無線移動式多參數(shù)生理監(jiān)護(hù)儀的研制

無線移動式多參數(shù)生理監(jiān)護(hù)儀的研制

0系統(tǒng)硬件將成為主流隨著醫(yī)院信息流程的加快，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，醫(yī)療監(jiān)控產(chǎn)品的5g化和網(wǎng)絡(luò)化已成為趨勢，具有便攜式無線通信功能的監(jiān)測產(chǎn)品已成為主流。作為無線移動式多參數(shù)生理監(jiān)護(hù)儀整機(jī)的構(gòu)成基礎(chǔ),系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)的性能與價格。為了縮小系統(tǒng)體積并降低功耗,必須在滿足系統(tǒng)性能要求的基礎(chǔ)上盡量減少硬件開銷。本文重點(diǎn)研究以nRF24E1芯片為核心的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思想及關(guān)鍵技術(shù)。1u3000省電模式監(jiān)護(hù)發(fā)射盒主要包括心電、體溫、呼吸信號采集電路和射頻發(fā)射電路兩大部分。結(jié)構(gòu)如圖1所示。心電、體溫、呼吸信號采集電路所獲得的信號經(jīng)由nRF24E1芯片上的AD通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后以FSK調(diào)制模式發(fā)射出去。其中nRF24E1是挪威Nordic公司推出的一款單片2.4GHz無線收發(fā)芯片,采用0.18mCMOS技術(shù)制造,以增強(qiáng)型51為內(nèi)核,9路10bitADC,采樣率可達(dá)100K,具有125個頻道,傳輸速率可達(dá)1Mbps,內(nèi)置CRC校驗(yàn)并支持多點(diǎn)通信。1.9V~3.6V低功耗工作,內(nèi)置電壓監(jiān)視和復(fù)位電路,多種省電模式可供選擇。(1)微處理器nRF24E1微處理器的指令系統(tǒng)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051相兼容,但兩者的執(zhí)行時序稍有不同。(2)PWM(脈寬調(diào)制)nRF24E1有一個可編程PWM輸出,它和DIO9共同復(fù)用P0.7引腳,并可軟件編程決定PWM工作于6、7或8位。(3)SPI(串行外設(shè)接口)SPI的3個口(SDI、SCK和SDO)與GPIO(DIN0、DIO0和DIO1)共同復(fù)用P1口的三個引腳(P1.0、P1.1、P1.2)。SPI硬件不產(chǎn)生任何片選信號,通常用GPIO位(P0口)來作為外部SPI設(shè)備的片選口。(4)端口邏輯nRF24E1有1個輸入,10個輸出引腳。P0(DIO2~DIO9)和P1(DIO0、DIO1、DIN0)默認(rèn)配置為GPIO(通用輸入輸出端口)。(5)RTC喚醒定時器、WTD(看門狗)和RC振蕩器,nRF24E1內(nèi)有一個低功耗的RC振蕩器。該振蕩器在VDD≥1.8V時,會持續(xù)工作。喚醒定時器由用戶軟件控制啟動和停止?？撮T狗在復(fù)位后被禁止,再次復(fù)位后才能被激活。(6)A/D轉(zhuǎn)換器nRF24E1內(nèi)有9通道10位ADC,線性轉(zhuǎn)換時間為每10位48個CPU指令周期。A/D轉(zhuǎn)換器可在ARFE輸入和內(nèi)部1.22V的帶隙參考之間進(jìn)行軟件選擇。A/D轉(zhuǎn)換器默認(rèn)配置為10位,為滿足需要,可通過軟件使其工作于6位、8位或12位方式。(7)無線收發(fā)器nRF24E1內(nèi)嵌的無線收發(fā)器工作于全球開放的2.4GHz~2.5GHz頻段。由1個完整的頻率合成器、1個功率放大器、1個調(diào)節(jié)器和2個接收器組成。發(fā)射模式下,射頻電流消耗僅為10.5mA,接收模式下為18mA。為了節(jié)能,可通過軟件程序控制收發(fā)器的開/關(guān)。2監(jiān)護(hù)發(fā)射盒電源的設(shè)計(jì)心電檢測電路如圖2所示,共分三級放大,其中第一級為差分放大,總增益為478倍,濾波電路由一個截止頻率為0.05Hz的一階高通濾波器和一個截止頻率為111Hz的2階低通濾波器組成。整個電路在設(shè)計(jì)上主要存在以下幾個具體問題:首先,監(jiān)護(hù)發(fā)射盒采用2節(jié)5號電池供電即3V單電源供電,但心電信號是一個有正有負(fù)的信號因此在設(shè)計(jì)心電檢測電路的時候應(yīng)將電源的+1.5V設(shè)置為心電檢測電路的地這樣使得心電波形的檢測范圍在±1.5V以內(nèi)。其次,nRF24E1芯片AD通道的參考電壓為1.22V,而此時心電信號的地就有1.5V已經(jīng)超出AD通道的采集范圍,為了保證心電信號能夠被nRF24E1正確采集在心電檢測電路的最終輸出端需接上兩個大小相等的分壓電阻將其電壓減半后再進(jìn)入AD通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。最后,由于檢測電路在低電壓條件下工作因此放大器最好選擇低電壓、滿擺幅的放大器以保證微弱信號的放大幅度。3呼吸氣流變化來實(shí)現(xiàn)呼吸信號的檢測是通過將熱敏電阻置于病患鼻孔處感受呼吸氣流的溫度變化來實(shí)現(xiàn)的,具體電路如圖3所示。其中MAX495為maxim公司生產(chǎn)的一款低電壓滿擺幅單運(yùn)放芯片。4感器+612體溫信號檢測是通過采用maxim公司生產(chǎn)的高精度模擬溫度傳感器MAX6612檢測病患體表溫度實(shí)現(xiàn)的,其具體電路圖如圖4所示。其中MAX6612輸出幅值與所測溫度的關(guān)系滿足表達(dá)式:其中,Vout表示MAX6612輸出幅值,T表示所測溫度。5系統(tǒng)的運(yùn)行效果接收機(jī)主要包括射頻信號接收電路和USB接口電路,結(jié)構(gòu)如圖5所示。該部分通過采用nRF24E1實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的接收解碼并控制USB接口芯片將數(shù)據(jù)通過USBHUB上傳至計(jì)算機(jī)。為實(shí)現(xiàn)多床位同時監(jiān)護(hù)可利用PC機(jī)USB接口的易擴(kuò)展性通過USBHUB擴(kuò)展多個USB接口,每個USB接口接上一個接收機(jī),而每個接收機(jī)和與之對應(yīng)的監(jiān)護(hù)發(fā)射盒通過設(shè)置唯一且相同的調(diào)制頻率及發(fā)射、接收地址建立一一對應(yīng)的發(fā)射、接收關(guān)系,中央端PC機(jī)通過分別讀取不同USB口的數(shù)據(jù)予以顯示從而實(shí)現(xiàn)多床位同時監(jiān)護(hù)。為了測試電路的穩(wěn)定性和可靠性,結(jié)合相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì),使用本系統(tǒng)對多人進(jìn)行了測試,還在武漢陸軍總醫(yī)院的老年二科對老年心臟病患者進(jìn)行了多次的24小時連續(xù)監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠性較高;能夠準(zhǔn)確獲得人體心電、呼吸波形;體溫測量精度高與電子溫度計(jì)所測溫度進(jìn)行比較誤±0.2℃以內(nèi),達(dá)到了應(yīng)用要求;對計(jì)算機(jī)判別結(jié)果與人工判別結(jié)果的偏差進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)二者無明顯差異,如表1。下面以心率進(jìn)行t檢驗(yàn)為例進(jìn)行說明:7監(jiān)管機(jī)關(guān)參數(shù)該系統(tǒng)工作在2.4GHz以上的全球開放頻段,傳輸距離在室內(nèi)不采用中繼裝置的情況下達(dá)30m左右,實(shí)現(xiàn)了對心電波形、呼吸波形、心率、PR間期、QRS寬度、ST段、QT/QTc間期、體溫等參數(shù)的多床位的同時監(jiān)護(hù)。減輕醫(yī)護(hù)人員工作量的同時提高了監(jiān)護(hù)效率,醫(yī)護(hù)人員可以更快的對不同病人的各種異常情況做出反應(yīng)。6ft25bmFT245BM為FTDI公司生產(chǎn)的一款USB接口并串轉(zhuǎn)換芯片,其主要功能是進(jìn)行USB和并行I/O口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。芯片一方面可從主機(jī)接收USB數(shù)據(jù),并將其轉(zhuǎn)換為并行I/O口的數(shù)據(jù)流格式發(fā)送給外設(shè);另一方面外設(shè)可通過并行I/O口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB的數(shù)據(jù)格式傳回主機(jī)。中間的轉(zhuǎn)換工作全部由芯片自動完成,開發(fā)者無需設(shè)計(jì)固件。FT245BM內(nèi)部主要由USB收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、USB協(xié)議引擎和FIFO控制器等構(gòu)成。FT245BM還包括1個內(nèi)置的3.3V穩(wěn)壓器,1個6MHz的振蕩器、8倍頻的時鐘倍頻器、USB鎖環(huán)和EEPROM接口。FT245BM采用32腳的PQFP封裝,積小巧。FT245BM與nRF24E1連接電路采用總線供電模式,同采用上電復(fù)位方式。時鐘電路采用由1個6MHz的晶振及個33pF的電容組成。在USB接口的電源端采用一個1Ω阻,以減少主機(jī)和設(shè)備的干擾;同時,電源端增加了去耦旁路電容,以提高