在現有的醫療、社會、科技背景下，醫學監護己經朝著個人化、便攜化和多功能化的方向發展。目前家用便攜式醫療電子產品已在越來越多的家庭中廣泛使用，但這類產品功能比較單一，通常只對某種單一疾病的生理參數提供監測[1]，比如心臟病、高血壓或糖尿病等，不能滿足多項生理信號實時監控的要求。功能全面的醫用監護儀大多體積龐大，一般應用在醫院等固定場所。隨著我國經濟的發展，心血管疾病已經成為中國成人首要的死亡原因[2]。鑒于心血管疾病患者發病前期不能長期靜臥于醫院，又需要對病情進行長期監護，因此研制一款高性能的便攜式多參數生理信號監護儀對心血管患者的實時監護具有十分重要的意義。利用FPGA并行運算的優點[3]，本文設計了一種便攜式多通道生理信號監護儀，實現了對多項生理參數的實時監護。系統采用智能化電源管理方案，功耗低,續航時間長,體積小,重量輕,操作簡單，滿足了心血管患者家庭實時監護的需要。

1系統硬件設計
    該便攜式多通道生理信號監護儀的硬件部分主要包括信號調理、數據采集與數據處理、數據存儲與數據讀取、數據通信、人機交互5個模塊。 系統硬件框圖如圖1所示。

    該系統采用Altera公司的Cyclone II系列 EP2C35F672作為中央處理芯片。EP2C35F672采用可編程的查找表LUT(Look Up Table)結構，支持129通道的LVDS(低壓差分串行)和RSDS(去抖動差分信號)，最高支持640 Mb/s的數據傳輸能力，與一般處理器的單端I/O標準相比，這些內置的LVDS緩沖器保持了信號的完整性，并且具有更低的電磁干擾、更好的電磁兼容性(EMI)以及更低的電源功耗[4]。這些特點滿足了系統快速運算和信號穩定的需求。系統由信號調理、數據采集與數據處理、數據存儲與數據讀取、數據通信、人機交互等模塊組成，能實時地對心電、脈搏、血氧飽和度進行監護。
1.1 A/D轉換模塊設計
   系統需同時對多種生理參數進行監護，這要求ADC芯片具有多通道、速度快的特點。本設計最終選用MAX186，這款芯片具有8個模擬輸入通道，輸出數據精度為12 bit,支持低功耗模式(1.5 mA(運行狀態),2 μA(待機狀態)),最高數據轉換頻率達到133 kHz，與主控芯片通過SPI協議進行通信，如圖2所示。

1.3 脈搏采集模塊設計
　采用壓電傳感器采集橈動脈脈搏，為計算脈搏波速度，前后放置兩個傳感器在橈動脈處。設計了兩路對稱的調理電路實現脈搏信號的采集。電路由前置放大電路、濾波、二級放大電路組成，如圖4所示。

1.4 血氧采集模塊設計
    采用雙波長法測量血氧飽和度，光電傳感器將透射光轉換成電流信號，通過I-V轉換、前置放大、隔直電容將信號分成直流分量和交流分量，分別進行濾波和放大后送至A/D。傳感器LED驅動電路如圖5所示，分時段點亮兩個LED?？刂艶PGA的GPIO口產生PWM信號，通過濾波器濾除其中的諧波成分，實現PWM至DAC的轉換，調節PWM占空比即可調節驅動電流大小，從而調整血氧探頭輸出信號的光電流大小。

2 系統軟件設計
    系統開發環境采用Quartus II 和 Nios II IED。采用SoPC(System on Programmable Chip)技術在Quartus II中定制軟核，進行FPGA底層邏輯配置，在Nios II IDE中進行系統功能的軟件開發。
2.1 Nios II軟核的定制
    Nios Ⅱ嵌入式處理器是Altera公司推出的采用哈佛結構、具有32位指令集的第二代片上可編程的軟核處理器, 其最大優勢和特點是模塊化的硬件結構, 以及由此帶來的靈活性和可裁減性[5]。根據系統的功能需求配置底層軟核驅動，如圖6所示。

    (1)同時或者分別處理各個信號時,為了避免數據的丟失與覆蓋,要求較高的數據轉換速率。為此筆者在SPI驅動(SPI Controller)中加入了一個容量為1 KB的緩沖器(Buffer)(見圖2)，能迅速將數據同時“推送”給處理器，有效提高數據處理速度。
    (2)監護儀的顯示模塊采用3.5英寸TFT液晶屏,因此需加入LCD Controller驅動。為了方便視力較差的老人使用，系統還預留了VGA接口，可將所有數據接入外部顯示器顯示，所以需添加VGA Controller核。
    (3)所有的數據都必須實時地以文本格式保存，方便醫生診斷參考。系統采用大容量SD卡作為存儲介質，故加入SD Card Controller核。
    (4)允許用戶進行相應功能的選擇操作,并根據數據處理結果給予相應提示，系統預留按鍵、蜂鳴器和LED指示燈，加入GPIO控制驅動。
    (5)為了進一步處理需要,需將存儲的文件發送給PC。選用最常用的串口通信， 需加入RS232核。
2.2 應用程序設計
    系統的總體功能描述如下：開機后，根據相應的信號接入情況智能選擇A/D工作模式：待機、單參數模式和多參數模式。在待機模式中系統通過降低采樣頻率、降低傳感器驅動電流、降低LCD亮度等方式來降低系統能耗。通過對采集的數據進行IIR數字濾波來保證結果的準確性。設定低通濾波器的截止頻率為35 Hz，初步濾除包括工頻在內的高頻干擾；設定高通濾波器的截止頻率為0.5 Hz，消除基線漂移等低頻干擾[6]。對數字濾波后的數據進行數據分析和處理，計算心率、脈搏波速和血氧飽和度，在LCD中顯示數據和波形。為了方便醫護人員進行復查，監護日志以文本格式存入SD卡。
    由于不同用戶的體征參數不盡相同，信號幅度和周期等參數就必然不同，所以系統還必須自適應地調整采樣頻率、顯示幅度和基線位置。另外系統還必須根據用戶的選擇，把數據通過串口發送給PC，或者把SD卡中的文件讀出在LCD上顯示。主函數流程圖如圖7所示。

    為濾除呼吸等低頻干擾，消除基線漂移，設計切比雪夫高通濾波器，技術指標為Ws=0.5 Hz，Wp=4 Hz，Rp=0.1，Rs=80，數學模型階數較高，這里不給出。圖8、圖9分別為處理前后的心電信號。

    計算心率首先要識別QRS波群，本設計中使用的判據為斜率、極值點、幅度閾值、周期范圍[7]。實驗證明通過以上4個判據，系統能準確地識別QRS波群，結合采樣頻率就能迅速計算出心率。
    數字濾波處理后的雙路脈搏波形如圖10。首先利用極值點、斜率判據找出相鄰兩個主搏峰，計算出相鄰波

3 系統結果分析
　　經調試，系統可實時采集心電、脈搏、血氧信號，可將數據在LCD或外接顯示器上顯示,同時完成數據保存并上傳數據至PC。實測中，以邁瑞公司PM9000多參數生理監護儀顯示的參數為標準，本系統計算得到各項生理參數的準確度可達95％ 以上。因此，系統作為一個監護儀器可及時地檢測出人體的健康狀況，用戶可根據系統的提示對一些病癥做出及時反應，當檢測到的信號指標超過預設值時，系統將蜂鳴報警，達到了預期效果。

參考文獻
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