无线移动式多参数生理监护仪的研制

无线移动式多参数生理监护仪的研制

0系统硬件将成为主流随着医院信息流程的加快，网络技术的快速发展，医疗监控产品的5g化和网络化已成为趋势，具有便携式无线通信功能的监测产品已成为主流。作为无线移动式多参数生理监护仪整机的构成基础,系统的硬件设计直接影响到系统的性能与价格。为了缩小系统体积并降低功耗,必须在满足系统性能要求的基础上尽量减少硬件开销。本文重点研究以nRF24E1芯片为核心的系统硬件设计思想及关键技术。1u3000省电模式监护发射盒主要包括心电、体温、呼吸信号采集电路和射频发射电路两大部分。结构如图1所示。心电、体温、呼吸信号采集电路所获得的信号经由nRF24E1芯片上的AD通道进行模数转换后以FSK调制模式发射出去。其中nRF24E1是挪威Nordic公司推出的一款单片2.4GHz无线收发芯片,采用0.18mCMOS技术制造,以增强型51为内核,9路10bitADC,采样率可达100K,具有125个频道,传输速率可达1Mbps,内置CRC校验并支持多点通信。1.9V~3.6V低功耗工作,内置电压监视和复位电路,多种省电模式可供选择。(1)微处理器nRF24E1微处理器的指令系统与工业标准的8051相兼容,但两者的执行时序稍有不同。(2)PWM(脉宽调制)nRF24E1有一个可编程PWM输出,它和DIO9共同复用P0.7引脚,并可软件编程决定PWM工作于6、7或8位。(3)SPI(串行外设接口)SPI的3个口(SDI、SCK和SDO)与GPIO(DIN0、DIO0和DIO1)共同复用P1口的三个引脚(P1.0、P1.1、P1.2)。SPI硬件不产生任何片选信号,通常用GPIO位(P0口)来作为外部SPI设备的片选口。(4)端口逻辑nRF24E1有1个输入,10个输出引脚。P0(DIO2~DIO9)和P1(DIO0、DIO1、DIN0)默认配置为GPIO(通用输入输出端口)。(5)RTC唤醒定时器、WTD(看门狗)和RC振荡器,nRF24E1内有一个低功耗的RC振荡器。该振荡器在VDD≥1.8V时,会持续工作。唤醒定时器由用户软件控制启动和停止。看门狗在复位后被禁止,再次复位后才能被激活。(6)A/D转换器nRF24E1内有9通道10位ADC,线性转换时间为每10位48个CPU指令周期。A/D转换器可在ARFE输入和内部1.22V的带隙参考之间进行软件选择。A/D转换器默认配置为10位,为满足需要,可通过软件使其工作于6位、8位或12位方式。(7)无线收发器nRF24E1内嵌的无线收发器工作于全球开放的2.4GHz~2.5GHz频段。由1个完整的频率合成器、1个功率放大器、1个调节器和2个接收器组成。发射模式下,射频电流消耗仅为10.5mA,接收模式下为18mA。为了节能,可通过软件程序控制收发器的开/关。2监护发射盒电源的设计心电检测电路如图2所示,共分三级放大,其中第一级为差分放大,总增益为478倍,滤波电路由一个截止频率为0.05Hz的一阶高通滤波器和一个截止频率为111Hz的2阶低通滤波器组成。整个电路在设计上主要存在以下几个具体问题:首先,监护发射盒采用2节5号电池供电即3V单电源供电,但心电信号是一个有正有负的信号因此在设计心电检测电路的时候应将电源的+1.5V设置为心电检测电路的地这样使得心电波形的检测范围在±1.5V以内。其次,nRF24E1芯片AD通道的参考电压为1.22V,而此时心电信号的地就有1.5V已经超出AD通道的采集范围,为了保证心电信号能够被nRF24E1正确采集在心电检测电路的最终输出端需接上两个大小相等的分压电阻将其电压减半后再进入AD通道进行模数转换。最后,由于检测电路在低电压条件下工作因此放大器最好选择低电压、满摆幅的放大器以保证微弱信号的放大幅度。3呼吸气流变化来实现呼吸信号的检测是通过将热敏电阻置于病患鼻孔处感受呼吸气流的温度变化来实现的,具体电路如图3所示。其中MAX495为maxim公司生产的一款低电压满摆幅单运放芯片。4感器+612体温信号检测是通过采用maxim公司生产的高精度模拟温度传感器MAX6612检测病患体表温度实现的,其具体电路图如图4所示。其中MAX6612输出幅值与所测温度的关系满足表达式:其中,Vout表示MAX6612输出幅值,T表示所测温度。5系统的运行效果接收机主要包括射频信号接收电路和USB接口电路,结构如图5所示。该部分通过采用nRF24E1实现无线数据的接收解码并控制USB接口芯片将数据通过USBHUB上传至计算机。为实现多床位同时监护可利用PC机USB接口的易扩展性通过USBHUB扩展多个USB接口,每个USB接口接上一个接收机,而每个接收机和与之对应的监护发射盒通过设置唯一且相同的调制频率及发射、接收地址建立一一对应的发射、接收关系,中央端PC机通过分别读取不同USB口的数据予以显示从而实现多床位同时监护。为了测试电路的稳定性和可靠性,结合相应的软件设计,使用本系统对多人进行了测试,还在武汉陆军总医院的老年二科对老年心脏病患者进行了多次的24小时连续监护。系统运行稳定可靠性较高;能够准确获得人体心电、呼吸波形;体温测量精度高与电子温度计所测温度进行比较误±0.2℃以内,达到了应用要求;对计算机判别结果与人工判别结果的偏差进行比较发现二者无明显差异,如表1。下面以心率进行t检验为例进行说明:7监管机关参数该系统工作在2.4GHz以上的全球开放频段,传输距离在室内不采用中继装置的情况下达30m左右,实现了对心电波形、呼吸波形、心率、PR间期、QRS宽度、ST段、QT/QTc间期、体温等参数的多床位的同时监护。减轻医护人员工作量的同时提高了监护效率,医护人员可以更快的对不同病人的各种异常情况做出反应。6ft25bmFT245BM为FTDI公司生产的一款USB接口并串转换芯片,其主要功能是进行USB和并行I/O口之间的协议转换。芯片一方面可从主机接收USB数据,并将其转换为并行I/O口的数据流格式发送给外设;另一方面外设可通过并行I/O口将数据转换为USB的数据格式传回主机。中间的转换工作全部由芯片自动完成,开发者无需设计固件。FT245BM内部主要由USB收发器、串行接口引擎(SIE)、USB协议引擎和FIFO控制器等构成。FT245BM还包括1个内置的3.3V稳压器,1个6MHz的振荡器、8倍频的时钟倍频器、USB锁环和EEPROM接口。FT245BM采用32脚的PQFP封装,积小巧。FT245BM与nRF24E1连接电路采用总线供电模式,同采用上电复位方式。时钟电路采用由1个6MHz的晶振及个33pF的电容组成。在USB接口的电源端采用一个1Ω阻,以减少主机和设备的干扰;同时,电源端增加了去耦旁路电容,以提高