基于ARM設(shè)計的多生理參數(shù)嵌入式監(jiān)護系統(tǒng)

1、引言

多生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)用來對病人的生理或生化參數(shù)進行連續(xù)、長時間、自動、實時監(jiān)測，并經(jīng)分析、處理后實現(xiàn)多類別自動報警、自動記錄，并具有對結(jié)果的綜合判斷能力，便于醫(yī)護人員及時發(fā)現(xiàn)病人的病情變化，隨時采取必要的護理與急救措施，從而大幅度減少危重病人的死亡率。

國外的人體生理監(jiān)護儀發(fā)展趨勢是采用移動式監(jiān)護技術(shù)。在歐洲，借助現(xiàn)在小巧、價低的嵌入式計算機和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)各種能穿在身上的監(jiān)護系統(tǒng)的研究工作已經(jīng)開展得非常之好，愛立信、諾基亞和飛利浦等公司都在進行相應(yīng)的研究開發(fā)工作。在國內(nèi)，目前普遍采用的人體生理監(jiān)護系統(tǒng)中，大致可分為三種：1）基于PC機平臺的監(jiān)護系統(tǒng)，功能強大且完善，但其體積龐大，不便于移動。2）微型和便攜式監(jiān)護儀，大多采用低檔單片機實現(xiàn)，功能簡單，只能進行信號的采集和顯示，不便于醫(yī)務(wù)人員監(jiān)視。3）采用嵌入式系統(tǒng)的監(jiān)護系統(tǒng)，其體積小、可靠性高、功耗低，但大多采用工業(yè)用PC104主板，普遍成本比較高。

本文研究的多生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)包括心電（ECG）、呼吸（REST）、無創(chuàng)血壓（NIBP）、血氧飽和度（SPO2）、體溫五個參數(shù)的實時監(jiān)護。由這些參數(shù)的二次數(shù)據(jù)還可提取心率、心律失常、呼吸率、收縮壓、舒張壓、平均壓及脈率等參數(shù)；可以較全面地評估循環(huán)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)的功能。由于ARM的嵌入式系統(tǒng)設(shè)備通常具有體積小、功耗低、功能集中、網(wǎng)絡(luò)功能強大和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，因此作者所在課題組利用ARM研制了一種生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)，以滿足多生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)不斷發(fā)展的要求。

2、嵌入式多生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)的構(gòu)建

為搭建更加理想的嵌入式控制系統(tǒng)，綜合考慮了本監(jiān)護系統(tǒng)的實際應(yīng)用，采用嵌入式Linux控制系統(tǒng)作為主控系統(tǒng)，圖1是系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)在ARM9的硬件平臺上搭建了一個嵌入式Linux系統(tǒng)，其中Linux內(nèi)核采用的是2.4.18穩(wěn)定內(nèi)核。

2.1定制Linux系統(tǒng)

依據(jù)所選擇的CPU類型即ARM9，以公開的嵌入式Linux源代碼為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計的嵌入式目標板情況編寫相應(yīng)的Bootloader程序（啟動裝載程序）。然后根據(jù)標準Linux裁剪出適合的內(nèi)核和文件系統(tǒng)，采用的嵌入式Linux在其內(nèi)核內(nèi)部實現(xiàn)了TCP/IP和相應(yīng)的驅(qū)動，并裁剪掉了不需要的模塊，在Redhat9.0的宿主機上對Bootloader和2.4.18版本的Linux內(nèi)核進行交叉編譯[5]。再對其文件系統(tǒng)進行精簡，將Bootloader程序、內(nèi)核和文件系統(tǒng)固化到目標板的Flash（閃存）中，便定制好了合適的嵌入式Linux系統(tǒng)。

2.2嵌入式多生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

如圖2所示為嵌入式多生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，主控制模塊采用的是ARM體系的處理器，即是Samsung公司的 S3C2410芯片，該芯片采用ARM920T微處理器作為控制器內(nèi)核。硬件各種接口以及擴展，都是可定制的[1]。本系統(tǒng)是專用于人體生理參數(shù)的監(jiān)護，故接口設(shè)計主要考慮各種人體生理參數(shù)的傳感器。由于系統(tǒng)中的各生理參數(shù)監(jiān)護模塊，都采用了OEM模塊，這些模塊采用單一的串口通訊，通過串口/USB口轉(zhuǎn)換模塊，就可以通過USB接口接入主控系統(tǒng)中。

3、核心功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)的核心功能是要實現(xiàn)對各心理參數(shù)的實時監(jiān)護，同時能及時計算和分析數(shù)據(jù)，并能準確快速地發(fā)現(xiàn)超標的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)超標報警功能。其中超標報警接口和可擴展的接口還需要編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序。

3.1驅(qū)動程序的編寫與調(diào)試

超標報警接口以及可擴展的接口，都應(yīng)編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序，其中超標報警接口的驅(qū)動程序的基本流程如下：

1）定義主設(shè)備號； 2）驅(qū)動初始化（或者是模塊的初始化）； 3）實現(xiàn)文件操作，定義file_operations結(jié)構(gòu)； 4）實現(xiàn)中斷服務(wù)（不是必須的）；5）編譯該驅(qū)動到內(nèi)核（或用insmod命令加載）；6）測試設(shè)備。

超標報警接口作為外接的一個設(shè)備，先定義以下設(shè)備號，

#difine DEVICE_NAME “alarms” /*定義alarm設(shè)備的名字*/

#difine ALARM_MAJOR 254 /*定義alarm設(shè)備的主設(shè)備號*/