)在于顯示精度高同時(shí)還節(jié)能省電。本系統(tǒng)采用一款日本三菱公司生產(chǎn)的型號(hào)為AA084VC03的TFT-LCD彩色液晶屏作為心電顯示模塊，屏幕大小為640×480。

3.4心電數(shù)據(jù)打印模塊

目前微型打印機(jī)一般有三種類型：針式、筆式和熱式。其中，熱式打印機(jī)可以說(shuō)是物美價(jià)廉，在保證打印質(zhì)量的同時(shí)，還具備低耗節(jié)能、結(jié)構(gòu)輕巧等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是最適合作為嵌入式系統(tǒng)的打印設(shè)備[5]。

本模塊使用行式熱敏打印機(jī)LTP1245，其打印機(jī)控制板的硬件總體框圖如圖4所示。

在本設(shè)計(jì)中，熱敏打印電路與SBC2410開(kāi)發(fā)平臺(tái)通過(guò)串口方式進(jìn)行連接通訊，打印機(jī)的通訊協(xié)議和漢字字庫(kù)已固化在打印機(jī)電路之中，通過(guò)與ARM9控制平臺(tái)交互調(diào)試，該模塊已達(dá)到設(shè)計(jì)目的，其打印速度可達(dá)50毫米/秒，打印效果良好。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)主要工作為：移植操作系統(tǒng)；設(shè)計(jì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；開(kāi)發(fā)心電數(shù)據(jù)采集、顯示和心電波形檢測(cè)算法等應(yīng)用程序。軟件層次如圖5所示：

4.1 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)搭建

操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理，進(jìn)程調(diào)度等，整個(gè)系統(tǒng)軟件都建立在操作系統(tǒng)之上。因此，需要選擇適合應(yīng)用的操作系統(tǒng)。

與當(dāng)前市場(chǎng)上其他的嵌入式操作系統(tǒng)如pSOS或winCE相比，Linux操作系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)就是源代碼開(kāi)放及免費(fèi)，而且還具備良好的可移植性、完善的網(wǎng)絡(luò)功能以及功能強(qiáng)大的編譯器等。因此，本系統(tǒng)選用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

4.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件設(shè)備之間的接口。其作為系統(tǒng)的底層，對(duì)上層應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)起到了基礎(chǔ)性的作用。

4.2.1 LCD液晶屏模塊驅(qū)動(dòng)

S3C2410的LCD控制器用于傳輸視頻數(shù)據(jù)和產(chǎn)生必要的控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)有：VF-RAME、VLINE、VCLK、VM等，視頻數(shù)據(jù)端口是VD[23：0]。LCD控制器由REGBANK、LCDCDMA、VIDPRCS和LPC3600組成[6]。

本系統(tǒng)中，LCD驅(qū)動(dòng)程序的主要編寫步驟為：

1）定義RGB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)RGB值的變化確定顯示顏色；

2）設(shè)置LCD寄存器；

3）通過(guò)靜態(tài)編譯配置內(nèi)核，生成支持系統(tǒng)硬件的新內(nèi)核。

4.2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC驅(qū)動(dòng)

本系統(tǒng)使用A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)轉(zhuǎn)換采集到的模擬心電信號(hào)，所以在編寫應(yīng)用程序之前必須首先編寫和加載ADC驅(qū)動(dòng)程序。

A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)程序的工作流程如圖6所示，主要包括A/D轉(zhuǎn)換器的打開(kāi)、進(jìn)行轉(zhuǎn)換并讀取結(jié)果/關(guān)閉轉(zhuǎn)換器等。

在本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，A/D驅(qū)動(dòng)程序采用動(dòng)態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核。首先用arm-linux-gcc對(duì)A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行交叉編譯，得到.ko文件，用insmod 命令將其加載到內(nèi)核里去，這樣系統(tǒng)就支持A/D采集了。

4.2.3 USB驅(qū)動(dòng)

本系統(tǒng)在進(jìn)行更新以及維護(hù)時(shí)，通常是通過(guò)USB接口進(jìn)行傳輸程序的，因此也必須進(jìn)行USB驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)。USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序包括主機(jī)端設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[7]。

在本系統(tǒng)中，USB驅(qū)動(dòng)采取靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核。為了能夠使系統(tǒng)掛載上U盤，還必須進(jìn)行U盤支持的配置，同樣在內(nèi)核配置界面里配置。因?yàn)橐猆盤用到了SCSI 命令，所以先增加SCSI 支持。

本系統(tǒng)因?yàn)檫€要用到QT GUI 界面，為了能夠支持USB鼠標(biāo)，還得進(jìn)行USB鼠標(biāo)配置。配置如下：

Device Drivers --->

[*] HID Devices --->

USB HID Boot Protocol drivers --->

<*>USB HIDBP Keyboard （simple Boot） support

<*> USB HIDBP Mouse （simple Boot） support

保存→退出

將內(nèi)核燒入目標(biāo)板，重啟系統(tǒng)，重啟后的系統(tǒng)就有USB驅(qū)動(dòng)，并且支持U盤掛載和USB鼠標(biāo)了，這樣，通過(guò)Qt設(shè)計(jì)出來(lái)的界面就可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊了。

4.2.4 SD卡驅(qū)動(dòng)

根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，提供了SD卡存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)，因此，要進(jìn)行SD卡驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。S3C2410芯片中已經(jīng)集成了一個(gè)SD卡主機(jī)控制器，用于訪問(wèn)SD卡。Linux系統(tǒng)本身并不支持S3C2410的SD控制器，必須往內(nèi)核中移植驅(qū)動(dòng)程序 [8]。

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，移植SD控制器驅(qū)動(dòng)程序分為3個(gè)步驟：打補(bǔ)丁、增加SD平臺(tái)設(shè)備、修改主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序以指定原理圖中的中斷。

1）給內(nèi)核打補(bǔ)丁

內(nèi)核中要增加對(duì)S3C2410的MMC/SD/SDIO控制器的支持，需要添加相應(yīng)的程序代碼。從官方網(wǎng)站（http：//svn.openmoko.org/branches/src/target/kernel/2.6.14.x/patches）下載補(bǔ)丁包，然后修改/drivers/mmc/host /Kconfig文件用以向內(nèi)核增加驅(qū)動(dòng)編譯選項(xiàng)，最后再修改同目錄下的Makefile文件添加編譯文件。

2）增加SD平臺(tái)設(shè)備

由于內(nèi)核本身不支持SD控制器，因此需要在s3cmci.c文件中添加相應(yīng)的代碼以支持SD平臺(tái)設(shè)備，與其他大多數(shù)硬件驅(qū)動(dòng)一樣，首先要初始化設(shè)備，向內(nèi)核注冊(cè)該設(shè)備。在s3cmci.c中有個(gè)s3cmci_init（）函數(shù)，它是該文件的入口函數(shù)，用來(lái)向內(nèi)核注冊(cè)添加不同平臺(tái)驅(qū)動(dòng)。在此函數(shù)向內(nèi)核注冊(cè)的同時(shí)會(huì)調(diào)用s3cmci_driver_2410結(jié)構(gòu)函數(shù)，這個(gè)結(jié)構(gòu)中的成員是SD卡驅(qū)動(dòng)的核心函數(shù)，包含了許多文件操作接口函數(shù)，內(nèi)核便是通過(guò)它來(lái)訪問(wèn)這些操作接口函數(shù)的，其中包含了設(shè)備探測(cè)、設(shè)備的注銷和掛起等函數(shù)。

3） 指定中斷資源

根據(jù)開(kāi)發(fā)板的硬件原理，nCD中斷信號(hào)線與S3C2410處理器的GPG8引腳相連，所以在drivers/mmc/host/s3cmci.c文件中，只要在s3cmci_def_pdata結(jié)構(gòu)體中修改gpio_detect成員即可。

經(jīng)過(guò)修改后，就可以進(jìn)行編譯了。SD卡驅(qū)動(dòng)是通過(guò)靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核的，因此在內(nèi)核配置界面進(jìn)行配置后重啟系統(tǒng)，系統(tǒng)就能夠支持SD卡掛載了。

4.2.5 網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)

在本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)用程序是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)cifs拷貝到目標(biāo)板上運(yùn)行的，并且本系統(tǒng)在將來(lái)的擴(kuò)展功能中，將要增加遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)心電監(jiān)護(hù)功能，因此，必須為本系統(tǒng)配備網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序。

本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板采用了一款針對(duì)嵌入式應(yīng)用的低成本局域以太網(wǎng)控制器CS8900A。該網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在都是采用直接移植的方法。從網(wǎng)上下載cs8900.c和cs8900.h文件，把它們放到/drivers/net/arm/，接著只要對(duì)一些文件做一些修改，進(jìn)行移植就可以了。

4.3 GUI應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

Qtopia Core是挪威Trolltech公司發(fā)布的一款基于嵌入式Linux的面向單一應(yīng)用的嵌入式產(chǎn)品的Qt開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它的前身是Qt/Embedded（常簡(jiǎn)稱為Qt/E）。Qt是一種C++跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)工具，具有一次編程，多平臺(tái)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)[9]。因此，本文采用GUI開(kāi)發(fā)軟件Qtopia Core設(shè)計(jì)了操作簡(jiǎn)單、人機(jī)友好的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)界面，該人機(jī)交互界面可實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、分析、存儲(chǔ)以及傳輸?shù)裙δ堋?/p>

根據(jù)對(duì)便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的需求分析，可以將該系統(tǒng)分為五個(gè)功能模塊，其結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。分別是主控模塊、參數(shù)設(shè)置定模塊、實(shí)時(shí)任務(wù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和傳輸通信模塊。各功能模塊在各自獨(dú)立完成系統(tǒng)所分配任務(wù)的同時(shí)又通過(guò)系統(tǒng)的框架協(xié)議進(jìn)行聯(lián)系。

5 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果

為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)階段，采用模擬心電信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生各種心電信號(hào)，用本系統(tǒng)進(jìn)行采集。

開(kāi)機(jī)后，進(jìn)入心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主界面，點(diǎn)擊監(jiān)護(hù)界面上的“啟動(dòng)監(jiān)護(hù)”鍵，并打開(kāi)模擬心電發(fā)生器，設(shè)置心率為79次/分鐘，幅度為1mv， 系統(tǒng)開(kāi)始采集心電信號(hào)并在監(jiān)護(hù)界面上顯示心電波形和心電信號(hào)的特征參數(shù)，此時(shí)顯示心率為79次/分，并顯示心率正常。如圖8所示。

改變模擬心電發(fā)生器上的心電心率的頻率，設(shè)置為40次/分鐘，查看心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)護(hù)界面，此時(shí)，心率欄顯示40次/分，并在分析結(jié)果欄顯示心率過(guò)慢。如圖9所示。

接著再次改變模擬心電發(fā)生器上的心電心率的頻率，設(shè)置為144次/分鐘，觀察監(jiān)護(hù)界面波形的變化情況，此時(shí)心率顯示142次/分，并顯示心率過(guò)快。如圖10所示。

按照上面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10次，得到10組心電率數(shù)據(jù)，如表1所示。將監(jiān)護(hù)系統(tǒng)上顯示的心率與模擬心電發(fā)生器的心率進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)檢測(cè)得到的心率與產(chǎn)生的心率基本一致。

同時(shí)，還對(duì)本系統(tǒng)的其他功能進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)能夠正常設(shè)置各種參數(shù)，能夠進(jìn)行正常存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、報(bào)警、凍結(jié)、解凍當(dāng)前心電界面，并且能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定，準(zhǔn)確的進(jìn)行監(jiān)護(hù)。通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求，能夠進(jìn)行正常，可靠的顯示心電波形，從實(shí)驗(yàn)的效果看，該系統(tǒng)工作性能良好，運(yùn)行穩(wěn)定。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文中心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，是通過(guò)采集模擬心電發(fā)生器產(chǎn)生的心電信號(hào)來(lái)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性，有一定的實(shí)用價(jià)值，而且適應(yīng)性較好，易于推廣應(yīng)用。

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