隨著社會(huì)生活節(jié)奏加快、人口逐漸老齡化,，心血管疾病已經(jīng)成為同前威脅人類生命的豐要疾病之一,，此類疾病往往具有突發(fā)性、短暫性和危險(xiǎn)性的特點(diǎn),，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行治療將會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果,。心電圖是檢查．診斷和預(yù)防該類疾病的主要手段和依據(jù)，對(duì)于心肌梗塞、心律失常等癥狀,，心電監(jiān)護(hù)儀的使用貫穿于治療,、康復(fù)的整個(gè)過程。由于傳統(tǒng)的基于PC機(jī)平臺(tái)的心電躲護(hù)儀,，價(jià)格昂貴,，體積龐大，不便于移動(dòng)且主要集中在大醫(yī)院,，給醫(yī)生和病人帶來了很大的不便,。因此，為了降低成本,、縮小體積,，本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM9微處理器的新型便攜式多床位遙測(cè)心電監(jiān)護(hù)儀。該監(jiān)護(hù)儀采用Samsung公司的一款以ARM920T為控制器內(nèi)核的16／32位高速處理器S3C2410A芯片作為系統(tǒng)控制核心,，利用nRF401無線收發(fā)芯片發(fā)送和接收心電數(shù)據(jù),，具有功耗低、體積小,、可靠性高,、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　該遙測(cè)心電監(jiān)護(hù)儀可同時(shí)監(jiān)護(hù)1～12個(gè)床位．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示．其中與PC機(jī)相連的S3C2410A作為中心躲護(hù)端．其功能是傳遞由PC機(jī)發(fā)出的命令,，與監(jiān)護(hù)各個(gè)床位的監(jiān)護(hù)終端進(jìn)行通信,，將各個(gè)臨護(hù)終端所采集到的數(shù)據(jù)匯總到中心監(jiān)護(hù)端，并通過USB口傳遞給Pc機(jī),。監(jiān)護(hù)一個(gè)床位的便攜式心電監(jiān)護(hù)終端作為終端節(jié)點(diǎn),，功能是采集心電信號(hào)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理,，同時(shí)當(dāng)收到中心監(jiān)護(hù)端的命令時(shí),，做出回應(yīng)。

　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括中心監(jiān)護(hù)端的硬件設(shè)計(jì)和監(jiān)護(hù)一個(gè)床位的各個(gè)心電監(jiān)護(hù)終端的硬件設(shè)計(jì)兩大部分,。中心監(jiān)護(hù)端的硬件設(shè)計(jì)包括S3C2410A與PC機(jī)的連接和nRF401與S3C2410A的連接,。由于S3C2410A具有USB設(shè)備控制器，因此可通過USB口與PC機(jī)相連,，并得到5V的T作電壓,。無線收發(fā)芯片nRF401直接與S3C2410A的串口1連接。圖2為監(jiān)護(hù)一個(gè)床位的心電監(jiān)護(hù)終端硬件電路的結(jié)構(gòu)框圖,，包括ARM微處理器S3C2410A,、心電放大及采集電路、外部擴(kuò)展的Nand FLash存儲(chǔ)器,、電源,、LCD顯示,、鍵盤和nRF401尤線數(shù)傳模塊等。

　　3．1心電采集電路

　　心電采集電路包括放大器,、低通濾波器,、50Hz陷波器等。該電路的放大器由差動(dòng)放大電路和放大級(jí)電路兩級(jí)放大電路組成,。導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)采用通用的二電極方式,，右胸上電極及左腹下電極為心電采樣電極．右腹下電極為右腿驅(qū)動(dòng)電極。由于采集的心電信號(hào)是籌模信號(hào),，采用三運(yùn)放籌動(dòng)放大電路作為第一級(jí)放大電路，增益約為22,，再經(jīng)第二級(jí)放大電路,，總增益接近1000。由于心電信號(hào)屬于低頻信號(hào),，因此,，為消除高頻信號(hào)，本設(shè)計(jì)了采用了一階濾波電路的低通濾波器,，截止頻率為100Hz,。為抑制50Hz的工頻干擾，還設(shè)計(jì)了二階壓控電壓源帶阻濾波器,，即50Hz陷波器,。

　　圖2 監(jiān)護(hù)1個(gè)床位的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

　　3．2 ARM微處理器模塊

　　S3C2410A是二星公司推出的一款基于ARM920T處理器構(gòu)架的嵌入式CPUS3C2410，它提供8通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，轉(zhuǎn)換器以2．5MHz MD轉(zhuǎn)換時(shí)鐘將模擬輸入信號(hào)以最大500ksps轉(zhuǎn)換率轉(zhuǎn)換為lO位二進(jìn)制數(shù)字編碼,。根據(jù)美困心臟學(xué)會(huì)AHA標(biāo)準(zhǔn)[3]和Nyquist采樣定律，當(dāng)信號(hào)采樣頻率等于或大干信號(hào)最高頻率的2倍時(shí),，就可以從抽樣后的信號(hào)中不失真的還原出原信號(hào),。ECG頻率范圍為0．05~100Hz，中心頻率在17Hz左右,，故取采樣頻率取200Hz,，即采樣周期為5ms即可滿足要求。采集到的信號(hào)經(jīng)通道1送入S3C2410A微處理器,。經(jīng)分析處理后在液晶屏上顯示心電波形和分析結(jié)果,。

　　3．3無線收發(fā)模塊

　　無線收發(fā)模塊采用Nordic公司研制的單片UHF無線收發(fā)芯片nRF401，該芯片工作在433MHzISM(Industrial,，scienTIfic and Medical)瀕段,。該頻段無需申請(qǐng)?jiān)S可證。并采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù),，抗干擾能力強(qiáng),，并采用PLL頻率合成技術(shù),，頻牢穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20kbDs,，傳輸距離可達(dá)1000m,，完全滿足本設(shè)計(jì)所需要的通信距離要求。不同于其他的RF單片芯片,，nRF401通過單片機(jī)串口直接于MCU通信,，而無需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，這使的nRF401的外圍元件很少,，只包括一個(gè)基準(zhǔn)晶振和幾個(gè)無源器件,，具有成本低、一致性好等特點(diǎn),。本設(shè)計(jì)中,，nRF401直接與S3C2410A的串口1連接。

　　3．4存儲(chǔ),、顯示和鍵盤模塊

　　為了實(shí)現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ),，利用S3C2410A自帶的Nand Flash控制器擴(kuò)展了一片16Mx8位的Nand Flash存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)12小時(shí)的心電數(shù)據(jù),。為了使用戶能夠?qū)Σ杉降男碾娦盘?hào)有一個(gè)直觀的印象和進(jìn)行常識(shí)性的觀察,，利用S3C2410A自帶的LCD控制器，設(shè)計(jì)了LCD顯示屏的接口,，并選用了一塊240x128的LCD顯示屏,，用于顯示所采集的心電信號(hào)及一些基本參數(shù)。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一個(gè)4x4的鍵盤模塊,，用戶可通過鍵盤實(shí)現(xiàn)一些基本功能的切換,。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是基于Windows CE操作系統(tǒng)的。Windows CE是為各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一種壓縮的,、具有高效的,、可升級(jí)的操作系統(tǒng)，具有多線性,、多仟?jiǎng)?wù),、全優(yōu)先的操作系統(tǒng)環(huán)境。由于Window CE操作系統(tǒng)本身沒有自帶獨(dú)立的開發(fā)環(huán)境,，因此,，需要在PC機(jī)(宿主機(jī))上完成應(yīng)用程序的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)仿真．并針對(duì)ARM嵌入式設(shè)備(目標(biāo)機(jī))進(jìn)行交叉編譯,，使其與目標(biāo)機(jī)的CPU體系結(jié)構(gòu)相匹配,，使操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件在目標(biāo)機(jī)上也能正常運(yùn)行。然后再移植到各目標(biāo)機(jī)上,。在Windows CE操作系統(tǒng)構(gòu)建起來之后,，就是上層應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)問題,。

　　4．1中心監(jiān)護(hù)端程序設(shè)計(jì)

　　Windows CE是一個(gè)多任務(wù)、多線程的操作系統(tǒng)[6],。圖為中心監(jiān)護(hù)端的功能不只是單一的網(wǎng)絡(luò)通信,，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，所以不在主線程中直接進(jìn)行通信,。而是在主線程中創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的子線程負(fù)責(zé)等待PC機(jī)的命令,，收到命令后，為其創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的通信子線程與相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信．等待子線程繼續(xù)等待PC機(jī)的命令,。通信子線程接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行校驗(yàn),，并通過USB口傳遞到PC機(jī)。

　　由于多個(gè)通信子線程可能會(huì)同時(shí)對(duì)共享資源nRF401進(jìn)行訪問,，形成線程沖突,，因此需要協(xié)調(diào)好各個(gè)線程之間的同步問題?；コ鈱?duì)象(Mutex)是Windows CE操作系統(tǒng)所提供的實(shí)現(xiàn)線程同步的方法之一，主要用于協(xié)調(diào)多個(gè)線程對(duì)共享資源的訪問,，其原理是只有擁有互斥對(duì)象的線程才具有訪問共享資源的權(quán)限,。由于互斥對(duì)象只有一個(gè)，因此就決定了任何情況下此共享資源都不會(huì)同時(shí)被多個(gè)線程所訪問,。首先,，利用API所提供的函數(shù)CreateMutex()創(chuàng)建一個(gè)互斥對(duì)象，初始化為FALSE狀態(tài)以標(biāo)識(shí)該互斥對(duì)象處于未被任何線程占有狀態(tài),。通信子線程通過waitForSingleobiect()來請(qǐng)求占用該互斥對(duì)象,，若此時(shí)該互斥對(duì)象被占用，則該線程需等待直到前一線程釋放后才能成功占用,；若此時(shí)該互斥對(duì)象未被占用,，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源nRF401的訪問。例如負(fù)責(zé)與床位號(hào)為n的監(jiān)護(hù)終端通信的子線程獲得對(duì)nRF401的訪問權(quán)后,，該子線程會(huì)發(fā)送一個(gè)1字節(jié)的同步信號(hào)“n”，床位號(hào)為n的監(jiān)護(hù)終端接收到命令后，返回“n”作為應(yīng)答,，該通信子線程收到應(yīng)答,，核對(duì)正確后，雙方開始數(shù)據(jù)傳輸,，監(jiān)護(hù)終端將數(shù)據(jù)及其校驗(yàn)和以數(shù)據(jù)包的形式傳送給中心監(jiān)護(hù)端,。該子線程接收完畢后，結(jié)束通信,，用ReleaseMutex()來釋放對(duì)互斥對(duì)象的擁有權(quán),，完成對(duì)于共享資源nRF401的訪問,，從而其它線程可有機(jī)會(huì)獲取對(duì)nRF401的訪問權(quán)。然后對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn),，再次提出占用互斥對(duì)象請(qǐng)求,。這樣，每個(gè)通信子線程訪問nRF401的機(jī)會(huì)均等,，子線程問相互獨(dú)立,，避免了程序死鎖在一個(gè)連接上，提高了系統(tǒng)的整體響應(yīng)速度,。

　　4．2監(jiān)護(hù)終端程序設(shè)計(jì)

　　監(jiān)護(hù)一個(gè)床位的各監(jiān)護(hù)終端的程序設(shè)計(jì)同樣采用多線程的結(jié)構(gòu),，在主線程中對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、必要的處理和存儲(chǔ),、顯示等,。另創(chuàng)建一個(gè)子線程，置nRF401為接收狀態(tài),，等待接收中心監(jiān)護(hù)端的命令,，收到命令并檢驗(yàn)合法后，置nRF401為發(fā)送狀態(tài)發(fā)送回應(yīng),，并從存儲(chǔ)器巾讀取數(shù)據(jù)打包發(fā)送,，若收到中心監(jiān)護(hù)端校驗(yàn)錯(cuò)誤信息，則重發(fā)數(shù)據(jù)包,。

　　4．3 QRS波的檢測(cè)

　　在心電分析中,，要進(jìn)行參數(shù)測(cè)量和波形分析，計(jì)算R-R間隔和心率,，首先要進(jìn)行QRS波的檢測(cè),。本文采用四點(diǎn)平均濾波器法首先對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除電源工頻干擾,、基線漂移,，肌電噪聲、運(yùn)動(dòng)偽跡等所帶來的干擾,。其解析式為：

　　其對(duì)心電信號(hào)的中心頻率(17Hz)影響較小,，同時(shí)可抑制高頻噪聲和50Hz的工頻干擾。再對(duì)經(jīng)過濾波后的心電信號(hào)的一,、二階差分值進(jìn)行平滑處理,，利用心電信號(hào)的二階差分值極小值和一階差分過零點(diǎn)在較短的時(shí)間窗內(nèi)實(shí)現(xiàn)QRS波精確定位。即對(duì)四點(diǎn)濾波后的心電信號(hào)y(n)進(jìn)行一階和二階差分,，通過不應(yīng)期判別,、幅值判別等方法找到R波對(duì)應(yīng)的二階差分的極小值的位置。再根據(jù)啊二階差分與x(n),、y(n)的時(shí)延關(guān)系,，求出濾波信號(hào)和原心電信號(hào)中R波的位置,。在心電信號(hào)的一階差分信號(hào)中，R波和與其對(duì)應(yīng)的Q,S波的位置關(guān)系為：如果R波在一階差分信號(hào)中為QRS波群所對(duì)應(yīng)的向下過零點(diǎn)(其值為負(fù)),，則Q波應(yīng)為R波所在位置前面的第1個(gè)向上過零點(diǎn)(其值為正),；S波為R波所在位置后面的第1個(gè)向上過零點(diǎn)(其值為正)。這樣,，由已知的R波的位置即可檢測(cè)出 Q,S在一階差分中的位置,，再根據(jù)時(shí)延關(guān)系就而可以求出R-R問期、心率等參數(shù),。由于籌分會(huì)增加部分高頻噪音,，上述計(jì)算是在一階和二階差分經(jīng)平滑移動(dòng)處理后進(jìn)行的。該算法能抑止多種噪聲對(duì)心電信號(hào)的影響,，經(jīng)過臨床測(cè)試,，在靜息和慢走情況下．算法對(duì)動(dòng)態(tài)心電的檢測(cè)準(zhǔn)確率非常高；即使在做體操和慢跑的情況下,，其正確率還是在99．8％以上,。

　　5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　使用此監(jiān)護(hù)儀分別對(duì)12名志愿者進(jìn)行了心電數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)表明,，該監(jiān)護(hù)儀能同時(shí)監(jiān)護(hù)12個(gè)病人,，也能獨(dú)立監(jiān)護(hù)1個(gè)病人，實(shí)時(shí)性良好．心電波形顯示清晰,，對(duì)心電數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確，心律失常時(shí),，會(huì)自動(dòng)報(bào)警,，并對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)和回放。佩戴者可在半徑100米范圍內(nèi)活動(dòng)得到較好的監(jiān)護(hù),，采用2節(jié)5號(hào)電池供電,，可連續(xù)監(jiān)測(cè)20小時(shí)。

　　6 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM9微處理器的新型便攜式多床位無線遙測(cè)心電監(jiān)護(hù)儀,，該監(jiān)護(hù)儀硬件集成度高,，體積小，功耗低,，便于患者隨身攜帶,，在不影響患者日常活動(dòng)的同時(shí)使患者得糾較好的監(jiān)護(hù),。本文的創(chuàng)新之處是采用Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái),，具有易定制、可擴(kuò)展,、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),。采用多線程編程,，可同時(shí)監(jiān)護(hù)多個(gè)床位，各線程之間相對(duì)獨(dú)立,，避免了波形顯示停滯,，或死鎖在一個(gè)連接上，提高了系統(tǒng)的整體響應(yīng)速度,，使系統(tǒng)實(shí)時(shí)性更好,。在Windows CE環(huán)境下，還可以通過中間驅(qū)動(dòng)程序?yàn)镾3C2410A擴(kuò)展串口通信,，實(shí)現(xiàn)更多床位的實(shí)時(shí)集中監(jiān)護(hù),。