基于嵌入式Linux的心電監(jiān)護系統(tǒng)的研究

喻曉+夏澎

摘要：便攜式心電監(jiān)護設備是現(xiàn)代化醫(yī)院、社區(qū)、家庭不可缺少的醫(yī)療設備。在分析總結傳統(tǒng)心電監(jiān)護原理及方法的基礎上，提出了一種基于嵌入式Linux的心電監(jiān)護系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。所研究系統(tǒng)具有體積小、可攜帶、成本低、監(jiān)護準確、效率高等特點。經(jīng)實驗驗證，該系統(tǒng)基本能夠實現(xiàn)直觀、可靠、準確、有效的心電監(jiān)護，保證了監(jiān)護數(shù)據(jù)的完整性。

關鍵詞：嵌入式Linux；心電監(jiān)護；Qtopia Core

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 章編號：1009-3044（2016）25-0220-04

1 背景

心電監(jiān)護設備能夠準確、實時地監(jiān)測病人的心電參數(shù)，方便醫(yī)生及時和準確的診斷，因此在醫(yī)療設備中占有很重要的地位。傳統(tǒng)的心電監(jiān)護設備盡管可以對危重病人進行長期持續(xù)的心電監(jiān)護，但由于其本身結構復雜，不方便移動，使得多數(shù)非住院患者，特別是早期癥狀輕微的患者不能得到及時準確的診斷，從而延誤診斷和治療的機會[1]。所以，開發(fā)智能化、數(shù)字化、可攜帶的心電監(jiān)護設備有著很強的現(xiàn)實意義和廣闊的應用前景。

目前國內(nèi)外心電監(jiān)護儀器中，大多數(shù)使用電腦配備心電采集卡的方式或單片機配備心電采集電路的方式。不方便攜帶的設備、低效率的保養(yǎng)、測量準確度不夠等，都是普遍存在的問題[2]。針對這些問題，本文提出并設計了一個基于嵌入式Linux平臺的心電監(jiān)護系統(tǒng)，能夠實時、多任務并準確地進行心電監(jiān)護。該系統(tǒng)利用嵌入式Linux系統(tǒng)和心電監(jiān)護相結合，有效減少設備本身體積，更加便于攜帶的同時還有效地實現(xiàn)了心電監(jiān)護的功能，提高檢測結果的準確性。

2 系統(tǒng)總體方案設計

心電監(jiān)護系統(tǒng)主要需實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的實時顯示，報警等功能。本文設計的嵌入式心電監(jiān)護系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。主要有六大功能模塊，分別是嵌入式平臺控制模塊、心電采集模塊、心電數(shù)據(jù)顯示模塊，系統(tǒng)輸入模塊、QRS波檢測算法模塊和心電數(shù)據(jù)打印模塊。

本系統(tǒng)的工作原理為：通過心電電極從人體體表采集心電信號，經(jīng)心電放大器，電平抬升電路將數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM內(nèi)核的嵌入式核心控制平臺，由ARM內(nèi)置的 A/D 轉換器進行模數(shù)轉換然后，由控制平臺將數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波、QRS波群檢測、心率計算及心律失常分析，最后在LCD液晶屏上顯示波形和分析結果，并打印測試結果或者通過串口網(wǎng)口電路將數(shù)據(jù)發(fā)送。

整個嵌入式心電監(jiān)護系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分為嵌入式處理器、心電采集模塊、心電顯示模塊和心電數(shù)據(jù)打印模塊的設計。軟件部分主要為移植操作系統(tǒng)、設計設備驅動程序、開發(fā)心電信號采集處理程序以及設計GUI界面等。

3 系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)總體方案設計，圖2為整個心電監(jiān)護系統(tǒng)的硬件結構圖。其中S3C2410X 微處理器、存儲器（SDRAM、NAND FLASH、NOR FLASH），網(wǎng)口、串口，USB接口、電源復位電路、JTAG接口均由SBC2410開發(fā)平臺提供。

由于Linux系統(tǒng)可以通過內(nèi)核配置USB驅動，因此系統(tǒng)采用可以即插即用的USB接口鼠標和鍵盤作為輸入工具，方便操作。

系統(tǒng)采用5V電源為核心板供電，12V電源給液晶屏供電。這些電壓由單獨的電源模塊提供。

3.1 嵌入式處理器

嵌入式處理器通常把傳統(tǒng)計算機中許多由板卡完成的任務集成在芯片內(nèi)部，使得嵌入式系統(tǒng)設計有利于小型化，并同時具備高效率、高可靠性等特征。在目前市場上流通的一千多種嵌入式處理器芯片中，使用最廣泛的當屬ARM系列芯片。ARM公司是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，其設計生產(chǎn)的ARM處理器具有高性能、低耗能以及穩(wěn)定性等眾多優(yōu)點[3]，因此是當今設計嵌入式系統(tǒng)的首選。

本系統(tǒng)是借助廣州友善之臂科技有限公司的 S3C2410開發(fā)平臺進行開發(fā)。它是一款基于ARM9處理器S3C2410芯片的嵌入式開發(fā)平臺。該平臺引出了CPU的大部分信號引腳，同時較完整地集成了各種設備接口，便于用戶二次開發(fā)[4]。

3.2 心電采集模塊

根據(jù)設計要求和心電信號的特點，本系統(tǒng)設計了心電數(shù)據(jù)采集模塊，其結構如圖3所示。其原理為：由專用的心電電極采集心電信號后將其送入前置放大器初步放大后，送入帶通濾波器進行干擾信號的過濾，濾波后的信號通過主放大器再次進行放大后，利用50HZ和35HZ兩種陷波器分別進行工頻和肌電干擾信號的過濾，最后將心電信號送入S3C2410里的A/D轉換器，進行高精度的A/D轉換。

3.3 心電顯示模塊

目前便攜式設備最常使用的顯示設備一般為LCD液晶顯示器，其優(yōu)點在于顯示精度高同時還節(jié)能省電。本系統(tǒng)采用一款日本三菱公司生產(chǎn)的型號為AA084VC03的TFT-LCD彩色液晶屏作為心電顯示模塊，屏幕大小為640×480。

3.4心電數(shù)據(jù)打印模塊

目前微型打印機一般有三種類型：針式、筆式和熱式。其中，熱式打印機可以說是物美價廉，在保證打印質(zhì)量的同時，還具備低耗節(jié)能、結構輕巧等優(yōu)點，因此被認為是最適合作為嵌入式系統(tǒng)的打印設備[5]。

本模塊使用行式熱敏打印機LTP1245，其打印機控制板的硬件總體框圖如圖4所示。

在本設計中，熱敏打印電路與SBC2410開發(fā)平臺通過串口方式進行連接通訊，打印機的通訊協(xié)議和漢字字庫已固化在打印機電路之中，通過與ARM9控制平臺交互調(diào)試，該模塊已達到設計目的，其打印速度可達50毫米/秒，打印效果良好。

4 系統(tǒng)軟件設計

本心電監(jiān)護系統(tǒng)軟件部分的設計主要工作為：移植操作系統(tǒng)；設計設備驅動程序；開發(fā)心電數(shù)據(jù)采集、顯示和心電波形檢測算法等應用程序。軟件層次如圖5所示：

4.1 軟件開發(fā)平臺搭建

操作系統(tǒng)負責整個系統(tǒng)的管理，進程調(diào)度等，整個系統(tǒng)軟件都建立在操作系統(tǒng)之上。因此，需要選擇適合應用的操作系統(tǒng)。

與當前市場上其他的嵌入式操作系統(tǒng)如pSOS或winCE相比，Linux操作系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是源代碼開放及免費，而且還具備良好的可移植性、完善的網(wǎng)絡功能以及功能強大的編譯器等。因此，本系統(tǒng)選用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺。

4.2 驅動程序設計

驅動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件設備之間的接口。其作為系統(tǒng)的底層，對上層應用程序的開發(fā)起到了基礎性的作用。

4.2.1 LCD液晶屏模塊驅動

S3C2410的LCD控制器用于傳輸視頻數(shù)據(jù)和產(chǎn)生必要的控制信號。控制信號有：VF-RAME、VLINE、VCLK、VM等，視頻數(shù)據(jù)端口是VD[23：0]。LCD控制器由REGBANK、LCDCDMA、VIDPRCS和LPC3600組成[6]。

本系統(tǒng)中，LCD驅動程序的主要編寫步驟為：

1）定義RGB數(shù)據(jù)結構，通過RGB值的變化確定顯示顏色；

2）設置LCD寄存器；

3）通過靜態(tài)編譯配置內(nèi)核，生成支持系統(tǒng)硬件的新內(nèi)核。

4.2.2 模數(shù)轉換ADC驅動

本系統(tǒng)使用A/D轉換器來轉換采集到的模擬心電信號，所以在編寫應用程序之前必須首先編寫和加載ADC驅動程序。

A/D轉換驅動程序的工作流程如圖6所示，主要包括A/D轉換器的打開、進行轉換并讀取結果/關閉轉換器等。

在本系統(tǒng)的開發(fā)過程中，A/D驅動程序采用動態(tài)編譯進內(nèi)核。首先用arm-linux-gcc對A/D轉換驅動程序進行交叉編譯，得到.ko文件，用insmod 命令將其加載到內(nèi)核里去，這樣系統(tǒng)就支持A/D采集了。

4.2.3 USB驅動

本系統(tǒng)在進行更新以及維護時，通常是通過USB接口進行傳輸程序的，因此也必須進行USB驅動的開發(fā)。USB設備的驅動程序包括主機端設備驅動程序、主機控制器驅動程序和設備驅動程序[7]。

在本系統(tǒng)中，USB驅動采取靜態(tài)編譯進內(nèi)核。為了能夠使系統(tǒng)掛載上U盤，還必須進行U盤支持的配置，同樣在內(nèi)核配置界面里配置。因為要U盤用到了SCSI 命令，所以先增加SCSI 支持。

本系統(tǒng)因為還要用到QT GUI 界面，為了能夠支持USB鼠標，還得進行USB鼠標配置。配置如下：

Device Drivers --->

[*] HID Devices --->

USB HID Boot Protocol drivers --->

<*>USB HIDBP Keyboard （simple Boot） support

<*> USB HIDBP Mouse （simple Boot） support

保存→退出

將內(nèi)核燒入目標板，重啟系統(tǒng)，重啟后的系統(tǒng)就有USB驅動，并且支持U盤掛載和USB鼠標了，這樣，通過Qt設計出來的界面就可以用鼠標點擊了。

4.2.4 SD卡驅動

根據(jù)本系統(tǒng)的設計需要，提供了SD卡存儲心電數(shù)據(jù)，因此，要進行SD卡驅動程序的設計。S3C2410芯片中已經(jīng)集成了一個SD卡主機控制器，用于訪問SD卡。Linux系統(tǒng)本身并不支持S3C2410的SD控制器，必須往內(nèi)核中移植驅動程序 [8]。

在本系統(tǒng)設計過程中，移植SD控制器驅動程序分為3個步驟：打補丁、增加SD平臺設備、修改主機控制器驅動程序以指定原理圖中的中斷。

1）給內(nèi)核打補丁

內(nèi)核中要增加對S3C2410的MMC/SD/SDIO控制器的支持，需要添加相應的程序代碼。從官方網(wǎng)站（http：//svn.openmoko.org/branches/src/target/kernel/2.6.14.x/patches）下載補丁包，然后修改/drivers/mmc/host /Kconfig文件用以向內(nèi)核增加驅動編譯選項，最后再修改同目錄下的Makefile文件添加編譯文件。

2）增加SD平臺設備

由于內(nèi)核本身不支持SD控制器，因此需要在s3cmci.c文件中添加相應的代碼以支持SD平臺設備，與其他大多數(shù)硬件驅動一樣，首先要初始化設備，向內(nèi)核注冊該設備。在s3cmci.c中有個s3cmci_init（）函數(shù)，它是該文件的入口函數(shù)，用來向內(nèi)核注冊添加不同平臺驅動。在此函數(shù)向內(nèi)核注冊的同時會調(diào)用s3cmci_driver_2410結構函數(shù)，這個結構中的成員是SD卡驅動的核心函數(shù)，包含了許多文件操作接口函數(shù)，內(nèi)核便是通過它來訪問這些操作接口函數(shù)的，其中包含了設備探測、設備的注銷和掛起等函數(shù)。

3） 指定中斷資源

根據(jù)開發(fā)板的硬件原理，nCD中斷信號線與S3C2410處理器的GPG8引腳相連，所以在drivers/mmc/host/s3cmci.c文件中，只要在s3cmci_def_pdata結構體中修改gpio_detect成員即可。

經(jīng)過修改后，就可以進行編譯了。SD卡驅動是通過靜態(tài)編譯進內(nèi)核的，因此在內(nèi)核配置界面進行配置后重啟系統(tǒng)，系統(tǒng)就能夠支持SD卡掛載了。

4.2.5 網(wǎng)卡驅動

在本系統(tǒng)的開發(fā)過程中，應用程序是通過網(wǎng)絡cifs拷貝到目標板上運行的，并且本系統(tǒng)在將來的擴展功能中，將要增加遠程網(wǎng)絡心電監(jiān)護功能，因此，必須為本系統(tǒng)配備網(wǎng)卡驅動程序。

本系統(tǒng)開發(fā)板采用了一款針對嵌入式應用的低成本局域以太網(wǎng)控制器CS8900A。該網(wǎng)卡驅動的開發(fā)，現(xiàn)在都是采用直接移植的方法。從網(wǎng)上下載cs8900.c和cs8900.h文件，把它們放到/drivers/net/arm/，接著只要對一些文件做一些修改，進行移植就可以了。

4.3 GUI應用軟件設計

Qtopia Core是挪威Trolltech公司發(fā)布的一款基于嵌入式Linux的面向單一應用的嵌入式產(chǎn)品的Qt開發(fā)平臺，它的前身是Qt/Embedded（常簡稱為Qt/E）。Qt是一種C++跨平臺開發(fā)工具，具有一次編程，多平臺運行的優(yōu)點[9]。因此，本文采用GUI開發(fā)軟件Qtopia Core設計了操作簡單、人機友好的心電監(jiān)護系統(tǒng)界面，該人機交互界面可實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、分析、存儲以及傳輸?shù)裙δ堋?/p>

根據(jù)對便攜式心電監(jiān)護系統(tǒng)的需求分析，可以將該系統(tǒng)分為五個功能模塊，其結構圖如圖7所示。分別是主控模塊、參數(shù)設置定模塊、實時任務處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和傳輸通信模塊。各功能模塊在各自獨立完成系統(tǒng)所分配任務的同時又通過系統(tǒng)的框架協(xié)議進行聯(lián)系。

5 系統(tǒng)測試與結果

為了檢驗本系統(tǒng)的準確性，在實驗階段，采用模擬心電信號發(fā)生器產(chǎn)生各種心電信號，用本系統(tǒng)進行采集。

開機后，進入心電監(jiān)護系統(tǒng)主界面，點擊監(jiān)護界面上的“啟動監(jiān)護”鍵，并打開模擬心電發(fā)生器，設置心率為79次/分鐘，幅度為1mv， 系統(tǒng)開始采集心電信號并在監(jiān)護界面上顯示心電波形和心電信號的特征參數(shù)，此時顯示心率為79次/分，并顯示心率正常。如圖8所示。

改變模擬心電發(fā)生器上的心電心率的頻率，設置為40次/分鐘，查看心電監(jiān)護系統(tǒng)的監(jiān)護界面，此時，心率欄顯示40次/分，并在分析結果欄顯示心率過慢。如圖9所示。

接著再次改變模擬心電發(fā)生器上的心電心率的頻率，設置為144次/分鐘，觀察監(jiān)護界面波形的變化情況，此時心率顯示142次/分，并顯示心率過快。如圖10所示。

按照上面的實驗進行10次，得到10組心電率數(shù)據(jù)，如表1所示。將監(jiān)護系統(tǒng)上顯示的心率與模擬心電發(fā)生器的心率進行比較，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)檢測得到的心率與產(chǎn)生的心率基本一致。

同時，還對本系統(tǒng)的其他功能進行了測試，發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)能夠正常設置各種參數(shù)，能夠進行正常存儲數(shù)據(jù)、報警、凍結、解凍當前心電界面，并且能夠長時間穩(wěn)定，準確的進行監(jiān)護。通過以上的實驗，說明本系統(tǒng)基本實現(xiàn)了設計的要求，能夠進行正常，可靠的顯示心電波形，從實驗的效果看，該系統(tǒng)工作性能良好，運行穩(wěn)定。

6 結束語

本文中心電監(jiān)護系統(tǒng)的實驗測試，是通過采集模擬心電發(fā)生器產(chǎn)生的心電信號來進行。實驗的結果證明了系統(tǒng)硬件和軟件設計的準確性和可靠性，有一定的實用價值，而且適應性較好，易于推廣應用。

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