鐘焯英 謝俊欽 張志鵬

1 佛山市中醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備科 （廣東 佛山 528000）

2 東莞市松山湖中心醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備科 （廣東 東莞 523326）

內(nèi)容提要：為了實現(xiàn)對醫(yī)學(xué)臨床監(jiān)護(hù)信號和信息的安全化、高效化傳輸，現(xiàn)設(shè)計一款功能完善、實用性強(qiáng)的醫(yī)用數(shù)字無線遙測系統(tǒng)。首先，結(jié)合系統(tǒng)應(yīng)用需求分析情況，從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計三個方面入手，完成系統(tǒng)總體設(shè)計。其次，從數(shù)據(jù)采集發(fā)射機(jī)、數(shù)據(jù)接收機(jī)、RF無線鏈路、微控制器、心電參數(shù)電路等方面入手，完成系統(tǒng)硬件電路設(shè)計。最后，從用戶登錄模塊、發(fā)射器上運(yùn)行程序設(shè)計、接收器上運(yùn)行程序設(shè)計等方面入手，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計。結(jié)果表明：文中設(shè)計的醫(yī)用數(shù)字無線遙測系統(tǒng)運(yùn)行正常、可靠、穩(wěn)定，各個功能模塊實現(xiàn)滿足設(shè)計相關(guān)要求。希望通過這次研究，為技術(shù)人員提供有效的借鑒和參考。

在射頻集成電路芯片技術(shù)的迅猛發(fā)展和普及下，我國逐漸掀起了無線應(yīng)用革命浪潮，并誕生了一種先進(jìn)、新型的無線遙感技術(shù)，促使醫(yī)療監(jiān)護(hù)產(chǎn)品向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、數(shù)字化方向不斷發(fā)展。為了促使醫(yī)學(xué)無線監(jiān)控與無線遙感技術(shù)得以充分結(jié)合，如何科學(xué)地開發(fā)和設(shè)計醫(yī)用數(shù)字無線遙測系統(tǒng)是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1.系統(tǒng)應(yīng)用需求分析

為了確保系統(tǒng)功能的強(qiáng)大性和適用性，本文所設(shè)計的醫(yī)用數(shù)字無線遙測系統(tǒng)必須滿足以下應(yīng)用需求：①該系統(tǒng)必須要表現(xiàn)出強(qiáng)大的自動化控制功能和遠(yuǎn)程診斷功能，確保數(shù)據(jù)備份的存儲的安全性和可靠性。②該系統(tǒng)必須表現(xiàn)界面簡潔友好、數(shù)據(jù)調(diào)用快捷方便等特點。③該系統(tǒng)必須表現(xiàn)出較高的保密性、易維護(hù)易升級性、拓展性和跨平臺性，確保各個操作系統(tǒng)均能夠正常、穩(wěn)定地運(yùn)行[1]。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

醫(yī)用數(shù)字無線遙測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計示意圖如圖1所示，從圖1中可以看出，該系統(tǒng)主要是由以下幾個部分組成：①數(shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)采集層主要用于對重要信息數(shù)據(jù)的全面化采集和整理，可以實現(xiàn)對多種格式視頻、圖像的全面化、完整化采集。該層在實際運(yùn)用中，主要涉及到了傳感器、攝像頭等設(shè)備，通過利用互聯(lián)網(wǎng)，可以將所采集好的信息數(shù)據(jù)安全、可靠地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲層中，同時，還能對所需信息數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一化處理，以達(dá)到保護(hù)信息數(shù)據(jù)的目的[2]。②數(shù)據(jù)存儲層。數(shù)據(jù)存儲層在實際運(yùn)行中，除了用到了分布式數(shù)據(jù)庫，還用到了分布式文件系統(tǒng)，所以，該層具有數(shù)據(jù)訪問速度快、數(shù)據(jù)拓展性高、安全可靠性強(qiáng)等特點，大大地提高了用戶的使用體驗，便于用戶可以靈活地拓展和管理數(shù)據(jù)存儲節(jié)點[3]。此外，數(shù)據(jù)存儲層通過利用數(shù)據(jù)備份方式，實現(xiàn)對重要數(shù)據(jù)的有效保護(hù)，避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失或者泄露問題。③數(shù)據(jù)展示層。為了提高數(shù)據(jù)展示層設(shè)計水平，技術(shù)人員要利用繪制圖表的方式，將相關(guān)信息數(shù)據(jù)形象、直觀地呈現(xiàn)在用戶面前，便于用戶查看和調(diào)用[4]。

圖1.醫(yī)用數(shù)字無線遙測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

醫(yī)用數(shù)字無線遙測系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)接收機(jī)、中央工作站和數(shù)據(jù)采集與發(fā)射機(jī)三個部分。其中，數(shù)據(jù)接收機(jī)主要用于對RS232串行數(shù)據(jù)的輸出，該接收機(jī)在實際設(shè)計中，主要采用了模塊化設(shè)計思想，便于后期有效地增添接收通道，確保該接收機(jī)與床邊監(jiān)護(hù)儀遙測進(jìn)行有效結(jié)合。數(shù)據(jù)采集與發(fā)射機(jī)主要用于傳感器與人體的有效連接。該傳感器作為一種重要的生理探測器，主要用于對人體心電、心音、血氧等指標(biāo)的檢查[5]。另外，對于數(shù)據(jù)采集發(fā)射機(jī)而言，主要是由患者進(jìn)行專門攜帶，通過利用該發(fā)射機(jī)，可以對采集好的患者生理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行全面化編碼處理，并將最終的處理結(jié)果發(fā)送出去，以實現(xiàn)對重要數(shù)據(jù)的有效接收，最后，將解碼處理后的數(shù)據(jù)安全、可靠地傳輸?shù)酱策叡O(jiān)護(hù)儀中，由床邊監(jiān)護(hù)儀對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行全面化顯示，同時，還能將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒牍ぷ髡荆芍醒牍ぷ髡矩?fù)責(zé)相關(guān)無線監(jiān)護(hù)工作的落實[6]。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫在增刪改查數(shù)據(jù)、保證數(shù)據(jù)存儲的安全性和可靠性方面發(fā)揮出重要作用，因此，在設(shè)計醫(yī)用數(shù)字無線遙測系統(tǒng)期間，技術(shù)人員要重視對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計[7]?，F(xiàn)以如表1、表2所示的“用戶信息表、醫(yī)學(xué)信號信息表”為例，對數(shù)據(jù)庫具體設(shè)計進(jìn)行介紹。

表1.用戶信息表

表2.醫(yī)學(xué)信號信息表

另外，為了確保所設(shè)計的數(shù)據(jù)庫更好地滿足數(shù)據(jù)的增刪改查操作，現(xiàn)將數(shù)據(jù)庫操作的封裝類主要代碼編寫如下：

3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集發(fā)射機(jī)

數(shù)據(jù)采集發(fā)射機(jī)在實際設(shè)計中，主要用到了以下兩種電路，分別是信號采集電路和射頻發(fā)射電路，中央處理器內(nèi)部主要用到了MSP430微控器，該微控器內(nèi)部主要用到了A/D轉(zhuǎn)換器和UARE口，具有低功耗、多重省電等特點，完全符合該系統(tǒng)設(shè)計需求，為系統(tǒng)開發(fā)提供了大大的便利[8]。射頻收發(fā)電路內(nèi)部所用到的電路主要以nRF903射頻集成電路為主，該集成電路屬于整個系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵部分，一旦設(shè)計不合理，勢必會影響該系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能。對于數(shù)據(jù)采集發(fā)射機(jī)而言，在實際供電中，通常會用到兩節(jié)2號電池，該電池容量為1800mAh，可以為微控制器提供源源不斷的電能[9]。另外，通過利用±6V電源變換芯片，對電路供電進(jìn)行精確化模擬。為了確保工作時間達(dá)到兩天以上，必須將發(fā)射機(jī)的功耗和射頻信號的平均功耗分別控制為70mW、20mW。

3.2 數(shù)據(jù)接收機(jī)

數(shù)據(jù)接收機(jī)內(nèi)部通常會用到大量接收器，這些接收器。通過利用專用系統(tǒng)軟件，可以精確化控制和調(diào)整載波頻率頻點，該接收機(jī)的工作原理為：通過借助nRF903開展相應(yīng)的解調(diào)任務(wù)，并向MSP430安全可靠地傳輸所接收的數(shù)據(jù)，由MSP430對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理[10]。最后，要借助所設(shè)置好的通訊協(xié)議，將各個通道心電波形傳輸?shù)街醒牍ぷ髡局校芍醒牍ぷ髡矩?fù)責(zé)對波形圖的精確化展示。與發(fā)射器外圍電路相比，接收器內(nèi)部電路連接相對比較簡單。

3.3 RF無線鏈路

RF無線鏈路在實際設(shè)計中，主要借助了TRF4400進(jìn)行實現(xiàn)，通過利用TRF4400，可以安全、可靠地傳輸基帶數(shù)字信號。此外，TRF6900主要用到了以下兩種技術(shù)，分別是DDS技術(shù)和PLL技術(shù)，通過利用這兩種技術(shù)，可以形成兩種頻率值不同的正弦波。當(dāng)傳輸值為0時，可以結(jié)合所設(shè)置好的參考頻率，完成對特定頻率值的設(shè)置，當(dāng)傳輸值為1時，可以結(jié)合所設(shè)置好的調(diào)制系數(shù)，完成對偏移頻率的科學(xué)調(diào)整和控制。這種頻率方式通常表現(xiàn)出較高的頻率分辨率和較寬的頻率范圍，主要用于對輸出功率的精確地調(diào)整和控制。工作模式主要包含模式0和模式1，通過將MODE線狀態(tài)設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)或者接收狀態(tài)，并選用合適的待機(jī)模式，完成對工作寄存器的科學(xué)設(shè)置，并借助所設(shè)置好的串行接口，選用合適的數(shù)據(jù)線，同時，向24位移寄存器上安全、可靠地傳輸重要數(shù)據(jù)。當(dāng)STROBE處于高電平狀態(tài)時，可以完成對相關(guān)工作寄存器的寫入，并將以上兩種工作模式的頻率統(tǒng)一設(shè)置為寄存器。此外，可以結(jié)合實際需求，對外接電路進(jìn)行靈活設(shè)置。該系統(tǒng)在對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收期間，主要用到了FSK調(diào)制解調(diào)模式，同時，將系統(tǒng)工作頻段設(shè)置為UHF頻段，通過選用頻分多址的方式，確保所采集的發(fā)射器與接收器之間保持一對一關(guān)系，并將單個發(fā)射器的寬帶和傳輸速率分別設(shè)置為50kHz、9600kbps，確保發(fā)射器功率完全滿足接收器靈敏度控制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。結(jié)合相關(guān)理論知識，發(fā)現(xiàn)發(fā)射器的最長傳輸距離可以達(dá)到十幾公里以上。但是，實際上，由于產(chǎn)生了大量的損耗，發(fā)射器實際傳輸距離僅僅達(dá)到了500m左右。為了確保無線數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性和可靠性，必須要嚴(yán)格按照無線傳輸相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，選用合適的無線傳輸收發(fā)模塊，完成對相關(guān)傳輸協(xié)議的制定。由于異步傳輸速度相對較低，一幀所傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)量僅僅為一個，又加上異步數(shù)據(jù)格式不符合TRF6900射頻處理需求，所以，相關(guān)人員要優(yōu)先選用同步幀格式，并將所發(fā)送的字節(jié)統(tǒng)一設(shè)置為位同步碼，用于對有效數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)的識別和區(qū)分，從而提高有效數(shù)據(jù)利用率。最后，為了確保無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，需要做好對相關(guān)碼的糾錯，同時，還要將CRC循環(huán)冗余碼應(yīng)用到通訊中，從而起到前向糾錯的作用。

3.4 接收箱電路

對于接收箱而言，其所有接收器模塊在實際運(yùn)用中，均可以借助軟件控制法，實現(xiàn)對信號強(qiáng)度的自動化切換，與發(fā)射器模塊之間具有一定的相似性。在對接收箱電路進(jìn)行設(shè)計期間，首先，技術(shù)人員要利用TRF6900確保解調(diào)工作執(zhí)行到位[11]；同時，還要向MSP430安全、可靠地傳輸所接收到的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行信號處理，從而形成相應(yīng)的心電信號，最后，還要利用所設(shè)置好的通訊協(xié)議，將這些信號傳輸?shù)酱策叡O(jiān)護(hù)儀中，由床邊監(jiān)護(hù)儀生動、形象地顯示和呈現(xiàn)所有通道的心電波形。

3.5 微控制器

該系統(tǒng)在實際設(shè)計中，所用到的微控制器是MSP430，該微控制器表現(xiàn)出功耗低、體積小、硬件資源豐富等特點。該系統(tǒng)還對護(hù)士呼叫等按鍵電路進(jìn)行有效擴(kuò)展，并利用發(fā)光二級管，完成對相關(guān)指示和報警功能的實現(xiàn)。

3.6 心電參數(shù)電路

通過借助保護(hù)電路，可以實現(xiàn)對人體微弱心電信號差模的有效放大，并對這些信號進(jìn)行濾波處理，從而形成相應(yīng)的心電信號，通過利用MSP430內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能，可以實現(xiàn)對參數(shù)電路的自動化控制。另外，通過利用PACE波檢法，可以實現(xiàn)對脈沖信號的采集和整理，為后期I/O口中斷功能的實現(xiàn)打下堅實的基礎(chǔ)。

4.系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

4.1 用戶登錄模塊設(shè)計

用戶登錄主流程如圖2所示，從圖2中可以看出，用戶登錄模塊在實際設(shè)計中，重點要做好對用戶登錄認(rèn)證操作。用戶在登錄系統(tǒng)之前，要輸入相應(yīng)的用戶名和密碼[5]。此時，系統(tǒng)客戶端對這些信息進(jìn)行加密處理，并將其上傳到管理服務(wù)器中，由服務(wù)器對用戶的用戶名和密碼信息進(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證通過后，向客戶端返回相應(yīng)的權(quán)限信息，此時，客戶端根據(jù)所獲取的權(quán)限信息，為用戶加載和呈現(xiàn)相應(yīng)模塊。一旦服務(wù)器對用戶的用戶名和密碼認(rèn)證失敗后，用戶無法登錄和訪問系統(tǒng)。

圖2.用戶登錄主流程

4.2 發(fā)射器上運(yùn)行程序設(shè)計

發(fā)射器上所運(yùn)行的程序主要用于對遙測相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、壓縮、打包和發(fā)送，該程序表現(xiàn)出計量量大、中斷頻率高、定時頻繁等特點，這無疑增加了對時間控制要求。通過借助AD中斷的方式完成對心電、體溫等醫(yī)學(xué)信號的全面化采集，同時，利用無線協(xié)議的傳輸格式，對所采集好的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時發(fā)送，這無疑增加了代碼開銷成本，導(dǎo)致數(shù)據(jù)流表現(xiàn)出較高的碼速率，此時，如果忽視了對數(shù)據(jù)的壓縮處理，在帶寬這一因素的限制下，會降低數(shù)據(jù)流的速度，無法對所需數(shù)據(jù)進(jìn)行實時化、安全化發(fā)送，這就需要采用數(shù)據(jù)壓縮法，對采集好的數(shù)據(jù)進(jìn)行充分壓縮，使得數(shù)據(jù)流的碼速率降到最低，在此基礎(chǔ)上，通過利用CRC循環(huán)冗余校驗法，對各個幀進(jìn)行組合處理，并采用中斷法，向nRF903中發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集發(fā)射機(jī)流程圖如圖3所示。

圖3.數(shù)據(jù)采集發(fā)射機(jī)流程圖

4.3 接收器上運(yùn)行程序設(shè)計

接收器上運(yùn)行程序主要涉及到了數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)糾錯、數(shù)據(jù)解壓縮、數(shù)據(jù)拆包等環(huán)節(jié)。該程序內(nèi)部通訊具有一定的復(fù)雜性，特別是在接收這一環(huán)節(jié)中，其通訊尤為復(fù)雜，同時，其計算量比較龐大。為了確保程序與發(fā)送兩者始終處于對等的狀態(tài)，需要利用UART口內(nèi)部中斷原理，完成對所需數(shù)據(jù)的接收，溶蝕，還要在糾錯數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮處理，然后，嚴(yán)格按照床邊監(jiān)護(hù)儀相關(guān)使用標(biāo)準(zhǔn)和要求，采用串口中斷的方式，完成對所需數(shù)據(jù)的實時化、安全化發(fā)送。數(shù)據(jù)接收機(jī)流程圖如圖4所示。

圖4.數(shù)據(jù)接收機(jī)流程圖

4.4 開發(fā)工具選擇

本次系統(tǒng)設(shè)計，所選用的開發(fā)工具是集成軟件開發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過借助仿真器，采用在線編程的方式，完成對目標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計。在集成環(huán)境下，采用以下兩種仿真方式，對使用C語言程序所編寫的程序進(jìn)行仿真處理。①軟件仿真。軟件仿真主要是指利用開發(fā)系統(tǒng)自帶的驅(qū)動程序庫，對系統(tǒng)進(jìn)行單步、斷點調(diào)試。②硬件仿真。硬件仿真主要是指利用仿真器，向單片機(jī)內(nèi)寫入相應(yīng)的程序，確保單片機(jī)運(yùn)行的實時性，并采用設(shè)置斷點法，對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，同時，利用調(diào)試窗口功能，完成對系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的全面化、實時化分析。

5.小結(jié)

綜上所述，本文所設(shè)計的醫(yī)用數(shù)字無線遙測系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)對心電、血壓、體溫等信號的實時化、安全化傳輸，還能保證醫(yī)學(xué)信號采集的全面性和完整性，為用戶提供了強(qiáng)大的臨床傳呼語音通訊功能，因此，該系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備中，并取得了良好的應(yīng)用效果。