摘  要： 研究了一種基于SoPC的體外反搏控制系統(tǒng)，通過SoPC技術(shù)將數(shù)據(jù)采集控制模塊,、中央處理器,、VGA控制器等單元集成到一塊FPGA芯片上，該系統(tǒng)具有性能高,、抗干擾性強(qiáng),、可重構(gòu)、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn),。同時(shí)采用了數(shù)字信號處理和硬件電路相結(jié)合的方法進(jìn)行基線矯正和自動增益調(diào)節(jié),，提高系統(tǒng)的適用性。系統(tǒng)很好地完成了對體外反搏裝置的控制,，同時(shí)也推進(jìn)了體外反搏系統(tǒng)向微型化,、家庭化的方向發(fā)展。
關(guān)鍵詞： 體外反搏,；SoPC,；小波分析；心電信號

    體外反搏器是一種無創(chuàng)傷的體外輔助循環(huán)裝置,，在增強(qiáng)心,、腦等器官的血液供應(yīng)，促進(jìn)缺血組織器官側(cè)支循環(huán)的建立以及消除疲勞等方面具有顯著的功效[1],。SoPC(System on a Programmable Chip)技術(shù)結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)和FPGA的優(yōu)點(diǎn),，為高性能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新的實(shí)現(xiàn)方法,，它具有電路體積小、易編程,、運(yùn)行速度快,、穩(wěn)定性高、軟件設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn),，在醫(yī)療器械開發(fā)中有廣泛的應(yīng)用前景,。采用SoPC技術(shù)設(shè)計(jì)體外反搏器的控制系統(tǒng)能使整個(gè)系統(tǒng)在性能、抗干擾,、重構(gòu)性和擴(kuò)展性等方面都得到顯著改善,，同時(shí)也促進(jìn)了體外反搏器向微型化、家庭化的方向發(fā)展,。
1 體外反搏的醫(yī)學(xué)機(jī)理及實(shí)現(xiàn)
    心臟的供血主要在心臟的舒張期內(nèi)完成,。如果在心臟舒張期內(nèi)人為增高動脈血壓，就會增加心臟的供血——這就是體外反搏最基本的醫(yī)學(xué)機(jī)理[2],。
    體外反搏系統(tǒng)是一種無創(chuàng)傷機(jī)械輔助循環(huán)裝置,，它是一種應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的氣壓驅(qū)動系統(tǒng)。作為一種用于防治心腦血管疾病的醫(yī)療設(shè)備,，它通過先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件控制包裹于人體下半身的氣囊,，在心臟舒張期序貫式地加壓，使下半身的血液驅(qū)返至主動脈,，使舒張壓明顯增高,，大量血液向心腦、腎,、五官灌注,，為心臟增加血流，同時(shí)降低主動脈收縮壓,，減輕心臟的阻力負(fù)荷及心肌耗氧量[3],。
    心臟舒張期產(chǎn)生時(shí)間的檢測十分重要，其中檢測心電信號是最直接的方法,。如圖1所示,，典型的心電信號主要由P波、QRS波群,、T波等組成,。P波對應(yīng)于心房收縮開始，P-Q期間代表心房收縮開始至心室收縮開始的時(shí)間,，T波反映心室舒張期開始,。由于T波幅值小、不易檢測，QRS波幅值大,、斜率大,，本設(shè)計(jì)通過QRS波來識別心臟的舒張期[4]。當(dāng)檢測到QRS波后,，系統(tǒng)延時(shí)Q-T間期,，便對氣囊依次充氣；當(dāng)充氣時(shí)間到了設(shè)定時(shí)間時(shí),，便控制氣囊放氣,；反搏控制系統(tǒng)會根據(jù)不斷檢測到的心電周期計(jì)算出Q-T間期，并自動調(diào)節(jié)反搏參數(shù),，從而保證反搏時(shí)序能自動跟蹤心電信號的變換,。

2 體外反搏控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
    體外反搏控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由信號采集檢測部分,、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成,。在信號檢測回路中，利用作用在人體表面的電極直接檢測皮膚表面兩點(diǎn)間的電位差,，從而得到心電信號,，另一路是利用一種光電傳感器檢測脈搏血流狀況，判斷反搏效果,。以SoPC為核心的片上系統(tǒng)的功能是對采集的心電信號進(jìn)行處理,，以控制包裹在人體下肢及臀部上的氣囊，使之按反搏要求充放氣,，同時(shí)還需要協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分的動作。執(zhí)行部分有氣泵,、儲氣箱,、電磁閥、氣路和氣囊[5],。通過控制器對電磁閥的控制,，對氣囊進(jìn)行充放氣，從而實(shí)現(xiàn)對人體動脈的序貫式反搏,。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    體外反搏控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包括心電信號采集及預(yù)處理模塊,、SoPC和電磁閥驅(qū)動模塊。其中SoPC又包括心電信號處理及識別模塊和顯示模塊等,。從人體體表拾取的心電信號很微弱,，一般只有0.05 mV～5 mV。在測量中,，對于如此微弱的信號,，采集之前必須進(jìn)行預(yù)處理。心電信號采集及預(yù)處理模塊的功能就是對心電信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯螅V除干擾信號,。其中主要的干擾是基線漂移,、工頻干擾和肌電干擾。由呼吸引起的基線漂移信號的頻率一般低于1 Hz,，是十分緩變的信號,；工頻干擾是由人體分布電容引起的，頻率固定為50 Hz,；肌電干擾頻率一般在5 Hz～2 kHz之間,，表現(xiàn)為不規(guī)則的雜波形式。
    SoPC主控制器是本系統(tǒng)的重點(diǎn),，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊,、抑制基線漂移控制模塊、小波算法模塊,、NiosⅡ模塊和VGA顯示控制模塊等,。數(shù)據(jù)采集模塊的功能是產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換芯片的控制信號，并將A/D轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)據(jù)變成并行數(shù)據(jù),，隨后產(chǎn)生相應(yīng)的中斷信號,，以提示NiosⅡ采集數(shù)據(jù)有效；抑制基線漂移控制模塊的功能是將采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動求均值,，并由求得的均值判斷是否基線漂移,，如果漂移了則產(chǎn)生控制信號控制基線漂移抑制電路進(jìn)行調(diào)節(jié)；小波算法模塊的功能是根據(jù)Mallat小波算法進(jìn)行多尺度小波分解,，從而得到多尺度上的細(xì)節(jié)信號,；NiosⅡ模塊的功能是協(xié)調(diào)各部分的運(yùn)行，計(jì)算出檢測R波的初始閾值,，隨后還需根據(jù)小波分解所得的多尺度細(xì)節(jié)信號不斷地更新閾值,。另外由于此模塊能得到R波幅值，而自動增益調(diào)節(jié)的依據(jù)就是R波的幅值,，因此該模塊還兼有產(chǎn)生自動增益調(diào)節(jié)電路的控制信號,，實(shí)現(xiàn)自動增益調(diào)節(jié)的功能。與此同時(shí)還應(yīng)根據(jù)閾值實(shí)時(shí)地檢測R波,，在檢測到R波后啟動定時(shí)器,，進(jìn)行反搏控制。而且在信號采集期間還要根據(jù)存儲區(qū)中的采集信號改寫片外SRAM中的顯示數(shù)據(jù),，而該模塊中的DMA功能塊負(fù)責(zé)將SRAM中的顯示數(shù)據(jù)送到VGA控制器的FIFO中,；VGA顯示控制模塊的功能是接收DMA傳送的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生VGA顯示器的同步信號和三基色信號,，從而將采集進(jìn)來的心電信號和指脈信號,，以及相應(yīng)的參數(shù)和系統(tǒng)工作狀態(tài)送到顯示器上顯示,。SoPC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

    體外反搏的輸出部分主要包括氣泵,、電磁閥,、輸氣管道和氣囊。電磁閥分別根據(jù)設(shè)定的時(shí)序,，用功率三極管TIP41C進(jìn)行驅(qū)動,。體外反搏要求充氣迅速，因此氣泵應(yīng)選擇大流量低壓泵,，與此同時(shí),，為了使輸出氣壓穩(wěn)定和提高瞬時(shí)氣體流量，本系統(tǒng)增加了一個(gè)儲氣罐,，而儲氣罐的壓力由壓力閥控制,。
2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    體外反搏控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想是：首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，待采集的數(shù)據(jù)存滿數(shù)據(jù)存儲區(qū)后,，讓系統(tǒng)有個(gè)開機(jī)自學(xué)習(xí)的過程,，在此過程中系統(tǒng)不進(jìn)行反搏操作，而是根據(jù)采集的心電信號計(jì)算出檢測R波的初始閾值,，由此結(jié)束開機(jī)自學(xué)習(xí)過程,；然后用初始閾值檢測下個(gè)采樣周期中的R波信號，并進(jìn)行反搏操作,。在此之后系統(tǒng)軟件不斷地更新檢測R波的閾值,，實(shí)現(xiàn)可變閾值檢測[6]。由于檢測R波的閾值要由原信號中的R波數(shù)
據(jù)計(jì)算得出,，為了避免新采集的數(shù)據(jù)覆蓋以前數(shù)據(jù)的情況發(fā)生,，本系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)存儲區(qū)標(biāo)志位，使得數(shù)據(jù)采集和閥值更新分別在兩個(gè)不同的存儲區(qū)中進(jìn)行,，并不斷地在兩個(gè)存儲區(qū)間相互切換,。而反搏的具體過程如下：在檢測到R波后，延時(shí)一段時(shí)間,，順序地打開3個(gè)充氣閥，最后根據(jù)反搏時(shí)間關(guān)斷充氣閥,、打開排氣閥,。這里的反搏時(shí)間可以自由設(shè)置。此外系統(tǒng)中還含有自動增益調(diào)節(jié)電路,，并由R波的平均值來判斷如何進(jìn)行調(diào)節(jié),。當(dāng)R波的平均值小于某個(gè)閾值時(shí)，則控制自動增益調(diào)節(jié)電路使增益變大,，反之則使增益變小,。
    本文設(shè)計(jì)了一種基于SoPC技術(shù)的體外反博控制系統(tǒng),，該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)使用簡單、功耗低,、抗干擾性強(qiáng),、系統(tǒng)可擴(kuò)展等特點(diǎn)。使用者可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求,，結(jié)合臨床實(shí)驗(yàn),，對系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)和功能進(jìn)行完善，提高工作性能,。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉金琪,，許萬平，肖煜東.心電信號檢測與體外反搏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子,，2003,，27（3）：32-34.
[2] 孫光耀，余生晨.小波變換在QRS波檢測中的應(yīng)用[J].北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),，2003,，15（3）：15-17.
[3] 李海云，鄭振聲.一種新型體外反搏控制系統(tǒng)的研究[J].中國醫(yī)療器械雜志,，1999,，23(4)：187-189.
[4] 伍時(shí)桂.體外反搏的理論分析[C].第四屆全國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)術(shù)會議，武漢：1990：54-55.
[5] 曾璐.依賴虛擬儀器的體外反搏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù),，2007,，34(1)：64-66.
[6] 曾璐，汪鋒鎖.基于LabVIEW的體外反搏系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J]. 儀器儀表與分析監(jiān)測,，2006,，11（4）：32-33.