摘 要： 研究了一種基于SoPC的體外反搏控制系統(tǒng)，通過(guò)SoPC技術(shù)將數(shù)據(jù)采集控制模塊、中央處理器、VGA控制器等單元集成到一塊FPGA芯片上，該系統(tǒng)具有性能高、抗干擾性強(qiáng)、可重構(gòu)、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)采用了數(shù)字信號(hào)處理和硬件電路相結(jié)合的方法進(jìn)行基線矯正和自動(dòng)增益調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的適用性。系統(tǒng)很好地完成了對(duì)體外反搏裝置的控制，同時(shí)也推進(jìn)了體外反搏系統(tǒng)向微型化、家庭化的方向發(fā)展。
關(guān)鍵詞： 體外反搏；SoPC；小波分析；心電信號(hào)
體外反搏器是一種無(wú)創(chuàng)傷的體外輔助循環(huán)裝置，在增強(qiáng)心、腦等器官的血液供應(yīng)，促進(jìn)缺血組織器官側(cè)支循環(huán)的建立以及消除疲勞等方面具有顯著的功效[1]。SoPC(System on a Programmable Chip)技術(shù)結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)和FPGA的優(yōu)點(diǎn)，為高性能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新的實(shí)現(xiàn)方法，它具有電路體積小、易編程、運(yùn)行速度快、穩(wěn)定性高、軟件設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)，在醫(yī)療器械開發(fā)中有廣泛的應(yīng)用前景。采用SoPC技術(shù)設(shè)計(jì)體外反搏器的控制系統(tǒng)能使整個(gè)系統(tǒng)在性能、抗干擾、重構(gòu)性和擴(kuò)展性等方面都得到顯著改善，同時(shí)也促進(jìn)了體外反搏器向微型化、家庭化的方向發(fā)展。
1 體外反搏的醫(yī)學(xué)機(jī)理及實(shí)現(xiàn)
心臟的供血主要在心臟的舒張期內(nèi)完成。如果在心臟舒張期內(nèi)人為增高動(dòng)脈血壓，就會(huì)增加心臟的供血——這就是體外反搏最基本的醫(yī)學(xué)機(jī)理[2]。
體外反搏系統(tǒng)是一種無(wú)創(chuàng)傷機(jī)械輔助循環(huán)裝置，它是一種應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。作為一種用于防治心腦血管疾病的醫(yī)療設(shè)備，它通過(guò)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件控制包裹于人體下半身的氣囊，在心臟舒張期序貫式地加壓，使下半身的血液驅(qū)返至主動(dòng)脈，使舒張壓明顯增高，大量血液向心腦、腎、五官灌注，為心臟增加血流，同時(shí)降低主動(dòng)脈收縮壓，減輕心臟的阻力負(fù)荷及心肌耗氧量[3]。
心臟舒張期產(chǎn)生時(shí)間的檢測(cè)十分重要，其中檢測(cè)心電信號(hào)是最直接的方法。如圖1所示，典型的心電信號(hào)主要由P波、QRS波群、T波等組成。P波對(duì)應(yīng)于心房收縮開始，P-Q期間代表心房收縮開始至心室收縮開始的時(shí)間，T波反映心室舒張期開始。由于T波幅值小、不易檢測(cè)，QRS波幅值大、斜率大，本設(shè)計(jì)通過(guò)QRS波來(lái)識(shí)別心臟的舒張期[4]。當(dāng)檢測(cè)到QRS波后，系統(tǒng)延時(shí)Q-T間期，便對(duì)氣囊依次充氣；當(dāng)充氣時(shí)間到了設(shè)定時(shí)間時(shí)，便控制氣囊放氣；反搏控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不斷檢測(cè)到的心電周期計(jì)算出Q-T間期，并自動(dòng)調(diào)節(jié)反搏參數(shù)，從而保證反搏時(shí)序能自動(dòng)跟蹤心電信號(hào)的變換。
2 體外反搏控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
體外反搏控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由信號(hào)采集檢測(cè)部分、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。在信號(hào)檢測(cè)回路中，利用作用在人體表面的電極直接檢測(cè)皮膚表面兩點(diǎn)間的電位差，從而得到心電信號(hào)，另一路是利用一種光電傳感器檢測(cè)脈搏血流狀況，判斷反搏效果。以SoPC為核心的片上系統(tǒng)的功能是對(duì)采集的心電信號(hào)進(jìn)行處理，以控制包裹在人體下肢及臀部上的氣囊，使之按反搏要求充放氣，同時(shí)還需要協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分的動(dòng)作。執(zhí)行部分有氣泵、儲(chǔ)氣箱、電磁閥、氣路和氣囊[5]。通過(guò)控制器對(duì)電磁閥的控制，對(duì)氣囊進(jìn)行充放氣，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體動(dòng)脈的序貫式反搏。
2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
體外反搏控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包括心電信號(hào)采集及預(yù)處理模塊、SoPC和電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊。其中SoPC又包括心電信號(hào)處理及識(shí)別模塊和顯示模塊等。從人體體表拾取的心電信號(hào)很微弱，一般只有0.05 mV～5 mV。在測(cè)量中，對(duì)于如此微弱的信號(hào)，采集之前必須進(jìn)行預(yù)處理。心電信號(hào)采集及預(yù)處理模塊的功能就是對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，并濾除干擾信號(hào)。其中主要的干擾是基線漂移、工頻干擾和肌電干擾。由呼吸引起的基線漂移信號(hào)的頻率一般低于1 Hz，是十分緩變的信號(hào)；工頻干擾是由人體分布電容引起的，頻率固定為50 Hz；肌電干擾頻率一般在5 Hz～2 kHz之間，表現(xiàn)為不規(guī)則的雜波形式。
SoPC主控制器是本系統(tǒng)的重點(diǎn)，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、抑制基線漂移控制模塊、小波算法模塊、NiosⅡ模塊和VGA顯示控制模塊等。數(shù)據(jù)采集模塊的功能是產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換芯片的控制信號(hào)，并將A/D轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)據(jù)變成并行數(shù)據(jù)，隨后產(chǎn)生相應(yīng)的中斷信號(hào)，以提示NiosⅡ采集數(shù)據(jù)有效；抑制基線漂移控制模塊的功能是將采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)求均值，并由求得的均值判斷是否基線漂移，如果漂移了則產(chǎn)生控制信號(hào)控制基線漂移抑制電路進(jìn)行調(diào)節(jié)；小波算法模塊的功能是根據(jù)Mallat小波算法進(jìn)行多尺度小波分解，從而得到多尺度上的細(xì)節(jié)信號(hào)；NiosⅡ模塊的功能是協(xié)調(diào)各部分的運(yùn)行，計(jì)算出檢測(cè)R波的初始閾值，隨后還需根據(jù)小波分解所得的多尺度細(xì)節(jié)信號(hào)不斷地更新閾值。另外由于此模塊能得到R波幅值，而自動(dòng)增益調(diào)節(jié)的依據(jù)就是R波的幅值，因此該模塊還兼有產(chǎn)生自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益調(diào)節(jié)的功能。與此同時(shí)還應(yīng)根據(jù)閾值實(shí)時(shí)地檢測(cè)R波，在檢測(cè)到R波后啟動(dòng)定時(shí)器，進(jìn)行反搏控制。而且在信號(hào)采集期間還要根據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中的采集信號(hào)改寫片外SRAM中的顯示數(shù)據(jù)，而該模塊中的DMA功能塊負(fù)責(zé)將SRAM中的顯示數(shù)據(jù)送到VGA控制器的FIFO中；VGA顯示控制模塊的功能是接收DMA傳送的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生VGA顯示器的同步信號(hào)和三基色信號(hào)，從而將采集進(jìn)來(lái)的心電信號(hào)和指脈信號(hào)，以及相應(yīng)的參數(shù)和系統(tǒng)工作狀態(tài)送到顯示器上顯示。SoPC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
體外反搏的輸出部分主要包括氣泵、電磁閥、輸氣管道和氣囊。電磁閥分別根據(jù)設(shè)定的時(shí)序，用功率三極管TIP41C進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。體外反搏要求充氣迅速，因此氣泵應(yīng)選擇大流量低壓泵，與此同時(shí)，為了使輸出氣壓穩(wěn)定和提高瞬時(shí)氣體流量，本系統(tǒng)增加了一個(gè)儲(chǔ)氣罐，而儲(chǔ)氣罐的壓力由壓力閥控制。
2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
體外反搏控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想是：首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，待采集的數(shù)據(jù)存滿數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)后，讓系統(tǒng)有個(gè)開機(jī)自學(xué)習(xí)的過(guò)程，在此過(guò)程中系統(tǒng)不進(jìn)行反搏操作，而是根據(jù)采集的心電信號(hào)計(jì)算出檢測(cè)R波的初始閾值，由此結(jié)束開機(jī)自學(xué)習(xí)過(guò)程；然后用初始閾值檢測(cè)下個(gè)采樣周期中的R波信號(hào)，并進(jìn)行反搏操作。在此之后系統(tǒng)軟件不斷地更新檢測(cè)R波的閾值，實(shí)現(xiàn)可變閾值檢測(cè)[6]。由于檢測(cè)R波的閾值要由原信號(hào)中的R波數(shù)
據(jù)計(jì)算得出，為了避免新采集的數(shù)據(jù)覆蓋以前數(shù)據(jù)的情況發(fā)生，本系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)標(biāo)志位，使得數(shù)據(jù)采集和閥值更新分別在兩個(gè)不同的存儲(chǔ)區(qū)中進(jìn)行，并不斷地在兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)間相互切換。而反搏的具體過(guò)程如下：在檢測(cè)到R波后，延時(shí)一段時(shí)間，順序地打開3個(gè)充氣閥，最后根據(jù)反搏時(shí)間關(guān)斷充氣閥、打開排氣閥。這里的反搏時(shí)間可以自由設(shè)置。此外系統(tǒng)中還含有自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路，并由R波的平均值來(lái)判斷如何進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)R波的平均值小于某個(gè)閾值時(shí)，則控制自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路使增益變大，反之則使增益變小。
本文設(shè)計(jì)了一種基于SoPC技術(shù)的體外反博控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)使用簡(jiǎn)單、功耗低、抗干擾性強(qiáng)、系統(tǒng)可擴(kuò)展等特點(diǎn)。使用者可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求，結(jié)合臨床實(shí)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)和功能進(jìn)行完善，提高工作性能。
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