在現(xiàn)有的醫(yī)療,、社會(huì),、科技背景下，醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)己經(jīng)朝著個(gè)人化,、便攜化和多功能化的方向發(fā)展,。目前家用便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品已在越來(lái)越多的家庭中廣泛使用，但這類產(chǎn)品功能比較單一,，通常只對(duì)某種單一疾病的生理參數(shù)提供監(jiān)測(cè)[1],，比如心臟病、高血壓或糖尿病等,，不能滿足多項(xiàng)生理信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求,。功能全面的醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀大多體積龐大，一般應(yīng)用在醫(yī)院等固定場(chǎng)所,。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,，心血管疾病已經(jīng)成為中國(guó)成人首要的死亡原因[2]。鑒于心血管疾病患者發(fā)病前期不能長(zhǎng)期靜臥于醫(yī)院,，又需要對(duì)病情進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)護(hù),，因此研制一款高性能的便攜式多參數(shù)生理信號(hào)監(jiān)護(hù)儀對(duì)心血管患者的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)具有十分重要的意義。利用FPGA并行運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)[3],，本文設(shè)計(jì)了一種便攜式多通道生理信號(hào)監(jiān)護(hù)儀,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多項(xiàng)生理參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)采用智能化電源管理方案,，功耗低,續(xù)航時(shí)間長(zhǎng),體積小,重量輕,操作簡(jiǎn)單,，滿足了心血管患者家庭實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)的需要。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    該便攜式多通道生理信號(hào)監(jiān)護(hù)儀的硬件部分主要包括信號(hào)調(diào)理,、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)通信,、人機(jī)交互5個(gè)模塊,。 系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

    該系統(tǒng)采用Altera公司的Cyclone II系列 EP2C35F672作為中央處理芯片,。EP2C35F672采用可編程的查找表LUT(Look Up Table)結(jié)構(gòu),，支持129通道的LVDS(低壓差分串行)和RSDS(去抖動(dòng)差分信號(hào)),，最高支持640 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力，與一般處理器的單端I/O標(biāo)準(zhǔn)相比,，這些內(nèi)置的LVDS緩沖器保持了信號(hào)的完整性,，并且具有更低的電磁干擾、更好的電磁兼容性(EMI)以及更低的電源功耗[4],。這些特點(diǎn)滿足了系統(tǒng)快速運(yùn)算和信號(hào)穩(wěn)定的需求,。系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)讀取,、數(shù)據(jù)通信、人機(jī)交互等模塊組成,，能實(shí)時(shí)地對(duì)心電,、脈搏、血氧飽和度進(jìn)行監(jiān)護(hù),。
1.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)
   系統(tǒng)需同時(shí)對(duì)多種生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)護(hù),，這要求ADC芯片具有多通道、速度快的特點(diǎn),。本設(shè)計(jì)最終選用MAX186,，這款芯片具有8個(gè)模擬輸入通道，輸出數(shù)據(jù)精度為12 bit,支持低功耗模式(1.5 mA(運(yùn)行狀態(tài)),2 μA(待機(jī)狀態(tài))),最高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換頻率達(dá)到133 kHz,，與主控芯片通過(guò)SPI協(xié)議進(jìn)行通信,，如圖2所示。

1.3 脈搏采集模塊設(shè)計(jì)
　采用壓電傳感器采集橈動(dòng)脈脈搏,，為計(jì)算脈搏波速度,，前后放置兩個(gè)傳感器在橈動(dòng)脈處。設(shè)計(jì)了兩路對(duì)稱的調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的采集,。電路由前置放大電路,、濾波、二級(jí)放大電路組成,，如圖4所示,。

1.4 血氧采集模塊設(shè)計(jì)
    采用雙波長(zhǎng)法測(cè)量血氧飽和度，光電傳感器將透射光轉(zhuǎn)換成電流信號(hào),，通過(guò)I-V轉(zhuǎn)換,、前置放大、隔直電容將信號(hào)分成直流分量和交流分量,，分別進(jìn)行濾波和放大后送至A/D,。傳感器LED驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，分時(shí)段點(diǎn)亮兩個(gè)LED?？刂艶PGA的GPIO口產(chǎn)生PWM信號(hào),，通過(guò)濾波器濾除其中的諧波成分，實(shí)現(xiàn)PWM至DAC的轉(zhuǎn)換,，調(diào)節(jié)PWM占空比即可調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流大小,，從而調(diào)整血氧探頭輸出信號(hào)的光電流大小。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境采用Quartus II 和 Nios II IED,。采用SoPC(System on Programmable Chip)技術(shù)在Quartus II中定制軟核,，進(jìn)行FPGA底層邏輯配置,，在Nios II IDE中進(jìn)行系統(tǒng)功能的軟件開發(fā),。
2.1 Nios II軟核的定制
    Nios Ⅱ嵌入式處理器是Altera公司推出的采用哈佛結(jié)構(gòu)、具有32位指令集的第二代片上可編程的軟核處理器, 其最大優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)是模塊化的硬件結(jié)構(gòu), 以及由此帶來(lái)的靈活性和可裁減性[5],。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求配置底層軟核驅(qū)動(dòng),，如圖6所示。

    (1)同時(shí)或者分別處理各個(gè)信號(hào)時(shí),為了避免數(shù)據(jù)的丟失與覆蓋,要求較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率,。為此筆者在SPI驅(qū)動(dòng)(SPI Controller)中加入了一個(gè)容量為1 KB的緩沖器(Buffer)(見圖2),，能迅速將數(shù)據(jù)同時(shí)“推送”給處理器，有效提高數(shù)據(jù)處理速度,。
    (2)監(jiān)護(hù)儀的顯示模塊采用3.5英寸TFT液晶屏,因此需加入LCD Controller驅(qū)動(dòng),。為了方便視力較差的老人使用，系統(tǒng)還預(yù)留了VGA接口,，可將所有數(shù)據(jù)接入外部顯示器顯示,，所以需添加VGA Controller核。
    (3)所有的數(shù)據(jù)都必須實(shí)時(shí)地以文本格式保存,，方便醫(yī)生診斷參考,。系統(tǒng)采用大容量SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，故加入SD Card Controller核,。
    (4)允許用戶進(jìn)行相應(yīng)功能的選擇操作,并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果給予相應(yīng)提示,，系統(tǒng)預(yù)留按鍵、蜂鳴器和LED指示燈,，加入GPIO控制驅(qū)動(dòng),。
    (5)為了進(jìn)一步處理需要,需將存儲(chǔ)的文件發(fā)送給PC。選用最常用的串口通信,， 需加入RS232核,。
2.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的總體功能描述如下：開機(jī)后，根據(jù)相應(yīng)的信號(hào)接入情況智能選擇A/D工作模式：待機(jī),、單參數(shù)模式和多參數(shù)模式,。在待機(jī)模式中系統(tǒng)通過(guò)降低采樣頻率、降低傳感器驅(qū)動(dòng)電流、降低LCD亮度等方式來(lái)降低系統(tǒng)能耗,。通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行IIR數(shù)字濾波來(lái)保證結(jié)果的準(zhǔn)確性,。設(shè)定低通濾波器的截止頻率為35 Hz，初步濾除包括工頻在內(nèi)的高頻干擾,；設(shè)定高通濾波器的截止頻率為0.5 Hz,，消除基線漂移等低頻干擾[6]。對(duì)數(shù)字濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理,，計(jì)算心率,、脈搏波速和血氧飽和度，在LCD中顯示數(shù)據(jù)和波形,。為了方便醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行復(fù)查,，監(jiān)護(hù)日志以文本格式存入SD卡。
    由于不同用戶的體征參數(shù)不盡相同,，信號(hào)幅度和周期等參數(shù)就必然不同,，所以系統(tǒng)還必須自適應(yīng)地調(diào)整采樣頻率、顯示幅度和基線位置,。另外系統(tǒng)還必須根據(jù)用戶的選擇,，把數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給PC，或者把SD卡中的文件讀出在LCD上顯示,。主函數(shù)流程圖如圖7所示,。

    為濾除呼吸等低頻干擾，消除基線漂移,，設(shè)計(jì)切比雪夫高通濾波器,，技術(shù)指標(biāo)為Ws=0.5 Hz，Wp=4 Hz,，Rp=0.1,，Rs=80，數(shù)學(xué)模型階數(shù)較高,，這里不給出,。圖8、圖9分別為處理前后的心電信號(hào),。

    計(jì)算心率首先要識(shí)別QRS波群,，本設(shè)計(jì)中使用的判據(jù)為斜率、極值點(diǎn),、幅度閾值,、周期范圍[7]。實(shí)驗(yàn)證明通過(guò)以上4個(gè)判據(jù),，系統(tǒng)能準(zhǔn)確地識(shí)別QRS波群,，結(jié)合采樣頻率就能迅速計(jì)算出心率,。
    數(shù)字濾波處理后的雙路脈搏波形如圖10。首先利用極值點(diǎn),、斜率判據(jù)找出相鄰兩個(gè)主搏峰,，計(jì)算出相鄰波

3 系統(tǒng)結(jié)果分析
　　經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集心電,、脈搏,、血氧信號(hào)，可將數(shù)據(jù)在LCD或外接顯示器上顯示,同時(shí)完成數(shù)據(jù)保存并上傳數(shù)據(jù)至PC,。實(shí)測(cè)中,，以邁瑞公司PM9000多參數(shù)生理監(jiān)護(hù)儀顯示的參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)計(jì)算得到各項(xiàng)生理參數(shù)的準(zhǔn)確度可達(dá)95％ 以上,。因此,，系統(tǒng)作為一個(gè)監(jiān)護(hù)儀器可及時(shí)地檢測(cè)出人體的健康狀況，用戶可根據(jù)系統(tǒng)的提示對(duì)一些病癥做出及時(shí)反應(yīng),，當(dāng)檢測(cè)到的信號(hào)指標(biāo)超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí),，系統(tǒng)將蜂鳴報(bào)警，達(dá)到了預(yù)期效果,。

參考文獻(xiàn)
[1] 余奎,林國(guó)慶，耿俊佑,等.現(xiàn)代醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)儀器的應(yīng)用特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)[J].醫(yī)療設(shè)備信息,，2003,，18(1)：41-43.
[2] 紀(jì)璟峰. 中國(guó)成人心血管疾病危險(xiǎn)因素的流行病學(xué)研究[D]. 北京：北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院，2011.
[3] 潘松,，黃繼業(yè). SoPC技術(shù)使用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社,，2005.
[4] 周立功,等.SoPC嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.
[5] 楊剛,肖宇彪,陳江,等. 32位嵌入式系統(tǒng)與SoC設(shè)計(jì)導(dǎo)論[M].北京：電子工業(yè)出版社, 2006.
[6] 李剛,劉巍,虞啟連,等.抑制工頻干擾及基線漂移的快速算法[J].北京:中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),，2000,19(1)：99-103.
[7] 朱凌云,吳寶明.移動(dòng)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)QRS波的實(shí)時(shí)檢測(cè)算法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2005,26(6):603-607.
[8] DI G, TANG X, LIU W. A reflectance pulse oximeter. design using the MSP430F149[C]. IEEE/ICME International Conference in Complex Medical Engineering, 2007:1081-1084.
[9] LEE J,Wongeun JungAuthor Vitae,IkTae KangAuthor Vitae, et al. Design of filter to reject motion artifact of  pulse oximetry[J].Computer Standards & Interfaces,2004(26):241-249.