基于TI OMAP3平台的多参数监护仪设计与实现

　引言

　　在现代医学中，使用多参数监护仪对危重病人进行实时监测，可以及时地了解其心肺功能、血压以及氧合能力等综合因素，对病人的治疗起着非常重要的作用。多参数监护仪已经在病房护理和急救系统中得到了广泛的应用。

　　基于传统PC平台的多参数监护仪成本高、体积大、操作复杂，使用范围具有局限性。而采用单片机为核心的便携式多参数监护仪运算能力低，功能单一，界面简陋，只能进行简单的信号显示和存储。本文以德州仪器公司(TI)ARM+DSP的双核处理器OMAP3530为核心，扩展参数采集前端、触摸屏、SD卡存储电路和网络接入电路等模块，设计及实现了一个具有实时检测、显示、存储和网络传输等功能的新型多参数监护仪。基于双核芯片的优异性能，系统可采用高效复杂的算法对各生命参数进行快速准确的检测、除噪和优化等处理，而Google Android丰富的应用支持，则为监护仪提供了良好的监护界面、网络功能以及应用扩展性。医生可使用该监护仪实时或远程掌握病人的信息，使用者也可以家中自行测量，这将是新一代“数字医疗社区/医院”的重要发展方向。

　　系统架构

　　处理核心

　　OMAP3530处理器采用65nm低功耗工艺制造，内部集成了600MHz的Cortex-A8弹性内核以及430MHz的TMS320C64x+ DSP内核[1]。ARM+DSP的双核结构使操作系统效率和代码的执行更加优化，ARM端负责系统控制工作，DSP端则承担繁重的实时信号处理任务，从而成功地解决了性能与功耗的最佳组合问题。具有双核结构的OMAP3530非常适合新型多参数监护仪的设计。低功耗可以更好地实现监护仪的便携性，满足野外救护等特殊需要;ARM对多种操作系统的支持，可以保证系统的稳定和良好的监护界面;DSP强大的运算能力可以确保对各生命参数进行快速、准确和复杂的分析处理。

　　硬件架构

　　系统框图如图1所示，监护仪的设计采用经典C/S(Client/Server，客户机/服务器)架构，既可以离线使用，也可以通过以太网或者Wi-Fi网络传送数据到远程PC服务端。人体各个生命特征信号通过导联电极、血氧探头、袖套等传感器获得后，在参数采集前端进行除噪、放大和A/D转换后，通过串行口送到OMAP3530进行检测、显示、存储和网络 传送等处理。

　　软件架构

　　Android是Google与开发手机联盟(Open Handset Alliance，OHA)推出的以Linux为内核，真正意义上的开放性移动设备综合平台。从软件结构的角度上，Android系统分成4个层次： Linux操作系统及驱动、本地代码框架、Java框架和Java应用程序。图2为本系统的软件架构图。多参数采集前端通过异步串行口与OMAP3530通信，由于Java本身未提供串口的类库，必须使用JNI(Java Native Interface)实现应用层与串口硬件的数据传送。数据采集、处理、显示及网络传输使用多线程和队列缓冲机制来保证数据的实时性和完整性。网络使用C/S架构，充分发挥服务器上的硬件优势，完成更多监护信息的显示和分析。

　关键设计

　　参数采集前端

　　前端中的心电模块使用仪表放大器和运放组成两级放大电路将微弱心电信号放大200倍，并在设计中加入右腿驱动电路来克服50Hz工频共模干扰[2]。血氧的测量是根据血液中各种血红蛋白对血氧探头发射的不同特定波长光吸收程度不同而进行的。血压采用振动无创方法测量，首先充气袖套阻断上臂的动脉血流，通过检测因为血液流经弹性动脉而引起袖套内压力的波动幅度来识别动脉收缩压、舒张压和平均压[3]。呼吸频率的测量共用心电模块的前端导联电极，使用呼吸阻抗法，根据呼吸时胸腔张弛，肺阻抗的变化来检测人体的呼吸频率[4]。设计中体温的测量线路采用惠斯登电桥，将热敏电阻接在电桥的一个桥臂上，通过测量电桥的不平衡输出，即可测定体温的大小。

　　高速PCB设计

　　系统中采用LPDDR数据总线频率高达330MHz，属于典型的高速电路，必须考虑器件管脚的电气特性、PCB(印制电路板)参数、布局和高速信号的布线等因素，否则容易导致系统工作不稳定，甚至无法工作。PCB采用6层板设计，FR4板材，分层方案为：顶层-地层-走线层-电源层-地层-底层。在高速PCB设计中，首先要对信号进行分组，再确定布线规则，如表1所示。

　　监护程序设计

　　监护程序需要完成各参数的采集、接收、显示、存储以及网络传输等功能。程序中使用JNI技术向Java层提供串口的访问接口，通过文件描述符对象创建输入/输出流进行串口通信。为保证数据采集的实时性和完整性，设计采用多线程和双缓冲机制。如开启远程监护，系统将动态生成一个线程来完成数据传输的任务。波形显示是界面设计中的难点，考虑到数据采集、波形绘制时的页面刷新和网络传输给系统带来的消耗以及屏的大小限制，绘制波形的视图采用多缓冲机制来实现，避免屏幕刷新时闪烁的现象。为了维护Android的单线程模型，设计中使用消息通知机制来完成非主界面线程与主界面线程之间的通信[5]。监护界面如图3所示。

　　结语

　　样机测试结果表明，基于OMAP3530双核处理器设计的多参数监护仪，可以实现对心电、心率、血氧、血压、呼吸频率和体温6个生命参数的实时检测、显示、存储和网络传送等功能。该监护仪便于操作、成本低、功耗小、功能强大、便携等特点使其具有广泛的应用领域和良好的市场价值。随着人们医疗意识的提高和医疗体系的完善，该类型监护仪将会在个人医疗保健、医院救护、野外急救和远程医疗监护等场合得到越来越广泛的应用。