家庭便携式远程医疗监护仪

家庭便携式远程医疗监护器1二等奖家庭便携式远程医疗监护器大学院校：华侨大学参赛队员：洪华峰钱江李永杰指导教师：凌朝东一.设计概述1.研究背景ƒ医学背景疾病的治疗转向疾病预防和保健。当今社会，人类对于自身的健康越来越关注，疾病的预防和保健已经成为人类生活中不可或缺的一部分，与其忍受疾病治疗时带来的痛苦和烦恼，不如在日常生活中就保持对自身身体状况的时刻关注。ƒ社会背景HHCE（家庭医疗保健工程）的兴起和人类对健康的重视。HHCE作为一门正在兴起的学科，正随人类对健康重视和国内外科技的发展而逐渐走进人类的生活中，它提倡的是一种“在家就医，自我保健，远程诊断“的概念，把高科技与医疗结合起来。HHCE的出现符合21世纪的社会老龄化、医疗费用日益高涨以及人们生活健康质量高要求的趋势，同时可以实现医疗资源共享，并能提高边远地区的医疗水平，因此具有特别旺盛的生命力。ƒ科技背景现代科技提供了技术基础。嵌入式的发展使得电子产品有了一次新的飞跃，产品的功能更加多样，配之网络通讯的发展使得连网设备得以实现，各种信息得以交流共享。制造工艺的提高也使芯片集成度更高，产品也更加便携简单化。NiosII嵌入式处理器设计大赛2007—优秀作品22.远程医疗远程医疗（Telemedicine）是网络科技与医疗技术结合的产物，它通常包括：远程诊断、专家会诊、信息服务、在线检查和远程交流等几个主要部分，它以计算机和网络通信为基础，实现对医学资料和远程视频、音频信息的传输、存储、查询、比较、显示及共享。图1远程医疗连网结构远程医疗的优点包括：1)在恰当的场所和家庭医疗保健中使用远程医疗可以极大地降低运送病人的时间和成本。2)可以良好地管理和分配家庭的紧急医疗服务，这可以通过将照片传送到关键的医务中心来实现。3)可以使医生突破地理范围的限制，共享病人的病历和诊断照片，从而有利于临床研究的发展。4)可以为偏远地区的医务人员提供更好的医学教育。3.设计考量1)在现有的医疗、社会和科技背景下，凸显出在医疗监护这个领域已经朝着个人化、便携化和多功能化的方向发展，因此需要这样的系统和相应的仪器来顺应其发展。这是设计的一个出发点。2)远程医疗的提出将目前HHCE的仪器更具有网络化，将适用范围扩展到了地球每个角落。从远程医疗的优点可以看出，将医疗仪器置身于连网世界中时，它将发挥更大的作用。3)就国内而言，该类产品的研究也属于刚起步阶段，远程网络也只是简单的完成数据库医疗数据的存储和传输，还没有真正完成将网络与医疗器械相结合。在国际方面，世界各国在此的研究均投入大量资金，但依然主要是使用价格昂贵的仪器完成医疗数据采集，然后依托PC/internet网络完成数据采集以及网络诊断。因此，我们的设计将是具有突破意义的。4)当前的设计解决方案层出不穷，以单片机、DSP、ARM、Nios®II嵌入式处理器等为开发的系统均是较好的解决方案，之所以看中NiosII软核处理器作为我们的设计开发核心，关键有以下一些考虑：首先，SOPC是Altera公司提出的一个灵活、高效的SOC解决方案。它将NiosII处理器、存储器、I/O口等系统设计需要的功能模块集成到一个FPGA上，构件成一个可编程的片上系统。具有灵活的设计方式，提供了许多可用的IP核，可裁减、可扩充、可升级的功能。家庭便携式远程医疗监护器3其次，NiosII属于软核嵌入式开发，具有灵活性、高性能、低成本、生命周期长等特点，并提供了大量的开发技术文档和实例，只要有能力，结合FPGA可以做出来任何想象的到的东西，其创造能力是强大的，这就是NiosII乃至其他所有软核CPU的昀大的意义所在。NiosII支持MicroC/OS-II、uClinux等多种实时操作系统，支持轻量级TCP/IP协议栈，支持*.zip的文件系统，NiosII处理器允许用户增加自定义指令和自定义硬件加速单元,无缝移植自定义外设和接口逻辑,在性能提升的同时，方便了用户的设计。第三，Altera在FPGA上开发嵌入式系统的研究一直走在前列，我们选择NiosII来开发这个系统，正是看中了这点，而且软核嵌入式的开发技术的发展正处于上升阶段，尽早掌握这项技术，可以使我们开发人员尽早占领嵌入式系统开发的前沿阵地。因此，综合上述的考量，我们的设计面向用户终端设计，为老龄化人群、依靠技术维持生命的年轻人和儿童(如事故、致残、先天性病症)、患有慢性病、晚期癌症或艾滋病患者以及特殊的健康人群(新婴儿、孕妇)提供便利、适宜、可自行操作，具备联网功能的家庭式远程医疗监护器。二.功能描述作品提供了一种对于家庭、社区医疗、出诊医生有效便捷的医疗监测解决方案。监护器主要面向用户终端设计，使个人能够方便的对自身的健康状况进行自我检测和分析，实时了解自己的身体各类信息（如心电ECG、脑电EEG、肌电EMG、呼吸体温等生医信号），同时仪器将这些信号参数通过仪器显示屏，以数字和波形形式显示出来，使个人能直观获得自己身体各类指标是否正常,被监护人可通过仪器提供的分析功能作出初步的病理诊断。另一方面，采集到的身体信息还能被存储起来，方便对数据的后续分析处理。随着远程医疗的深入发展，系统还通过网络等远端通讯技术将患者与医疗服务端（如医院、私人医师、监护中心等）建立连接，实时的将你的身体状况通过网络传递给你的远程数据库或医生，一来可以实现医疗信息的数据库管理，二来还真正实现的远程监护诊断，让个人不用出门就能得到昀及时有效的诊断。NiosII嵌入式处理器设计大赛2007—优秀作品4图2作品功能框图：功能介绍•实现多路生物医学信号同时采集对生物医学模拟信号的采集我们采用模块化的方式，不同参数用独立的调理板卡进行采集，主要由前端的医学传感器和信号滤波放大调理电路。针对身体信号的频段范围都2K以下，我们选用一款40K采样率的AD转换芯片作成模数转换板，并留出数据口供板卡接入。•实时显示身体信息(图形和数据)家庭便携式远程医疗监护器5数据采集采用串行输入,节省IO口,并且消除了并行带来的同步问题。数据采集后采用DMA方式传输数据到SDRAM缓存,大大减轻CPU的负担。为显示在SDRAM中开辟一个显示缓存区,依然使用DMA技术将数据传到LCD显示。自行设计AD采集和LCD接口控制IP。•友好的操作界面和多样的处理分析功能320*240TFTLCD屏显示，移植了用户图形界面UC/GUI使使用界面更加友好和美观。提供了监测、分析、存储和检测4个功能区和多个子功能操作，简单易操作。针对信号的特点编写了检测，分析和处理的算法，具备较高的准确性。•具备多个功能接口（如网络，CF/SD卡接口等）,便于数据的存储和传输提供SD卡作为存储设备，采用SD模式执行，采用FAT文16件系统的方式存取数据。PS/2接口能实现了与监护器的交互。•提供了可扩展的接口和软件升级硬件上提供USB，串口，IDE接口及驱动供后续平台更新，作品采用RTOS便以开发新应用程序的安装和升级•嵌入的WEB服务器使监护器能通过以太网实现被访问和传输数据。采用的网络接口芯片是DM9000,提供的芯片控制IP能使我们很容易的接入网络.而在协议层上,Altera又提供了LWIP这个软器件,它包含了网络所需的协议,SOCKETAPI供我们编写网页服务器，大大方便我们网络的通讯。设计为监护器都分配了一个IP或使用DHCP，远程PC可以通过网页形式访问，实时获取该监护器的信息和参数数据，同时通过网页上的输入区能将诊断信息发送给本地的监护器，实现远程监护。同时能将数据保存到远程的数据库进行管理。三.性能参数1.资源使用情况(1)系统设计资源使用情况如图3下：图3系统资源利用率(2)Performance:109.90MHZ(fmax)NiosII嵌入式处理器设计大赛2007—优秀作品6(3)单路AD采样控制器占用逻辑单元203Les,8192bitsmemory即缓存大小为512Byte*2，采样频率范围：0-1.667MHZ（受限于采样控制器TLC549昀高40KHZ的条件）在系统中设置的采样频率必须为（0-40KHZ）。如从软件设置的采样频率为1000HZ时输出采样频率为：999.98HZ。如图所示：图4AD芯片采样率(4)系统软件使用存储资源：3046Kbytes。2.作品性能参数(1)前端采集板性能参数表1为前置放大的通道带宽测试表。由表可见，在1～1kHz的频段内，前置放大器的增益基本稳定，亦即其通道带宽≥1kHz。表1前置放大的增益随频率变化表f(Hz)151020501002005001000G（Vpp=10mV）12.112.412.312.412.012.112.112.112.1表2显示的是放大器对大小信号的放大能力。在频率为20Hz和50Hz时，当输入信号幅度改变时，放大器增益并无明显变化，基本稳定。表2前置放大增益随输入信号幅度变化表Vpp(mV)406080100120150300400800f=20Hz11.912.312.412.612.512.712.513.013.3Gf=50Hz11.912.312.412.912.712.912.413.113.3家庭便携式远程医疗监护器7表3为陷波器的陷波特性测试表。提高衰减度是以牺牲其陷波阻带为代价的。也就是说只能调节到一个比较合适的点来取其衰减度和陷波阻带。表350Hz陷波器增益随频率的变化表f(Hz)11020404547484950515253556080G(Vpp=50mV)6.46.46.84.52.82.01.51.00.60.91.31.62.44.36.1(2)SD卡参数测试表4SD卡实现的文件操作功能文件系统开始/关闭FS_EXIT()、FS_INIT创建/关闭文件FS_FCLOSE()、FS_FOPEN()读/写文件数据FS_FREAD()、FS_FWRITE()文件定位FS_FSEEK()、FS_FTELL()文件/文件目录删除FS_REMOVE()文件目录创建/关闭FS_MKDIR()、FS_CLOSEDIR()目录打开/读/定位FS_OPENDIR()、FS_READDIR()、FS_REWINDDIR()测试采用对100个的16位数据进行文本文件的读写操作，用时40ms。假设前端的数据采样为2KHz，每秒采样2000个数据点，则存储时间为（2000/100）*40ms=800ms，结果显示保证了采集数据的不丢失。(3)网络速度测试世界网络的网站测试工具上的测试，我们设置监护器的IP是192.168.220.236，测试结果如下系统内置的PING工具测试效果：NiosII嵌入式处理器设计大赛2007—优秀作品8(3)ECG信号检测结果数据源：MIT/BIT心电数据库250Hz采样8bit量化采集4组信号进行检测表5R波检测结果信号心率节拍总数误判率漏检数误检心率节拍数误检率%Sddb-3015454150.32Sddb-32201367130.66Sddb-3533261514290.87Sddb-37211146100.47表6数据压缩的结果从数据上可以看出，心电检测算法的R波误检率平均为0.58%，数据压缩比达13.75倍，相关系数也达到了98.9%，其指标基本能保证较高水平。四.设计结构1.系统框图：监护器主要由生物医学信号前端采集调理、信号处理存储和传输平台及远程监护等三大模块组成，系统结构如图：信号CR压缩比%PRD%相关系数CC%Sddb-30197．399．7Sddb-32111698．8Sddb-35122397．9Sddb-37131399．2家庭便携式远程医疗监护器9图5系统结构图2.硬件平台：硬件平台采用DE2开发板，使用Altera公司的Cyclone®IIFPGAEP2C35F672C6芯片，利用SOPC(片上可编程系统)技术将NiosII软核、存储器、功能IP和I/O口等集成在一块FPGA芯片上，外围扩展数据采集模块、网络、LCD屏、触摸屏/键盘、USB/SD存储器等硬件来实现系统的硬件架构，且带有可扩展的I/O接口，便于系统功能升级。图6SOPC