健康监护仪设计与实现研究_基于BF533DSP处理器

蒋程鹏(1989-),男,本科生。华中科技大学控制系智能机器人研究所,已发表学术论文四篇,与导师合作完成国家863项目一项。研究领域为机器人技术、自动化技术。收稿日期:2009-10-21

健康监护仪设计与实现研究———基于BF533DSP 处理器

蒋程鹏

(华中科技大学　控制科学与工程系,湖北武汉430074)

〔中图分类号〕TP249 〔文献标识码〕B 〔文章编号〕1002-2376(2010)01-0041-05

〔摘　要〕本智能健康监护仪以BF533型DSP 为平台,采用ADI 的高性能模拟器件,可对多项人体生理参数(体温、心电、血氧饱和度)进行采集和分析,从中得到关于用户健康状况的信息。同时,本系统还可通过多种接口(US B 接口,UART 接口,声卡Line 2in 接口)将信息传送至PC ,并可通过蓝牙模块将信息发送至手机等移动式设备。本系统较好地利用了DSP 处理器的资源,发挥了其嵌入式计算的能力,扩展性强、便携、易用,在航空航天、社区医疗、运动训练、个人保健等方面有较好的发展前景。 〔关键词〕红外体温测量;血氧饱和度测量;心电分析;蓝牙通信

0　引言

近年来,随着人们越来越关注健康问题,健康

监护也成为一个重要的课题。开发一种既能满足普通人群在户外对身体健康状况监护的需求,又使用方便、功能强大的健康监护仪具有较大的实用价值。

在本系统中我们选择了三种基本生理参数———体温、心电、血氧饱和度为测量对象。人体生理参数采集涉及大量数据的传送和存储,对这些数据进行实时分析又需要数字滤波、频谱分析、波形识别等各种算法,而ADI 公司的BF533DSP 具有强大的嵌入式计算能力和丰富的内部资源,可实现多种复杂算法,并能和嵌入式操作系统相结合,非常适合本系统的开发。

在市场上,本系统具有较大的潜力。随着人们健康意识的提高,多功能、实时性强的医疗电子仪器将会受到更多的关注。较之传统的监护设备,本系统中的一些功能,如心电自动分析、多接口、蓝牙通信等无疑提高了其使用价值。此外,在运动训练、户外活动等方面,本系统凭借其便携、智能和易用等特点,具有较大的发展空间。

国内邹焱飚、陈轶炜、陈环、王建国、张迪、王惠中、焦建华和马进明等以及国外的一些学者在这个领域均作了深入研究。本文拟探讨基于BF533DSP 处理器的智能健康监护仪的设计和实现。1　系统架构111　功能描述

本系统使用ADI 公司的BF533DSP 处理器和多种高性能模拟器件,对三种重要的人体生理参数———体温、心电、血氧饱和度信号进行采集,然后结合部分基本的临床诊断方法,依靠DSP 强大的计算能力,在嵌入式系统内完成对这些生理参数的分析,得出对用户健康状况的初步评价。同时,使用LC D 进行心电波形、所测参数指标、参数变化曲线的显示,并将测量和分析的结果存入S D 卡,可进行回放。为了增强系统的可扩展性,还为系统设置了多种接口(US B 、UART 以及声卡Line in )以便与PC 进行数据交换。此外,通过蓝牙模块,可将所测参数和分析结果发送至手机等移动设备,便于用户灵活处理。

本系统旨在实现一个由嵌入式设备完成的生理参数采集、分析系统,为用户提供一个便携、易用、低成本的了解自身健康状况的平台,将部分固定在医院内的医疗设备完成的功能扩展到居民小区、运动与康复训练场所甚至偏远地区,将一些基本的医疗诊断方法以程序的方式实现,并将诊断结果以图形和数字的形式向使用者报告。

112　总体方案

本系统由血氧饱和度/心电/红外温度传感器、模拟信号处理部分、数字信号处理部分、数据通信部分、语音告警及LC D显示、上位机虚拟仪器模块六部分组成,除完成对血氧饱和度、体温、心电进行检测监护外,还有语音告警、蓝牙传输、数据存储等功能。要实现上述的设计,需要一款功能强大,外设接口丰富,并能实现信号快速实时处理的嵌入式处理器。基于以上考虑,ADI公司BF533型DSP处理器能很好地满足要求。同时,其提供的BF533SSK开发平台使设计更易于实现。

113　系统结构

智能健康监护仪通过前端传感器获得血氧饱和度、体温、心电等信号。前端电路则包括传感器的驱动、放大、滤波电路、A/D转换等。数字处理部分以BF533作为处理器,对信号进行分析处理,另外配置了蓝牙模块进行数据的无线传输。数据经分析后,可通过开发平台上的相关模块进行语音播报及LC D显示。若生理指标不正常,将进行相关处理。此外,系统还可通过声卡Line-in接口将采集到的原始信号传输给PC,在上位机的虚拟仪器中更逼真地呈现给用户,上位机虚拟仪器用LabVIEW 软件来实现。系统结构框图见图1。

软件部分我们还设计了工作模式选择画面,提供多功能模式、单功能模式、待机节能模式等。根据选择模式的不同,进行不同的操作。为更好地实现软件的功能,我们还在BF533处理器中移植嵌入式操作系统(uC Linux)。其任务调度功能、方便的接口和实时处理能力可以使系统运行得更加稳定。2　关键模块设计

211　体温模块设计

红外温度传感器利用热电耦的原理,测量目标物与传感器或环境温度之间的差值。本设计采用GE公司生产的ZTP135S-R型传感器。传感器将被测物的辐射能经过窗口和光阑聚焦在接收元件(热电堆)的受热片上,受热片上有60只串连的热电耦,每只热电耦的热端在受热片的中央部位围成一圈,焊接在一起,从引线出来后就可得到所有电耦的热电势之和。它的输出电压具有线性度。其内阻为60kΩ±30%,敏感度:65V/W±30%,探测灵敏度为114×108cmH z/W。只要设计合理的处理电路即可保证测量的准确。

体温测量模块由传感器、放大电路、滤波电路、AD转换器组成。其中放大电路和滤波电路的设计对测量的准确性影响较大。由于热电堆的内阻较高(60K),而输出电压较小(1mV),故应使用具有较高输入阻抗(>1012)的C M OS输入运算放大器。本设计采用低功耗精密运放OP07,具有超

图1　系统结构框图

低失调(最大150mV )、低输入偏置电流(118nA )、高精度,线性度好等特征,有利于提高测量的精确度。

212　血氧饱和度模块设计

血氧饱和度即血液氧含量(SaO 2),是血液中氧合血红蛋白(HbO 2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb )容量的百分比。这里采用的是脉搏血氧测定法(Pulse Oximetry ),其原理是检测血液对光吸收量的变化,测量氧合血红蛋白(HbO 2)占全部血红蛋白(Hb )的百分比,从而直接求得SaO 2;其优点是做到对人体连续无损伤测量,且操

作简单。其中,血氧传感器由发光器件和接收器件组成:发光器件是由波长660nm (650nm )红光发射管和波长940nm (910nm )红外光发射管组成;光敏接收器件采用接收面积大,灵敏度高,暗电流小,噪声低的PI N 型光敏二极管,将光信号转成电信号。

血氧饱和度测量模块由发射器、光测接收探两头、仪用差分放大电路、滤波电路、程控放大电路、AD 转换器以及驱动电路组成。接收探头对红光和红外光的采样使用分时采样的方法。由于这个信号的采样时刻非常近,并考虑到增强电缆的可靠性,因此在设计红光和红外光的连接方式时采用红光和红外光反向并联的方式。213　心电模块设计

人体心电是一种有规律并且复杂的微弱信号,幅度一般在10μV ～5mV 之间,频率在0105～100H z 之间,外界干扰对其影响很大,故需要使用具有高增益放大、高共模抑制比特性的电路进行处理。另一方面,不同个体的心电数据有共同特征,故可以结合目前医学领域的研究成果编制分析程序。依靠BF533DSP 强大的数据处理能力,可以完成各种复杂的数字信号处理算法,实现心电信号不同成分的识别、特征点选取等功能。

心电信号处理模块由传感器、放大电路、带通滤波器、工频滤波器以及AD 转换器组成。在本设计中初步采用单导联的心电测量。首先完成对弱信号的放大,使用仪用放大器和右腿驱动电路抑制共模干扰,之后由高增益精密放大器将微弱的心电信号放大至C M OS 电平

,再经带通滤波器和50H z 陷

波电路进行滤波。

心电分析也是本模块的关键。典型心电波形见图2,可以看到,一个周期的心电波形具有多种成

分。其中又以代表左右两心室去极化过程电位变化

的QRS 波群为主要信息的载体,其包含三个紧密相连的波,波形和幅度变化较大。心电分析的关键是心电参数的提取和波形识别,其中又以QRS 波群的检测为首要问题,之后才能进一步计算各类对临床诊断有用的波形的幅度、宽度、波间期、形态和功率密度等参数值,再结合一些临床诊断规则得出结论。心电分析的具体算法将在下文进行讨论。

图2　典型心电波形

图3　自适应数字滤波原理图

214　心电分析算法

自适应滤波法:为了进一步消除干扰(如工频

干扰、电极接触不良的干扰、肌电干扰等)以提取心电的有效成分,需要对采集到的信号进行数字滤波。这里采用具有线性相位的FIR 滤波器,以尽可能减小对原始信号的影响。自适应滤波的方法能自动跟踪频率的漂移和幅度变化,具有很好的适应性,其原理框图见图3。通过自适应滤波器调整输出Y (n ),可以在最小均方误差方面得到对主输入噪声N (n )的一个最佳估计,将此估计值和主输入通道的值相减,可以较好地消除主输入通道的噪声,并尽量保存原始心电信号中的有用成分。

基线漂移消除法:基线漂移可以由抛物线三点插值的方法消除。只需以静息期的电位(如R -R 间隔的中点)为基准,分段拟合出基线漂移曲线,最后和原信号相减即可。

差分阈值法:目前QRS波检测的算法有多种(差分阈值法、模板匹配法、小波变换法等)。为了提高系统实时性,本系统采用了处理速度较快的差分阈值法。其大致流程如下:将数据刚开始的一段时间可用来获取多个自学习阈值。检测过程中,对每个心电数据做前向差分,如果有连续三点的差分值均大于第一个阈值,就引入第二个和第三个阈值,做相同的运算,如果有相同的结果,则可认为出现了R波范围内的点。R波确定后,就以其波峰值点为中心,分别向前后寻找Q点和S点。找到QRS波群之后,即可进一步计算R-R间期、R-S 间期等参数,通过这些参数判断是否发生心律不齐。

215　通信模块及接口模块

US B接口:SSK-BF533开发平台有US B H OST 和US B OTG两种接口模式可选。US B H OST接口可直接读写US B接口设备;US B OTG接口还可作外设与PC连接通讯。用户可将检测到的人体生理参数以及波形直接存至U盘,或者将DSP与PC机通过US B接口互联通信以进一步分析和处理数据。

UART接口:利用SSK-BF533开发平台集成的UART接口可实现DSP与PC的通信,将数据传送至PC,并在创建的虚拟仪器界面上显示,便于通过计算机进一步分析处理数据。

声卡接口:较之昂贵的专用数据采集卡,PC 机的声卡是一个很好的双通道数据采集设备,具备A/D和D/A转换功能,可完成数据采集任务。基于此原理,可将传感器输出接至声卡Line In端口,模拟信号经过左右声道A/D转换进入PC,并在LabVIEW编写的虚拟仪器界面上实时显示。

蓝牙通信:蓝牙技术适用于近距离无线通信,这里把作为外部扩展的蓝牙模块与SSK-BF533开发平台连接,DSP检测并处理完信号后将数据直接传送至蓝牙模块,经过蓝牙芯片处理后的数据被无线发送。若用户的手机开启蓝牙接收功能,则可收到数据。

3　结论

综上所述,本系统基于BF533DSP处理器的健康监护仪具有以下特点:

(1)使用嵌入式设备完成人体生理参数的分析。目前基于PC机的人体生理参数分析系统不便于移动,限制了使用范围。本系统移动性强,可携带到各种场所并完成基本的生理参数检测和分析。

(2)设置了与PC机的接口以增强可扩展性。系统可通过US B和串口传送数据至PC,也可通过Line in接口将模拟信号经声卡直接传送至PC,配合虚拟仪器分析并显示数据。

(3)采用非接触式红外体温测量仪采集人体体温信息,方便、快捷,并设计了补偿电路,提高了测量装置的可靠性和准确性。

(4)使用透射式血氧传感器采集血氧饱和度,可配合指套式脉搏传感器采集脉搏信息,方便用户使用,实现自动监护。

(5)内置心电自动分析程序,除了完成心电波形的显示外,还能通过对心电数据的分析了解使用者的心血管健康状况。

(6)通过蓝牙模块将测试数据发送到手机等移动设备,便于用户实时处理及远程监护。

从总体的设计目标上看,该设计科学可行,有很大的市场潜力和发展空间,并且可发挥DSP处理器的强大功能,充分利用资源,是一个值得投入的项目。最终的目标是构建一个嵌入式的人体健康监护平台,把一个“健康顾问”带给更广泛的人群。预期能达到的最终效果主要有:

(1)实时便携。能快速采集人体生理参数并进行分析处理,并能在各种不同的场合进行工作。

(2)准确可靠。采集和分析的结果可靠性强,有重要的参考价值。

(3)使用便捷。操作流程简单,可与PC交换数据,也可将数据发送至手机等移动设备实现灵活通讯,供用户远程监护并及时处理。

(4)界面友好。使用TFT液晶屏显示,产品外形美观。

(5)方便老人。本系统所采用的监护方式可以由智能健康住宅系统来实现,大大减少老年人所需的普通病房监护所带来的高昂的治疗费用。

相信凭借着ADI出色的器件和功能强大的开发平台,在前人诸多研究的基础上,本研究的构想一定可以进一步优化并实现。

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收稿日期:2009-09-29

关于HIS 与医保系统之间接口的认识

巩　蕾,王伟伟

(济南市第三人民医院　信息中心,山东济南250101)

〔中图分类号〕TP39 〔文献标识码〕B 〔文章编号〕1002-2376(2010)01-0045-02

〔摘　要〕本文主要根据自己的认识讨论一下HIS 与医保系统之间接口的连接问题。 〔关键词〕医保;HIS;接口;连接

随着城镇职工基本医疗保险、新型农村合作医

疗、城镇居民基本医疗保险和省直机关事业单位职工基本医疗保险等各种医疗保险的广泛普及,如何使医院的HIS 系统能符合医疗保险的规定,将两者有机结合起来,实现HIS 系统与医保系统的资源共享,对医院非常重要。而在实现两系统间资源共享的同时,如何保证各自系统数据的完整性、安全性、系统维护的独立性等也是需要特别加以注意的。1　医保系统与HIS 系统连接的重要性

医疗保险信息系统(医保系统)是一个独立于医院信息管理系统(HIS 系统),侧重医疗费用核算的系统。医疗保险管理部门要通过医保系统监督参保患者的医疗消费情况,采集其需要审核的医疗消费数据。医保系统一般包括两个部分:医保管理部门的核心数据库和定点医疗机构的医保结算系统。因为定点医疗机构的医保结算系统一般都是基于HIS 系统的,为了使参保人员账户信息及其他相

关数据在医保系统的两个部分能够实现数据的实时同步,医保系统和HIS 系统的接口连接就成为尤为重要的一个环节。2　医保系统与HIS 系统接口的基本要求211　保证两系统间关于参保患者的账户信息等数据必须达到准确、完整、同步。212　保证参保职工的医疗费用在医院可以进行医保刷卡结算。213　保证不影响HIS 系统对普通病人的费用结算。214　保证医保管理中心可对定点医疗机构提供的服务项目和收费情况进行实时监督。3　医保系统与HIS 系统接口方案的制定

医疗保险政策能否顺利实施,涉及到参保患者、参保单位、医疗保险经办机构、医疗机构等多个方面,但在实施过程中最重要的一个环节就是医保系统和HIS 系统的衔接问题,即两系统的接口方案。

因为必须要满足医保管理部门的要求,使HIS 系统中关于医疗保险的部分与医保系统相匹配,实现医保相关数据的实时传送,所以原则上是HIS 系统需要向医保系统靠拢,但是大部分医院的HIS 系

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Study on the design and implementation of I ntelligent H ealth Monitor

———B ase on BF533DSP processor

J I ANG,Cheng -peng

(Department of C ontrol Science and Engineering ,Huazhong Univ 1of Sci 1&T ech 1,Wuhan ,430074,China )

Abstract :By using the high -performance analog devices of ADI based on the DSP of SSK-BF533,this intelligent health m onitor can acquire several physiological parameters then display the in formation about the health status of users as feedback 1At the same time ,this sys 2tem can transmit the original signal or the processed data to computer through a variety of interface and human physiological parameters can be sent to other m obile devices via Bluetooth if needed 1This system will have potential market in the future 1

K ey w ords :In frared animal heat measure ;Blood oxygen saturation meterage ;Cardio -analyze ;Bluetooth communications