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爱超联赛-远程心电医疗信号监测系统设计
时间:2020-12-10 来源:爱超下注平台 浏览量 77143 次

随着人类健康的尊重和远程医疗的发展,家庭保健工程作为一门学科已经逐渐走出人们的生活。它倡导一种居家看病、自我保健、远程临床的理念,将高科技与医疗融为一体。

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HHCE的频繁发生符合21世纪社会老龄化、医疗费用增加、人们健康状况不佳和排斥的趋势。同时,HHCE可以实现医疗资源的共享,提高偏远地区的医疗水平,因此具有丰富的生命力。

HHCE系统为家庭、社区和就诊医生提供了有效、便捷的医疗监护解决方案。具有心电监护功能的监护仪是HHCE系统最重要的组成部分。

就我国而言,这类产品的研究还属于刚刚起步阶段,远程网络只是简单的完成了数据库医疗数据的存储和传输,并没有真正完成网络与医疗设备的结合。在国际上,世界各国都在这里投入了大量资金进行研究,但仍然主要用于昂贵的仪器采集医学数据,然后结合PC/互联网网络完成数据采集和网络临床。本次设计采用Altera公司的Nios硬核处理器作为CPU,再现了目前主流的Clinux操作系统。该系统稳定、便携、可扩展、面向用户、可远程控制。

一方面,它集家庭保健和远程医疗于一体,主要针对用户终端设计,使个人需要方便地对自己的心电信号进行自我检测和分析,动态了解自己的身体健康状况;另一方面,采集的数据也可以通过存储卡进行存储,这样可以对数据进行多年的分析、处理和临床应用;此外,该系统还可以与医疗服务终端(如医院、私人医生、监控中心、保健中心等)的缓慢建立相连接。)通过网络等远程通信设施,并将测量数据传输到远程数据库或医生。不利于医疗信息的数据库管理、远程动态监控和临床实践,使用户无需外出即可获得最及时有效的临床实践。2系统说明远程心电信号医疗监护系统主要由四个关键模块组成:心电信号前端采集调理模块、心电信号处理与存储模块、数据显示模块和远程传输控制模块。

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系统的功能结构如图1右图所示。监控系统的硬件平台采用Altera公司的Cyclone2c 35 FPGA芯片,利用SOPC(可编程片上系统)技术在一个FPGA芯片上搭建Nios硬核处理器、存储器、功能模块和扩展I/O端口。系统的硬件架构是通过扩展心电数据采集板、网络、液晶屏、触摸屏/键盘、SD存储卡搭建而成,具有可扩展的I/O模块,方便日后使用3。

系统关键模块设计3.1 NIOS II嵌入式硬核处理器概述NIOS II系列嵌入式处理器是Altera公司销售的软核处理器。用户可以获得高达200DMIPS的性能,只需花费近35美分的FPGA逻辑资源。NIOS反对MIC/OS-、Clinux等多种实时操作系统,反对轻量级TCP/IP协议栈,允许用户减少自定义指令和自定义硬件加速单元,无缝重现自定义外设和模块逻辑,提高性能,方便用户设计。NIOS处理器采用Avalon交换总线,这是Altera开发的一种特殊的内部连接技术。

Avalon交换总线由SOPCBuilder自动分解,作为系统处理器、内部模块和外设之间的内部总线。Avalon交换总线用于大多数逻辑资源,以对抗数据总线的适配、地址解码、等待周期的生成、外设的地址偏移、中断优先级的注册和高级交换总线传输。3.2心电信号采集调理模块设计采用模块化设计方法进行心电信号采集,主要由前端导联传感器、信号滤波及定标调理电路和A/D采样电路组成。

人体心电信号的主频范围为0.05 ~ 100 Hz,幅度约为0 ~ 4 mV,信号非常微弱。 同时,心电信号一般与其他生物电信号混合,体外电磁场多被50Hz工频遮挡,使得心电噪声背景强,测量条件复杂。为了无噪声地检测出有临床价值的心电信号,信号滤波和定标调理部分主要由以下电路组成:预定标电路、强弱通滤波电路、陷波电路和A/D切换电路。电路原理图如图2右图所示。

首先,通过预缩放电路对心电采集的微弱心电信号进行扩展和缩放。这部分还包括右腿驱动诱导共模阻塞,屏蔽线驱动避免导联阻塞,增益复位约10倍。

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预缩放设计采用美国ADI公司生产的医用放大器AD620。AD620是从传统的三路运算放大器发展而来的,三路运算放大器是相互并联的差分放大器。它具有供电范围长(2.3~18V)、设计体积小、功耗低(电源电流后只有1.3mA)的特点,因此仅限于低电压、低功耗应用。

此外,它还具有共模感应比高、温度稳定性好、标度频带长、噪声系数小等优点。经过滤波和50Hz陷波处理后,对缩放后的信号进行扩展进行二次缩放,后一级的增益复位约100倍。

由于心电信号幅度只有几mV,A/D切换时输出信号幅度拒绝在1V以上,所以总增益复位约1000倍。其中,压控电压源的二阶低(低)通滤波电路用于滤波,避免0.05 ~ 100 Hz频段外的肌电信号等干扰信号,也可以滤除工频其他古谐波。同时利用有源双T带阻滤波电路进一步感应50Hz工频干扰。a/d采样芯片采用TI的8位串行芯片TLC549,采用SPI模块,只需三行即可搭建采集控制和数据传输;采用4MHz片上系统时钟和软硬件控制电路,切换时间大于17s,采样率约为40ks/s;利用差分参考电压技术的特点,TLC549可以测量一个大于1000 mV/256左右的值,也就是说,0 ~ 1V信号无需缩放即可获得8位分辨率。

3.3数据采集控制器的设计为了获得前端TLC549芯片切换的心电信号,需要设计一个数据采集控制器来控制AD芯片,提供数字心电数据。根据TLC549芯片的工作顺序和后端数据处理的需要,控制器采用VerilogHDL设计。该控制器具有多通道采集的特点。

TLC549的I/OCLOCK端输出8个外部时钟信号期间,必须完成以下工作:读取之前的A/D切换结果;采样并保持切换后的输出模拟信号;启动这个a/d开关。那么一个通道的采集时间是0.5s(3 ^ 82 ^ 1)=10s,而芯片切换时间大于17s,所以整个处理时间需要27s。

为了有效利用控制器,在一次A/D切换时,同时进行另一次A/D采样,可以在40秒内采集到四个信号,大大提高了工作效率。同时,再次加入一个FSM信号来控制采样时间,以适应不同环境下不同频率信号的采样频率。

AD芯片的时序建模图如图3右图所示。Din是采集数据的串行输出,时钟由系统时钟通过方波系数获得。

在设计中,fsm被设置为采样主时钟,以便可以根据需要调整采样速率。因为扩展AD采样时间短,使用搜索或者中断必要的加载是不现实的。因此,有必要使用缓冲区设计,通过不将切换N次的数据存储在缓冲存储器中来减少中断的数量。为了获得对等和准确的数据采集并构建无缝缓冲区,考虑到FPGA设计的灵活性,本设计采用了双缓冲存储的乒乓算子结构。

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