论文部分内容阅读
【摘要】便携式多生理参数检测仪，用于同时检测人体的心电、血压、血氧等基本生理参数。本文介绍了便携式多生理参数检测仪的总体设计方案。该方案将无创检测技术、嵌入式系统技术、数字信号处理技术、人工神经网络技术相结合，拟研制出多功能、微型化、智能化的便携式多生理参数仪。
【关键词】便携式；嵌入式系统技术；微型化
引言
临床上重要的生理参数包括心电图（ECG）、血压、血氧饱和度等，这些基本生理参数中蕴涵着丰富的人体健康状态信息，对病人的治疗有着极其重要的临床意义。
在传统的生理参数检测中，医生分别利用心电图机、血压计、血氧仪等分立仪器来得到病人的这些指标。这些检查步骤使得医生在对病人的检查时需要花费较多的时间，而且过多的检查步骤容易使病人产生抵触感，使得检测效率降低。虽然针对多生理参数检测的问题，市场上出现了多参数监护仪，但是多参数监护仪存在的问题是它以危重病人的监护为目的，主要面向大型医院及ICU病房，虽然功能齐全，各项生理指标监测完备，但是体积较大、而且价格昂贵。不适用于在基层医疗机构进行推广。
为了解决这一问题，针对基层医疗机构的特点，以检测普通大众的基本生理指标为目的，拟设计出将电子血压计、血氧饱和度仪、心电图机的功能集合在一起的检测系统。与传统的多个分立仪器相比，该检测仪的出现将在保证生理参数检测完备的基础上，降低仪器的成本，减小体积，缩短检测时间，方便医生对患者进行诊断。同时也有利于医生掌握病人在血压、心电、心率、血氧等多参数同时变化时的情况，对医生的诊疗更有帮助。
本检测仪与传统的多个独立检测仪器相比具有检测速度快、成本低、体积小、重量轻等优点，其检测对象以基层大众为主要目标，使用简单、携带方便、智能化程度高，完全可以满足如社区医疗机构、乡镇医院、甚至野外作业等场所对多生理参数检测的需要，从而改善基层的医疗卫生条件，帮助医生提高诊疗手段，增强我国社区医疗的诊断水平，因此该仪器的推广和应用具有良好的社会效益。根据目前市场的情况，单个血压仪、血氧仪、多导心电仪、体温计的总共成本约为4万元人民币，而集成化的微型血压、血氧、心电多参数检测仪的成本约为1万元左右，这个价格对于远低于目前多个仪器的总价格，使这些社区医疗机构、乡镇医院均能装备起该仪器。如果推广开来，会大大降低医疗仪器的购置费用，从而降低医疗成本，具有可观的经济效益。
本检测仪涉及到的血压、血氧饱和度、心电、体温和呼吸等检测技术虽然发展比较成熟，但是仍有许多技术需要进行深入研究。而微型化的血压、血氧饱和度、心电集成化测量仪在国内外尚未出现，如果研制成功，将填补国内外空白，也为家庭、社区医疗机构检测和诊断提供更好选择
1.研究方案和技术路线：
1.1总体研究方案：
在便携式多生理参数仪的设计中，合理的硬件设计方案是系统集成化和微型化设计的关键。由于多参数检测仪需要完成多个功能，因此接口数量、处理速度、系统功耗都是需要解决的问题。同时便携式多生理参数仪又需要满足多通道采集、体积小、功耗低、成本低等要求，因此系统设计拟采用如图 1所示的解决方案。
如图1所示，人体的血压、血氧、心电等生理参数可以分别通过压电传感器、光电传感器、ECG干电极等输入到生理信号采集专用芯片中。从而分别将血管的压力信号、人体手指尖的光强信号、微弱生物心电信号转换为可以检测到的电信号。通过这些传感器和采集芯片，实现了不同类型的信号到电信号的转换。在进一步的进行处理和计算，将结果输出到LCD显示屏上，或者通过USB、打印机、远程医疗通信接口进行数据传输。
1.2 硬件系统解决方案：
根据以上便携式多生理参数检测仪的系统结构，其硬件系统的构成框图如图2所示：
此硬件系统以ARM处理器为核心，满足了系统多接口、低功耗的需要。同时利用ARMV5TE及以上体系的处理器芯片，如ARM926EJ-S和Cortex-A9内核芯片，利用内核里增强的DSP指令集，完成信号处理和识别中需要大量复杂数字运算的要求，进一步提高系统处理速度。在软件方面，利用嵌入式操作系统统一调度和管理整个系统，简化检测仪的软件开发过程，增加产品的可靠性和可移植性。并利用嵌入式操作系统中优秀的GUI，简化仪器的用户接口设计，使检测仪操作简单化。
在ARM处理器得到模拟信号以后，运行在其上面的嵌入式操作系统调用片内A/D转换程序对各通道的信号进行模数转换，之后调用各个信号处理任务对各自数据进行软件滤波、分析、阈值比较、识别等功能。最后通过GUI接口在触摸屏上以显示出ECG波形及血压、血氧、心率、体温等参数测量结果，并给出一定的判断结果和建议，以便提供给医务人员或病人作为参考。如果需要打印结果，可以通过打印机打印出报告单。如果需要得到具体的数据，可以通过USB接口取出结果。另外，系统还设计了远程医疗通信接口，可以将数据实时发送到远程工作站，完成远程医疗等服务。
2.市场效益和经济指标
本检测仪符合市场需求，具有广阔的市场前景。我国有4万多个乡镇，按照装备1/3的乡镇计算，共需要仪器为1.3万台，按照每台仪器成本5000元，销售价格1万元，则仪器产生的总利润为6千5百万元。
本检测仪与传统的多个独立检测仪器相比具有检测速度快、成本低、体积小、重量轻等优点，其检测对象以基层大众为主要目标，使用简单、携带方便、智能化程度高，完全可以满足如社区医疗机构、乡镇医院、甚至野外作业等场所对多生理参数检测的需要，从而改善基层的医疗卫生条件，帮助医生提高诊疗手段，增强我国社区医疗的诊断水平，有效解决“看病难、看病贵”的问题，因此该仪器的推广和应用具有良好的社会效益。
参考文献：
[1] 杨春燕，肖吉林 .带ADC、PWM和比较器的单片机-EM78P458[J]国外电子元器件，1999，（11）.
[2]陈真诚；金星亮；徐效文；朱健铭；王弟亚；；一种无创血糖检测仪的初步研究[J]；传感技术学报；2008年07期.
[3]李作君；张跃；；动态血氧监测中脉搏波处理和脉率提取新方法[J]；自动化与仪表；2009年12期.
[4]王弟亚；陈真诚；朱健铭；金星亮；；基于无创血糖检测的传感器集成设计[J]；传感器与微系统；2009年12期.
【关键词】便携式；嵌入式系统技术；微型化
引言
临床上重要的生理参数包括心电图（ECG）、血压、血氧饱和度等，这些基本生理参数中蕴涵着丰富的人体健康状态信息，对病人的治疗有着极其重要的临床意义。
在传统的生理参数检测中，医生分别利用心电图机、血压计、血氧仪等分立仪器来得到病人的这些指标。这些检查步骤使得医生在对病人的检查时需要花费较多的时间，而且过多的检查步骤容易使病人产生抵触感，使得检测效率降低。虽然针对多生理参数检测的问题，市场上出现了多参数监护仪，但是多参数监护仪存在的问题是它以危重病人的监护为目的，主要面向大型医院及ICU病房，虽然功能齐全，各项生理指标监测完备，但是体积较大、而且价格昂贵。不适用于在基层医疗机构进行推广。
为了解决这一问题，针对基层医疗机构的特点，以检测普通大众的基本生理指标为目的，拟设计出将电子血压计、血氧饱和度仪、心电图机的功能集合在一起的检测系统。与传统的多个分立仪器相比，该检测仪的出现将在保证生理参数检测完备的基础上，降低仪器的成本，减小体积，缩短检测时间，方便医生对患者进行诊断。同时也有利于医生掌握病人在血压、心电、心率、血氧等多参数同时变化时的情况，对医生的诊疗更有帮助。
本检测仪与传统的多个独立检测仪器相比具有检测速度快、成本低、体积小、重量轻等优点，其检测对象以基层大众为主要目标，使用简单、携带方便、智能化程度高，完全可以满足如社区医疗机构、乡镇医院、甚至野外作业等场所对多生理参数检测的需要，从而改善基层的医疗卫生条件，帮助医生提高诊疗手段，增强我国社区医疗的诊断水平，因此该仪器的推广和应用具有良好的社会效益。根据目前市场的情况，单个血压仪、血氧仪、多导心电仪、体温计的总共成本约为4万元人民币，而集成化的微型血压、血氧、心电多参数检测仪的成本约为1万元左右，这个价格对于远低于目前多个仪器的总价格，使这些社区医疗机构、乡镇医院均能装备起该仪器。如果推广开来，会大大降低医疗仪器的购置费用，从而降低医疗成本，具有可观的经济效益。
本检测仪涉及到的血压、血氧饱和度、心电、体温和呼吸等检测技术虽然发展比较成熟，但是仍有许多技术需要进行深入研究。而微型化的血压、血氧饱和度、心电集成化测量仪在国内外尚未出现，如果研制成功，将填补国内外空白，也为家庭、社区医疗机构检测和诊断提供更好选择
1.研究方案和技术路线：
1.1总体研究方案：
在便携式多生理参数仪的设计中，合理的硬件设计方案是系统集成化和微型化设计的关键。由于多参数检测仪需要完成多个功能，因此接口数量、处理速度、系统功耗都是需要解决的问题。同时便携式多生理参数仪又需要满足多通道采集、体积小、功耗低、成本低等要求，因此系统设计拟采用如图 1所示的解决方案。
如图1所示，人体的血压、血氧、心电等生理参数可以分别通过压电传感器、光电传感器、ECG干电极等输入到生理信号采集专用芯片中。从而分别将血管的压力信号、人体手指尖的光强信号、微弱生物心电信号转换为可以检测到的电信号。通过这些传感器和采集芯片，实现了不同类型的信号到电信号的转换。在进一步的进行处理和计算，将结果输出到LCD显示屏上，或者通过USB、打印机、远程医疗通信接口进行数据传输。
1.2 硬件系统解决方案：
根据以上便携式多生理参数检测仪的系统结构，其硬件系统的构成框图如图2所示：
此硬件系统以ARM处理器为核心，满足了系统多接口、低功耗的需要。同时利用ARMV5TE及以上体系的处理器芯片，如ARM926EJ-S和Cortex-A9内核芯片，利用内核里增强的DSP指令集，完成信号处理和识别中需要大量复杂数字运算的要求，进一步提高系统处理速度。在软件方面，利用嵌入式操作系统统一调度和管理整个系统，简化检测仪的软件开发过程，增加产品的可靠性和可移植性。并利用嵌入式操作系统中优秀的GUI，简化仪器的用户接口设计，使检测仪操作简单化。
在ARM处理器得到模拟信号以后，运行在其上面的嵌入式操作系统调用片内A/D转换程序对各通道的信号进行模数转换，之后调用各个信号处理任务对各自数据进行软件滤波、分析、阈值比较、识别等功能。最后通过GUI接口在触摸屏上以显示出ECG波形及血压、血氧、心率、体温等参数测量结果，并给出一定的判断结果和建议，以便提供给医务人员或病人作为参考。如果需要打印结果，可以通过打印机打印出报告单。如果需要得到具体的数据，可以通过USB接口取出结果。另外，系统还设计了远程医疗通信接口，可以将数据实时发送到远程工作站，完成远程医疗等服务。
2.市场效益和经济指标
本检测仪符合市场需求，具有广阔的市场前景。我国有4万多个乡镇，按照装备1/3的乡镇计算，共需要仪器为1.3万台，按照每台仪器成本5000元，销售价格1万元，则仪器产生的总利润为6千5百万元。
本检测仪与传统的多个独立检测仪器相比具有检测速度快、成本低、体积小、重量轻等优点，其检测对象以基层大众为主要目标，使用简单、携带方便、智能化程度高，完全可以满足如社区医疗机构、乡镇医院、甚至野外作业等场所对多生理参数检测的需要，从而改善基层的医疗卫生条件，帮助医生提高诊疗手段，增强我国社区医疗的诊断水平，有效解决“看病难、看病贵”的问题，因此该仪器的推广和应用具有良好的社会效益。
参考文献：
[1] 杨春燕，肖吉林 .带ADC、PWM和比较器的单片机-EM78P458[J]国外电子元器件，1999，（11）.
[2]陈真诚；金星亮；徐效文；朱健铭；王弟亚；；一种无创血糖检测仪的初步研究[J]；传感技术学报；2008年07期.
[3]李作君；张跃；；动态血氧监测中脉搏波处理和脉率提取新方法[J]；自动化与仪表；2009年12期.
[4]王弟亚；陈真诚；朱健铭；金星亮；；基于无创血糖检测的传感器集成设计[J]；传感器与微系统；2009年12期.