基于嵌入式人体生理信号监测系统的设计 生理信号监测系统

　　摘要:本文介绍了一种经济、实用型的家用人体生理信号监测系统,控制终端采用S3C2410嵌入式微处理,裁剪后Linux操作系统,并用QT开发出了用户图形界面。 　　关键词:人体生理信号 嵌入式 QT
　　中图分类号: 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2010)01-0000-00
　　
　　Abstract:This article describles an economical ,pratical household human physiological signal monitoring system,control terminal uses S3C2410 embedded micro-processor,cutting linux operation and QT to develop user graphical interface.
　　Keyword:human physiological signal embedded system QT
　　
　　1 引言
　　随着社会的发展和人民生活水平的提高,人们对于健康的重视程度日益增加,人们对于医疗保健的需求也越来越旺盛。科学技术的发展使得社会的竞争更加激烈,人们生活节奏更快,压力也越来越大,以及生活环境的改变,使得人们的健康状况却在不断的下降。特别是对于老年人,容易得冠心病、高血压、高血脂、糖尿病等多发病。这些疾病一旦发作将造成无法预料的后果。
　　截至去年底,我国60岁以上的老年人口已经达到1.6亿,且每年以近八百万的速度增加。针对人们对自身健康的日益关注,借鉴国内外在生理信号监测方面的研究进展,分析目前国内相关领域的发展水平和未来的市场应用前景,为了方便人们及时发现疾病并进行治疗,开发一种便携、经济、实用的家用人体生理信号监测系统,实现人们的自我发现、自我诊断以及自我护理势在必行。
　　
　　2 系统总体框架结构
　　随着传感器技术、嵌入式技术和无线网络的快速发展,人体健康监测逐渐向微型化、远程化和社会化发展。本文结合实际应用,开发一种有潜力的家庭医疗监护系统。实现足不出户就能轻松发现潜在的隐患,加强疾病预防,便于早发现、早治疗。
　　本系统主要由前端的采集单元、信号调理与模数转换单元和控制终端存储单元、显示单元及通信单元组成。前端传感器经过相应的处理后,将生理信号转换成电信号,进入信号调理过程,经过放大、滤波等处理后,将模拟量转换成数字量,最后接入到控制终端完成数据采集的控制以及量化的显示。具体的系统框架如下图:
　　此系统能完成心电、血氧、脉搏和呼吸波等信号的采集,经过相应的信号调理单元处理,送入ARM9处理器单元,转换成可视波形和数据,用于分析和诊断。系统实现功能方式大致相同,所以本文以其中血氧饱和度采集为例进行系统的分析。
　　
　　3 血氧测量原理和模块选择
　　血氧是指血液中的含氧度。人是靠氧气生存的,氧气从肺部吸入后氧气就经毛细血管进入到血液中,由血液传送给身体各部位器官或细胞使用。血液中含氧量越高,人的新陈代谢就越好。当然血氧含量高并不是一个好的现象,人体内的血氧是有一定的饱和度的,过低过高都会引起身体的病变。
　　血氧饱和度测量的原理是根据还原血红蛋白、氧合血红蛋白在红光和近红外光区域的吸收光谱特性为依据的,运用郎伯―比尔定律(Lamber―Beer Law)建立数据处理经验公式。血氧测量模块所用的探头使用时是套在手指上的。上壁固定了两个并列放置的发光二极管(LED),发出波长为660nm的红光和940nm的近红外光。下壁有一个光电检测器,将透射过手指的动脉血管的红光和红外光转换成电信号,它所检测到的光电信号越弱,表示光信号穿透探头部位时,被那里的组织、骨头和血液等吸收掉的越多。皮肤、肌肉、脂肪、静脉血、色素和骨头等对这两种光的吸收系数是恒定的,因此它们只对光电信号中的直流分量大小发生影响。但是血液中的Hb02和Hb浓度随着血液的脉动作周期性的改变,因此它们对光的吸收也在脉动地变化,由此引起光电检测器输出的信号强度随血液中的Hb02和Hb浓度比脉动地改变。如果用光吸收来表示,红光和近红外光作用时,信号的变化规律大致一样,但脉动分量的幅度可能不同,设法让上述两种波长的红光和近红外光轮流通过检测部位,并将这两个信号中的脉动成分分离出来,经过放大和 滤波后,分别由模/数转换器转换成数字量,便可以根据下式计算出血氧饱和度:
　　 此式中的 , ,是经验常数,而R是在某个很小的时间间隔上,两种光电信号的幅度变化量之比,既:
　　光电流信号被转换成电压信号,并经过放大、滤波、信号基线电平变换和去直流分量等信号调理过程后,加到一个具有自动增益调整功能的电压/电流转换电路,然后由积分电路对信号电流积分,其输出被一个模数转换器转换成数字信号。
　　血氧饱和度测量模块采用北京迈创通元电子仪器有限公司的SWS01血氧饱和度测量模块。该模块特点:能够快速、准确地测量血氧饱和度和脉率。加强了抗弱灌注性能。采取抗高频干扰屏蔽措施,读数极为稳定,进行了大量与血气分析仪的临床对比试验,测量精度远高于同类产品符合FDA和CE要求的电气安全设计。适用于成人、小儿、新生儿。单电源5V工作,低功耗设计。模块输出采用串口通讯方式,基本格式为:数据格式:起始位 + 8 位数据位 + 1位停止位, 奇校验;波特率: 4800 baud
　　
　　4 嵌入式控制终端
　　嵌入式系统通常是面向某个特定应用的,构成包括硬件和软件两个部分,硬件部分包括处理器、存储器及外设和IO端口、图形控制器等。软件部分由嵌入式操作系统和嵌入式应用软件两大部分组成。其中应用软件部分是为特定的用户群开发设计的。从应用角度来看,嵌入式系统有实时性好、可裁剪、可靠性高和功耗低等特定,广泛应用于生产过程控制、数据采集、传输通信等场合。嵌入式系统基本构成框图如下:
　　系统的控制终端CPU采用三星公司生产S3C2410处理器,处理器使用哈佛结构,将指令和数据存储器分开。采用5级整数流水线工作方式,指令执行效率更高。支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。支持全性能的MMU,支持Windows CE、Linux等多种主流的嵌入式操作系统。处理器还提供了各种外围接口如LCD接口、触摸屏接口、UART接口、USB接口、SD卡接口等,而且处理器还具有高性能、低功耗、体积小等优良特性,适用于设计体积小、便于携带的设备。
　　5 嵌入式系统软件编程
　　嵌入式系统软件的操作系统部分采用Linux操作系统,Linux操作系统经过小型化裁剪后,能够固化在容量只有几百KB或几MB的存储器芯片或单片机中,应用于特定的嵌入式场合。它是一个免费软件,源代码开放。具有很高的稳定性和可靠性,丰富的开发工具和大量的技术支持,让它成为嵌入式开发人员的挚爱。Linux与Windows CE等主流操作系统相比,Linux支持几乎所有的主流芯片,对多数嵌入式系统具有成本敏感性,处理器速度较低,存储器空间较少来说,Linux体系结构比较灵活,易于裁剪。且Linux图形系统不在内核中,支持模块机制,内核可根据需要加入或去掉,能自由修改源代码,具有极强的可定制性。
　　人机交互是本系统的重要环节,通过人机界面,可以清晰地看到测量到的数据和具体的波形,具有直观性。Linux图形界面GUI的开发程序中,界面功能强大的开发QT首屈一指。
　　Qt/Embedded是一个专门为小型设备提供图形界面的应用开发环境。它提供了丰富的窗口部件集,具有面向对象、易于扩展、真正的组件编程等特点。创立了一种新的机制――信号与插槽机制,用于对象间互相通信。信号与插槽完全取代了原始的回调和消息映射机制,使得我们通信程序更为简洁明了,例如一个按钮被单击时会激发一个“clicked”信号,程序员通过建立一个函数(用户槽函数),然后调用connect()函数把这个插槽和信号连接起来,这样,就完成了一个事件和响应代码的连接,不需要类之间相互知道细节。
　　建立Qt 开发环境,首先在XP系统上安装虚拟机VMware Workstation,在虚拟机上安装虚拟Linux操作系统,在系统下安装QT安装程序。使用QT图形设计器Qt Designer进行程序编程。部分程序如下:
　　交叉编译过程:
　　将Makefile文件内容中LINK=arm-linux-gcc这句话改为LINK=arm-linux-g++
　　这么做是因为要用arm-linux-g++进行链接。
　　将LIBS=$(SUBLIBS) -L$(QTDIR)/lib �lm �lqte这句话改为LIBS=$(SUBLIBS) �L /usr/local/arm/2.95.3/lib �LS(QTDIR)/lib �lm �lqte
　　这么做是因为链接时要用到交叉编译工具toolchain的库。最后在命令行下输入make命令,对整个工程进行编译链接。生成的二进制文件就能在S3C2410开发板上运行了。最后执行后的效果图如下图5所示:
　　
　　6 结语
　　 此系统经过实际应用测试,运行稳定,效果良好。图形界面友好、操作简单、直观,为清晰明了分析被测者的血氧饱和度,提供了有力的依据。
　　
　　参考文献
　　[1] 锐极电子科技有限公司.ARM&Linux嵌入式系统开发详解[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.3.
　　[2] 三恒星科技.ARM9应用实例[M].北京:电子工业出版社,2008.3.
　　[3] 杨刚,等编著.嵌入式系统设计与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.3.
　　
　　①基金项目:哈尔滨工业大学合作课题,“985”子项目。
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