（测试计量技术及仪器专业论文）基于linux的嵌入式无线心电监护系统的研究.pdf

哈尔滨理工大学下学硕， j 学位论文 基于l i n u x 的嵌入式无线心电监护系统的研究 摘要 随着计算机、半导体和微电子技术的迅猛发展，3 c 技术( 计算机，通 信，消费类电子产品) 集成度越来越高，嵌入式系统在各个领域中得到了广 泛的应用，给人们的生活带来日新月异的变化，尤其给公共医疗保健业带来 了巨大的改善和提高。 传统的生理信号检测设备传输距离有限、体积大、不易携带，局限于医 疗中心等固定的工作场所。远程医疗保健项目是开发一种无线、低成本、简 单易用的医疗保健系统，病人可以方便、随时随地的检测生理信息，如心电 信号等，并通过远程遥控装置为病人提供便捷快速的专业医疗保健指导。 本课题是设计一种新型的便携式心电监护系统，以解决传统心电信号检 测设备在成本和便携性方面存在的不足。该系统在服务成本和服务效率方面 有着极大的优势，将成为远程医疗设备发展的趋势。 研究中采用了i n t e l 公司为手持高性能设备专门开发的x s c a l e 架构微处 理器p x a 2 7 0 ( 主频5 2 3 m h z ) 作为心电监护系统硬件平台，实现心电监护 仪的智能化、小型化和低功耗；在心电监护系统中引入嵌入式l i n u x 操作系 统，将操作系统作为嵌入式系统软硬件协同开发的核心，合理管理和调度资 源，为智能化应用提供软件应用平台，针对通用l i n u x 在实时性能方面的不 足，提出以中断线程化、改进实时调度模块等技术为基础的实时性改造方 案；以g p r s ( 通用分组无线业务) 网络作为数据通信手段，使监护仪既能 作为现场心电图像信号分析、判断，提供完整的信息，又能及时将数据发送 到任意指定的中央服务器，给专家会诊提供有效的依据。 课题研究是以北京博创公司u p t e c h p x a 2 7 0 开发平台为基础，对嵌 入式无线心电监护系统的原理进行了实验验证，结果表明，该系统初步达到 了设计目标。 关键词嵌入式；l i n u x ；心电图：通用分组无线业务 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 皇葛暑置_ 亭鼍皇昌詈鲁_ _ 皇詈皇詈暑詈鼍量皇詈篁皇暑喜高量皇詈詈詈皇暑皇昌寡皇詈詈鼍詈皇詈毫皇皇鼍暑皇摹量晕i i i , 一i 墨詈皇 i n v e s t i g a t i o na n di m p l e m e n t a t i o no f a ne m b e d d e d w i r e l e s se c g m e a s u r i n gs y s t e mb a s e d o nl i n u x a b s t r a c t r e c e n tr a p i dg r o w t hi nc o m p u t e r , s e m i c o n d u c t o ra n dm i c r o - e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g ya n di n t e g r a t i o no f3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n s u m e r ) e n a b l ee m b e d d e da p p l i c a t i o n st om o r ea n dm o r ef i e l d s t h ee m b e d d e d t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t sa r el i k e l y t o b r i n ga b o u tm a n yl i f e s t y l ec h a n g e s a r o u n dt h ew o r l d t h eh e a l t h c a r ei n d u s t r yt o os t a n d st ob e n e f i tf r o mt h e s e d e v e l o p m e n t s t h et r a d i t i o n a lp h y s i o l o g i c a ls i g n a l m e a s u r i n gi n s t r u m e n t so r d e v i c e s p o s s e s ss o m es h o r t c o m i n g s ，s u c ha sh i g hp r i c e s ，b u l k yd i m e n s i o n s ，i l l - p o r t a b i l i t y a n de x c e s s i v ec o n n e c t i o nc a b l e s o n eo ft h em a i np u r p o s e so fh o m e c a r e t e l e m e d i c i n ei st od e v e l o paw i r e l e s s ，l o w - c o s ta n du s e f r i e n d l ys y s t e mw h i c h a l l o w s p a t i e n t s t om e a s u r et h e i ro w nv i t a l s i g n s 。 s u c ha se c g ( e l e c t r o c a r d i o g r a m ) ，a n dp r o v i d et h eh e a l t hc a r ep r o f e s s i o n a l sw i t ht h ef a c i l i t yt o r e m o t e l ym o n i t o rt h ep a t i e n t sv i t a ls i g n sq u i c k l ya n de a s i l y w ea i mt od e s i g na ni n n o v a t i n gp o r t a b l ee c g s y s t e m ，b e i n ga b l et og e tr i d o fs a i ds h o r t c o m i n g s ，w h i c hh o l d sa p p a r e n ta d v a n t a g e si ns e r v i c ec o s t sa n d s e r v i c ee f f i c i e n c ya n d ，h e n c e ，s h a l lb et h et r e n df o rt h ef u t u r e i nt h i sp a p e r , f i r s t ，i n t e lx s c a l ep x a 2 7 0 ( c o r ef r e q u e n c y ：5 2 3 m h z ) i s u s e da st h ep r o c e s s o r b a s i co fh i g hp e r f o r m a n c ea n di n t e l l i g e n t i z a t i o n ，w h i c h m a k e st h es y s t e mf u n c t i o n se x t e n s i b l ea n du p g r a d e a b l e s e c o n d ，e m b e d d e d l i n u xo p e r a t i o ns y s t e mi sf i r s t l yc o n f i r m e da st h es o u lo fh a r d w a r e s o f t w a r ec o - d e s i g no fe m b e d d e ds y s t e m s ，m a k i n g 印t h es o f tp l a t f o r mo fe a s e o f - u s ei s s u e s a n o v e lm e t h o di su s e dt oo v e r c o m es h o r t c o m i n g so fr e a lt i m ep e r f o r m a n c ew h i c h i sc o m b i n e dw i t ht h r e a d e di r q s ，r e a l t i m es c h e d u l i n gm o d u l e ，r e a lt i m ec l o c k s y s t e ma n de t c t h i r d ，t h ep r e s e n ts t u d ys u g g e s t st h a tt h em o b i l et e l e m e d i c i n e s y s t e mu s i n gg p r si s a i d st op a t i e n tm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i sa sw e l la sa 哈尔滨理工大学1 = 学硕十学位论文 c o n v e n i e n tm e a n so fc o m m u n i c a t i o n sa th o m ef o rh e a l t hc a l e o u rr e s e a r c hi sb a s e do nu p - t e c h p x a 2 7 0d e v e l o p i n gp l a t f o r m w et r yt o p r o p o s eap r o t o t y p eo ft h ee m b e d d e de c gs y s t e m e x p e r i m e n tr e s u l t st h a tw e a c h i e v et h es c h e d u l eo nt h ew h o l e k e y w o r d s e m b e d d e d ，l i n u x ，e c g , g p r s - i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于l i n u x 的嵌入式无线 心电监护系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间独立进行研究工作所取得的成果。掘本人所知，论文中除已注明部 分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签名：同期：一多年3 月汁同 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于l i n u x 的嵌入式尢线心电监护系统的研究系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期问在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全了解哈尔滨理i ：大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈 尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囹 。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 同期：埘年j 月卜r f 1 期：秒舛岁月j t 0 哈尔滨理工大学工学硕七学位论文 1 1 课题背景 第l 章绪论 生命科学和信息科学是当今科学发展的前沿，并且两大学科正以高速、同 步、相互渗透和协调的方式发展。生物医学工程( b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g ) 正是 生命科学和信息科学相结合的产物，它正在高速的发展，并深刻影响着人体监 护信息的传送，改善了医务工作者的工作质量和信息的传输效率。各种监护仪 正是在这样的环境下产生的，它们是现代通信技术、计算机及其相关技术与现 代医学相结合的产物。 医学监护技术就是把监护对象的各种重要生理信息及时、准确地提取出 来，进行处理、分析和判断，为医生提供患者的各种重要生理信息和生理参数 变化，预报险情和病情趋势，给医生的正确诊断和医疗方案的制定提供基本依 据，帮助医护人员对患者病情进行监测和防护，避免病情恶化，减少死亡率， 并为医学临床研究积累丰富的数据。它的发展有赖于科技的进步、医学的发 展、生命科学研究的成果以及社会的需求。近十几年来，社会需求的增长，是 推动其发展的主要动力。医疗水平的提高，科学技术的发展，为监护技术和监 护设备提供了有力的支持和发展空间。 随着社会经济的发展，人民生活水平的提高和人口老龄化进程的加快，高 血压、心脑血管疾病、肿瘤、糖尿病等慢性非传染疾病引起的死亡比例不断增 加，已成为我国居民最重要的死因。其中，心脏病和中风等心脑血管疾病是我 国首位死亡原因。2 0 0 5 年中国卫生部公布的资料显示；中国人口的总死亡率中 心脑血管疾病死亡率高居首位，城市居民脑血管死亡率达2 1 2 ，心脏病死亡 率1 7 9 ；而农村居民脑血管死亡率也达2 1 2 ，心脏病死亡率1 1 8 。冠心 病已经成为我国居民死因构成中增长最快的疾病。 心脏病的发作具有随机性和危险性，心脏病患者需长期关注自己的心脏状 况，定期或随时请求医生的帮助。在现代医学中，心电信号是诊断心血管疾病 的重要依据。因此，更加有效的心电监护设备的研制是非常迫切的。基于无线 通信的远程心电监护系统给了患者较大的活动自由，用户可以不受时间、地点 的限制，随时随地得到医院监护中心的监护，在出现紧急情况时可以被及时发 现并救治，对于实时检测病人心电变化情况，及时发现病人的病情变化和采取 哈尔滨理工大学t 学硕：仁学位论文 护理急救措施具有重要的意义乜1 。 1 2 无线心电监护仪的国内外研究现状 随着医疗技术、无线技术和微电子技术的发展，对于心电信号等的生物遥 感技术有了长足的进步和提高。 根据应用的环境不同，无线心电监护仪可大致分为两类：一类是应用于医 疗监控中心的中央集中监控系统；另一类是应用于家庭的便携式监控仪。 中央集中监护系统，由床边监护仪和中央处理中心组成扭1 。床边监护仪主 要用来对病人的生理或生化参数进行连续地、长时间地、自动地和实时地监 测，并在经过分析和处理这些参数后，实现多类别自动报警、自动记录和对结 果综合判断的功能，从而有利于医护人员或医生可以及时地发现病人的病情变 化情况。一旦发现情况变化，他们便可以采取必要的护理与急救措施，避免病 人病情恶化来不及诊治和危重病人的死亡。中央集中监控系统通过无线网络将 很多床边监控仪联系在一起，集多床病人的生理或生化参数监护和状态监护于 一身的大型系统，由中央处理中心集中处理信息，它主要负责监视病人行为状 况，将各个床位病人的状况、监护波形和数据同时显示在大屏幕监视器上，从 而协助医务人员可以不用查房就可以对病人实施有效的诊断和治疗。 家庭用便携式监控仪能够给患者较大的活动自由，用户可以不受时间、地 点的限制，随时随地得到监控，在出现紧急情况时可以被及时发现并救治。可 以将病人的生理或生化参数实时保存并通过无线网络及时向监控中心传输必要 的数据。对于具有隐蔽性的心血管疾病，只有在发病期间能够获得有效的信 息，有着极为便捷的好处，可以尽量不影响病人的工作、生活，并能够连续 地、实时地获得重要信息。 j 根据电极的连接方式不同，无线心电监护仪可大致分为两类：一类是植入 式电极；另一类是表面粘贴式电极。植入式电极是一种埋置在生物体或人体内 的电子设备，主要用来测量生命体内的生理、生化参数的长期变化与诊断、治 疗某些疾病，实现在生命体无拘束自然状态下的、体内的直接测量和控制h 。 表面粘贴式电极通过导线和手持终端相连接。 根据无线连接的方式，可分为：g p r s 方式、w l a n ( i e e e8 0 2 1 l x 协 议) 、无线电射频( 公共频段4 3 3 m h z ) 、蓝牙以及红外等方式。 随着微电子技术和通讯技术的发展，无线心电监护仪发展呈现出多样化。 1 2 1 国外无线心电监护仪的研究现状 国外先进国家己经取得心电监护临床应用的实际效果，并且还在以更高的 速度进行实质性的改进和提高。美国和欧洲各国都己经设立了专项基金，用来 资助心电远程监护系统的发展。国外无线一t l , 电仪近四年的发展状况见表卜1 。 表1 - 1 国外无线心电监护仪技术参数与特点 无线心电监护仪电极类型无线方式处理器特点 利用j a v a 程序，可跨平台 例1 町佩带式蓝牙 p c 移植 使用个人电脑作为数据接 例2 6 1粘贴式无线射频 p i c l 6 c 7 7 4 a收，通过其它方式连接 l m e m e t 使用了智能生物医学传感 例3 佩带式红外 p c 器 使用f m 和特殊的数据协 例4 们植入式红外 p c 议避免和其它红外设备产 生干扰 例5 9 1 粘贴式3 g 网络s 3 c 2 4 1 0采用w a p 协议 蓝牙 特别关注了无线传输成本 例6 1 们粘贴式p d a控制和从检测到心脏异常 g p r s 到告警的延迟时间 例7 1 粘贴式c d m a l xp c利用p c 作为数据处理 可以灵活选择数据处理终 例8 n 对粘贴式 、v l a np c 端，例如p c 、p d a 例9 1 嘲佩带式 蓝牙p d a充分利用p d a 的处理功能 无线传输过程中使用了调 例l o n 町粘贴式无线射频 a t 8 9 c 2 0 5l 制解调 国外无线心电监护仪突出家用为主，以小型化、智能化为特色，一方面加 强了p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ，个人数字助理) 和p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ， 个人电脑) 在家庭环境中的数据处理功能；另一方面专注于智能生物传感器的 哈尔滨理下大学工学硕士学位论文 应用，使电极从植入式到可佩带式，更加灵活方便：数据传输方式多种多样， 几乎涵盖了现今流行的各种无线方式。 1 2 2 国内无线心电监护仪的研究现状 国内不少研究单位和企业也非常重视心电监护系统的研究，并已研制出了 心电h o l t e r 、心电b p 机和心电实时监护系统等设备。国内无线心电监护仪近 三年的发展状况如表1 - 2 所示。 表1 - 2 国内无线心电监护仪技术参数与特点 t a b l e 卜2t e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dc h a r a c t e r i s t i co fe c ga th o m e 无线心电监 护仪 电极类型 无线方式处理器 特点 例1 n 5 1 粘贴式无线射频单片机考虑了电磁兼容性 例2 1 们粘贴式g p r s s a l l l o 使用w i n c e 操作系统 利用射频与宽带网络连接 例3 1 7 1粘贴式无线射频单片机 i n t e m e t 利用射频与a d s l 技术连接 例4 n 3 1 粘贴式 无线射频d s p i n t e m e t ：使用d s p 进行数字 滤波 数据采集与信号处理部分分 例5 n 们粘贴式蓝牙 a d t t c 8 1 2 1 加1 开 充分利用现有手机网络的覆 例6 粘贴式g p r sp i c l 6 f 8 7 7 a 盖率 例7 2 2 1 粘贴式 g p r ss 3 c 2 4 1 0使用了点阵液晶屏 国内无线心电监护仪以中央集中监护系统和家用两方面并重，但更侧重于 家用系统；均采用表面粘贴式电极；通讯方式由r f 无线射频( 公共频段 4 3 3 m h z ) 逐渐向蓝牙和g p r s ( 通用分组无线业务) 发展；采用多种多样的 嵌入式芯片，从低端的8 位单片机( 例如8 0 5 1 系列) 到利用专用d s p 芯片的 数据处理功能，到高端的a r m 系列芯片，适应不同的成本要求。 哈尔滨理工大学丁学硕一t 学位论文 1 2 3 无线心电监护仪的发展趋势 随着嵌入式技术与无线通讯技术的迅猛发展，各国对心电监护的不断研 究，心电信息高速公路的发展和开通，未来的心电监护将会有如下特点： 1 随时随地。不论是在工作或是休息，室内或是室外，只要需要，都可 以监测心电信息，获取的心电信息将会更加全面。 2 方便。对被监测者来说，监护仪会像如今的手机一样使用方便，轻轻 的按一个按扭，自身的心电信息就己经传送到医生处。 3 更加智能化。很多时候，并不需要医生的指导，监护仪会告诉您自身 心脏的一些情况，以及是否需要医生的进一步诊断；在情况紧急的时候，还会 提供相应的急救措施。 1 3 本文主要研究工作 本文在嵌入式技术与无线通信技术迅速发展的背景下，对便携式心电监护 系统进行了一种有益的、新的尝试。 论文主要研究工作的内容有： 1 嵌入式l i n u x 实时操作系统的理论研究嵌入式l i n u x 的相关研究是 一个非常庞大的研究课题，涉及到体系结构、操作系统等多门计算机学科知 识。限于精力并结合实际项目需要，在嵌入式l i n u x 实时操作系统的研究中， 主要针对以下三个目标展开研究工作： 分析l i n u x 的源代码，研究其实现机制，以期掌握这个广泛使用的优秀操 作系统的核心技术； 在对l i n u x 内核源码的分析与研究的基础上，针对通用l i n u x 系统影响实 时性的因素，进一步探讨嵌入式l i n u x 的实时性实现方法： 通过在i n t e lx s c a l e 微处理器平台上构建嵌入式l i n u x 系统，初步探讨 l i n u x 在平台移植中的关键问题以及解决方案。 2 i n t e lx s e a l e 架构微处理器p x a 2 7 0 的应用研究本文通过对一款高性 能处理器的实践应用，深化对嵌入式系统开发流程的理解和把握，丰富软硬件 协同开发的经验。 3 g p r s 通信技术的研究研究如何在嵌入式l i n u x 软件平台上，实现 g p r s 模块的驱动程序开发与应用。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 第2 章心电监护仪的总体设计方案 2 1 心电信号分析基础 心电信号是心电监护仪要采集分析处理的信号，为了更好地对心电仪软硬 件的设计起到指导作用，有必要把心电信号从生理上的形成机理到生物电信号 的形成以及表征进行详尽地分析说明。 2 1 1 心电信号 心电是心脏有规律的收缩和舒张中心肌细胞产生的动作电位综合而成的电 信号心3 1 ，由电极从体表测得，经放大后显示后者描记下来的波形即为心电图。 心电图的产生和心脏传导系统有关，心脏传导系统由窦房结、结间束、房室 束、房室结、左右束支以及浦氏纤维构成。 正常情况下，心脏的起搏点在窦房结，心脏起搏产生的激动从窦房结发出 后，传至心房及结间束，使心房除极，形成心电图上p 波。随后，激动经房 室交界区与左、右束支进入心内膜下层的浦氏纤维，使心室壁由里向外进行除 极，形成q r s 波形。t 波为心室的复极波乜引。所以，每一个心动周期均产生 一组心电波形，如图2 1 所示。 r 图2 - 1 典型心电波形图 f 谵2 - 1t y p i c a lf i g u r eo f e c g 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 各波意义如下： p 波反映心房肌除极过程的电位与时间变化。其幅度代表心房激动产生 的电势的大小。p 波波形小而圆钝，历时0 0 8 - 0 1 l s ，正常成人幅度在0 2 5 v 一下。 p r 间期代表激动从窦房结通过心房、房室交界区到心室肌开始除极时 间。p r 段从p 波终点到q r s 波起点之间的曲线，通常与基线同一水平。 p r 段形成的原因是由于兴奋冲动通过心房之后在向心室传导的过程中，要通 过房室交界区，兴奋通过此区传导非常缓慢，形成的电位变化也很微弱，一般 记录不出来，故在p 波之后，曲线又回到基线水平，成为p r 段。 q r s 波群反映心室肌除极和最早复极过程的电位与时间变化，但以心室 肌除极化为主。典型的q r s 波群包括三个紧密相连的电位波动：第一个向下 的波为q 波，以后是高而尖峭的向上的r 波，最后是一个向下的s 波。但在 不同的导联中，这三个波不一定都出现。一般时限小于o 1 0 m s ，以r 波为 主，其幅度不会超过2 5 v 。 s t 段 从q r s 波群终点到t 波起点的时间，代表心室肌早期复极化 过程的电位及时间变化。此时心室全部处于除极状态，无电位差存在，所以正 常时与基线平齐，成为等电位线。 t 波反映心室肌晚期复极化过程的电位与时间的变化。 q t 间期从q r s 波群起点到t 波终点间的时间，代表心室肌除极化 与复极化的总时间，正常值在0 3 2 - - 0 4 4 s 。 u 波t 波之后o 0 2 0 0 4 s 可能出现的一个低而宽的波，方向一般与t 波 一致，波幅大多在0 0 5 m v 以下。u 波的意义和成因现在还不十分清楚，一般 认为是心肌激动的激后电位。 2 1 2 心电信号的特征 1 微弱性。人体体表的心电信号很微弱，一般只有0 0 5 - - 5 m v 。在测量 中，对于如此微弱的信号，很难进行直接记录或处理，必须通过放大器适当放 大，同时必须进行滤波等抗干扰处理。 2 低频特性。人体心电信号的频谱范围在0 0 5 - - - 1 0 0 h z ，频率是比较低 的，频谱能量主要集中在0 5 - , 3 5 h z 之间乜引。 3 高阻抗特性。作为心电的信号源，人体源阻抗一般较大，可达几娥 至几十妯，这将给心电测量带来误差和失真。 哈尔滨理工大学t 学硕：t 学位论文 2 1 3 心电信号常见干扰 由于心电信号具有微弱、低频、和高阻抗等特性，极其容易受到干扰，所 以分析干扰的来源，以便采取相应的滤除措施，是数据采集重点考虑的一个问 题。人体处在各种纷繁复杂的电磁环境中，心电信号中不可避免地夹杂着高强 度的干扰。常见干扰有如下几种： 1 工频干扰。由于供电网络无所不在，因此5 0 h z 的工频干扰是最普遍 的，也是心电信号的主要干扰来源。它主要通过人体和测量系统的输入导线的 电容性耦合，以位移电流的形式引入，其强度足以淹没有用的心电信号。 2 呼吸引起的基线漂移和e c g 幅度改变1 。呼吸引起的基线漂移可以看 成是一个以呼吸的频率加入e c g 信号的窦性成分( 正弦曲线) 。这个正弦成分 的幅度和频率是变化的。呼吸所引起的e c g 信号的幅值的变化可以达到1 5 。基线漂移的频率约是从0 1 5 - 0 3 h z 。 3 高频电磁场干扰。随着无线电技术的发展，各种频段的无线电广播、 电视发射台、通讯设备、雷达等的工作使空中的电磁波大量增加。这些高频电 磁干扰也可通过测量系统与人体连接的导线引入，可能引起测量结果的不稳 定，严重时会使测量系统不能工作，必须加以抑制。 4 电极极化干扰。心电的获取是通过在人体体表放置电极来进行的。与 电极接触的是电解质溶液( 导电膏、汗液或组织液等) ，从而会构成一个金属 一电解质溶液界面，因电化学的作用，在二者之间会产生一定的电位差，称之 为极化电压。极化电压的幅度一般较高，在几毫伏到几百毫伏之间阱1 。当两电 极状态不能保持对称时，极化电压就会产生干扰，特别是在电极与皮肤接触不 良以致脱落的情况下更为严重。同时电极在皮肤表面的移动也会引起电位差变 化。 5 肌电干扰。兴奋和收缩是肌肉的最基本功能，在神经系统的控制下， 肌肉机械性活动并伴随有生物电活动。这些生物电活动产生的电位差随时间变 化的曲线即为肌电图。肌电通常是一种快速的电变化，其频率范围为 2 0 , - , 5 0 0 0 1 - 1 2 矧。 6 测量设备本身的干扰。信号处理所采用的电子设备本身也会产生仪器 噪声。这类干扰一般具有较高的频率特性，容易通过低通滤波加以滤除。 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 2 2 心电监护仪总体设计方案 2 2 1 心电监护仪系统总体设计 本文在嵌入式技术与无线通信技术迅速发展的背景下，对便携式心电监护 系统进行了一种有益的、新的尝试： 1 采用i n t e l 公司为手持高性能设备开发的x s c a l e 架构微处理器p x a 2 7 0 ( 主频5 2 3 m h z ) 作为心电监护系统硬件平台，核心芯片的处理能力处于业界 领先水平，使系统在硬件资源上能够为智能平台的建立提供有力地支持； 2 提出将操作系统作为嵌入式系统软硬件协同开发的核心，在心电监护 系统中引入嵌入式l i n u x 操作系统，合理管理和调度资源，进一步为智能化应 用提供软件应用平台： 3 以全国网络覆盖率最高的g p r s 网络作为数据通信手段，使其更加灵 活，适合全国公共医疗卫生网络的构建，致力于开发设计一款新型的便携式心 电监护仪。 该系统充分发挥i n t e l 公司x s c a l e 架构微处理器芯片高性能、动态节电和 无线多媒体指令集优化等特性，实现心电监护仪的智能化、小型化和低功耗； 探讨和初步实现嵌入式l i n u x 操作系统在i n t e lx s c a l e 微处理器的构建，有效 管理和控制复杂的系统资源，合理、高效地利用系统的软硬件资源，满足对智 能仪器日趋增长的功能要求；利用在国内网络覆盖最广泛的g p r s 网络进行无 线数据传输，使得监护仪既能作为现场心电图像信号分析、判断，提供完整的 信息，又能及时将数据发送到任意指定的中央服务器，给专家会诊提供有效的 依据。 如图2 2 所示，无线心电监护系统主要有两部分组成：一部分为心电数据 采集模块，包括电极、心电信号采集电路和数据转换电路；一部分为信号处理 模块，在i n t e lp x a 2 7 0 芯片为核心的硬件平台上，搭建嵌入式l i n u x 实时操作 系统，实现心电信号的数字滤波、诊断、显示、存储及无线数据通信等功能。 信号处理模块的原型机采用北京博创公司提供的i n t e lp x a 2 7 0 开发板 u p t e c h p x a 2 7 0 平台。基于i n t e lx s c a l e 架构的p x a 2 7 0 嵌入式处理器最高 主频可达6 2 4 m h z ，加入了w h l e s sm m x 技术，大大提升了多媒体处理能 力；同时p x a 2 7 0 还加入了i n t e ls p e e ds t e p 动态电源管理技术，在保证c p u 性能的情况下，最大限度地降低移动设备功耗。p x a 2 7 0 可以广泛应用于 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 p d a 、智能手机等消费类电子产品中。 图2 - 2 系统总体设计框图 f i g 2 - 2s t r u c t u r ef i g u r ef o rs y s t e md e s i g n 数据采集模块( 如图2 3 所示) 完成对三路导联心电信号的放大，消除 高、低噪声，该部分是心电监护仪的重要部分，记录的信号质量在相当大程度 上取决于该部分电路质量。此部分电路包括前级放大电路、滤波电路、二级放 大电路和数据转换电路。前级放大电路由前级放大器和右腿驱动电路构成，其 作用是把微弱心电信号放大提供给后级电路，同时又具有足够抑制各种干扰信 号的能力；滤波电路是对心电信号中的噪声，做进一步的滤除，以保证被二级 放大电路放大的是较纯净的心电信号。二级放大器也即主放大器，是将心电信 号放大到可以被模数转换器转换的级别，从而为模数转换做好准备。数据转换 电路采用c y g n a l 公司的内部集成a d 转换模块、d a 转换模块的片上系统 c 8 0 5 1 f 0 2 0 芯片，通过串口将数据传送给信号处理模块。 前级 二级数据 电极 h 放大 八 滤波 卜 放大 卜 转换 一一 电路 一 ， 电路电路电路 图2 - 3 数据采集模块 f i g 2 - 3e c gd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 2 2 心电监护仪的性能指标 心电监护仪所记录的心电信号，必须将心脏搏动产生的微弱信号不失真地 放大并记录下来，以供医务人员进行正确的诊断。鉴别心电监护仪性能的好 坏，通常以其技术指标来表示。心电监护仪的技术性能指标包括增益、噪声、 共模抑制比、记录时间和功耗等。 增益反映了系统的灵敏度，是指输入l m v 电压时所记录的信号幅度是多 大，即输入信号时记录心电幅度与输入信号电压之比。 动态心电仪在没有信号输入时，由于放大器中各个元件内部电子运动的不 规则性，仍能输出微弱的不规则的信号，这种信号就叫噪声。 共模抑制比的大小反映电路抑制外界干扰的能力。心电监护仪的共模抑制 比一般满足大于6 0 d b 的要求。 灵敏度随着输入信号频率两变化的关系叫做频率响应。心电监护仪的频率 响应越平坦越好。 数据采集和记录是关键的性能指标。在数据采集中，越高的采样精度和采 样速度，可以得到越细腻的心电曲线，但也使得需要存储的数据大幅度增加。 由于存储介质的有限性，从成本的角度出发，需要在采样率和采样精度之间选 择一个折中值。 心电监护仪是由电池供电的便携式医疗设备，并要使其长时间工作，功耗 一定要低。另外，因为心电仪是佩戴在病人身上，工作环境比较复杂，所以还 应该具有较强的抗干扰能力。 本课题设计的无线心电监护仪的性能指标如下： 1 放大倍数： 1 0 0 0 ； 2 输入阻抗： 2 0 m q ； 3 共模抑制比c m r r ： 8 0 d b ： 4 输入端短路噪声： a c t i o n & & ! ( d e s c 一 s t a t u s & i r q o d e l a y ) ) s t a r t _ i r q l t h r e a d ( i ，d e s c ) ； s t a r t 函数首先判断是否已经创建好线程，如果没_ i r qt h r e a d ( ) i r qd e s c i 有则调用k t h r e a dc r e a t e ( ) 仓 j 建内核线程，并且唤醒该线程。 d e s c - t h r e a d = k t h r e a d _ c r e a t e ( d o _ i r q d ，d e s c ，”i r q d ”，i r q ) ； w a k e _ u p _ p r o c e s s ( d e s c - t h r e a d ) ； 该线程的执行函数为d oi r q d o ，它为线程赋予实时优先级，i r q 号为 0 的中断赋予实时优先级4 9 ，i r q 号为1 的赋予实时优先级4 8 ，依次类推 直到2 5 ，因此任何i r q 线程的最低实时优先级为2 5 。然后，函数进入一个 循环中，在需要的时候，内核线程被唤醒和执行；完成了当前任务，它将自 动休眠。 3 注册中断处理程序。前面已经讨论过，i n i ti r q 0 函数执行完毕， i d t 里面的2 5 6 个表项都已经被初始化。但是此时，每个中断服务队列 ( i r q a c t i o n ) 都是空的。真正的中断服务要到具体硬件设备的初始化程序将其 中断服务程序通过r e q u e s ti r q ( ) 向系统“登记一，挂入某个中断请求队列以后 才会发生。r e q u e s t在给定的中断线上注册一个给定的中断处理程序，irqo 其格式为： i n tr e q u e s t _ i r q ( u n s i g n e di n ti r q ， i r q r e t u r n _ t ( * h a n d l e r ) ( i n t ，v o i d ，s t r u c tp t _ r e g s ) u n s i g n e dl o n gi r q f l a g s ， c o n s tc h a r d e v n a m e ， v o i d d e v _ i d ) 第一个参数i r q 表示要分配的中断号。 第二个参数是一个指针，指向处理这个中断的实际中断处理函数。 第三个参数可以为o ，也可能是一个或者多个标志的位掩码。 如果某个中断需要被实时处理，它可以用i r q fn o d e l a y 标志来声明 自己非线程化，例如，系统的时钟中断。因为它被用来维护系统时间以及定 时器等，所以不应当被线程化。就可以在调用r e q u e s ti r q o 时，在第三个参 数中使用i r q fn o d e l a y 指定。 s ai n t e r r u p t 标志表明该中断处理程序是一个快速中断处理程序。 在本地处理器上，快速中断处理程序在禁止所有中断的情况下运行。如果没 有这个标志，除了正运行的中断处理程序对应的那条中断线被屏蔽外，其他 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 所有中断都是激活的。 如果需要在多个中断处理程序之间共享中断线，可以用s as h i r q 来 指定。在同一个给定线上注册的每个处理程序必须指定这个标志，否则在每 条线上只能有一个处理程序，同时r e q u e s ti r q 0 的第五个参数d e vi d 必须不 为n u l l 。另外，中断处理程序必须能够区分它的设备是否真的产生了中 断，这既需要硬件的支持也需要处理程序中有相关的处理逻辑。内核接收一 个中断后，它将依次调用在该中断线上注册的每一个处理程序。因此，一个 处理程序必须知道是否该为这个中断负责。 第四个参数是与中断相关的设备的a s c i i 文本表示法。 第五个参数主要用于共享中断线。当一个中断处理程序需要释放时， d e vi d 将提供唯一的标志信息，以便从共享中断线的诸多中断处理程序中删 除指定的那一个。 函数r e q u e s t 调用 来完成建立中断的具体操作。函数首i r q 0s e t u pi r q 0 先判断待注册的中断是否可被线程化，如果不能被线程化，则按照标准 l i n u x 内核中的做法为中断进行注册：在i r qd e s c 】中，若该中断号已被使 用，并且新旧中断都设置s as h i r q ，就把新的中断处理函数加到旧的后 面；若中断号未被使用，就直接加在i r qd e s c 】中。如果可以线程化则同前 面讨论的方法一样，调用s t a r ti r q 函数为其线程化，接下来的步骤thread() 就同不能线程化的情况一样，对中断进行注册。 中断线程化的初衷是：在标准l i n u x 内核中，中断是优先级最高的执行 单元，不管内核当时正在处理什么，只要有中断事件，系统将立即响应该事 件并执行中断处理代码，除非当时中断关闭引( 即使用l o c a li r qd i s a b l e 失 效了i r q ) 。因此，如果系统有严重的网络或i o 负载。，中断将非常频 繁，实时任务将很难有机会运行。中断线程化之后，中断将作为内核线程而 且赋予不同的实时优先级，实时任务可以有比中断线程更高的优先级。这 样，实时任务就可以作为最高优先级的执行单元来运行，即使在严重负载情 况下仍有实时性保证。 所以，我们在改进方案中，不仅要给中断线程赋予适当的优先级( 4 9 - - 2 5 ) ，而且要考虑当前任务为不同的调度策略，或者不同的优先级的情况下 中断的响应情况。应该考虑的是，如果中断没有被线程化，则表明该中断应 该被立即执行，虽然它没有实时优先级。 改进方案中断处理的流程图如图4 2 所示。 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 圈4 - 2 算法流程图 f i g 。4 - 2t h ef l o wc h a to f a l g o r i t h m 中断发生时，c p u 将执行d oi r q 来处理相应的中断。改进方案将原 来2 6 内核中的d o _ i r q 分解成两部分，架构相关的放在类似于 a r c h * k e r n e l i r q c 的文件中，名称仍然为d oi r q ，而架构独立的部分放在 i r q 子系统的位置k e r n e l i r q h a n d l e c 中，名称为d oi r q 。当发生中断 时，d o _ i r q 将做了必要的架构相关的处理后调用一d oi r q 。函数一d o i r q 将进行如下一系列判断： 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 如果当前任务的调度策略是s c h e do t h e r ，则不管当前任务的实时 优先级( c u r r e n t r tp r i o r i t y ) 与该中断的优先级相比是大还是小，都立即跳入 中断处理函数h a n d l ei r qe v e n t ( ) 。h a n d l ei r qe v e n t ( ) 将直接调用相应的 中断处理句柄来完成中断处理。 不论当前任务的调度策略为哪一种，如果此中断已被线程化，并且当前 任务的实时优先级( c u r r e m r tp r i o r i t y ) 小于或者等于中断线程的优先级 ( d e s c t h r e a d i tp r i o r i t y ) ，也应该立即跳入中断处理函数( 同上) 。 如果该中断并没有被线程化( d e s c - s t a t u s = i r qn o d e l a y ) ，证明该中 断需要被实时处理，也应该立即跳入中断处理函数( 同上) 。 基于算法完备性的考虑，如果禁止h a r d i r q，或者该中断的_preemption 线程为n u l l ，也应该立即跳入中断处理函数( 同上) 。 如果当前任务的调度策略是s c h e df i f o 或者s c h e dr r 或其他实 时调度策略，并且中断已被线程化则将当前任务的实时优先级( c u r r e m r tp r