DSP在医学仪器中的应用实例ExamplesofDSPintheuseof

在医学领域，往往要求测量与分析相结合，同时进行实时性诊断和处理，尤其是在救护病人时的监护和病人家庭监护等场合。这就要求智能医学仪器不仅能监视信号，还能进行信号分析与判断。于是数字信号处理器DSP(信号分析与判断)在医学仪器领域有广阔应用。消费及便携式医疗：血压监测仪心率监测仪血液分析仪数字体温计脉搏血氧测定仪(PulseOxymetry)便携式医疗产品诊断、患者监控及治疗:心电图(ECG)脑电图(EEG)血氧量(脉搏血氧测定)通气/呼吸去纤颤器医疗成像超声波(Ultrasound)计算体层成像(ComputedTomography，简称CT)核磁共振成像(MRI)数字式X光正电子放射层析成像(PET)扫描仪医疗仪器医疗仪器在当今具有多种不同的应用。典型的应用包括了用于医疗实验室的仪器、用于体外诊断的分析仪器、临床外科仪器以及口腔相关设备。1.由DSP构成的一种便携式医学信号实时测量与分析仪器系统由TMS320C25控制，可直接完成双通道的高速数据采集、实时进行频谱分析、并利用图形LCD对测量与分析结果进行监视，需要时还可以用DMA方式与PC机联机通讯，将结果存盘待进一步分析与处理。系统框图基本软件支持该仪器的基本软件有：功能选择驱动程序、键扫描分析程序、显示驱动程序、图形打印程度、高速数据采样与谱分析程序（包括FFT、相关分析、功率谱、例谱、窗函数、卷积等），与PC机的通讯程序以及专门应时程序（实时频谱监、双通道数据采集、测量血液流速程序等）。软件关系图2.用TMS32010芯片实现胎儿心电信号的提取胎儿监护及产期监护是妇产科中的一项重要措施。目前国内外用的最广泛的是超声多普勒胎儿监护。存在问题：腹部心电信号拾取方便，但信噪比低，特别是母体心电比胎儿心电强10~20倍，胎儿心电常为噪声淹没。时域中，胎儿心电约有10%~30%和母体心电融合；频域中，胎儿心电频谱与母体心电频谱大部分重合。解决办法:自适应滤波技术自适应噪声抵消方法消除母体心电信号原理自适应噪声抵消方法的实质是把从母体胸部取出的心电信号经自适应滤波后，使其输出y逼近m，从而抵消掉腹部信号中的m1，于是获得胎儿心电信号估值f。电路前置级设计要点生物电放大器的前置级,必须具有高输入阻抗、高共模抑制比和低噪声低漂移的性能。同时考虑自适应噪声抵消算法的特点，两路放大器越对称越简单越好，这样可以减弱因硬件自身噪声抵消算法带来的影响电路前置放大器DSP部分的电路设计总体程序框图实验室测试3.基于MSP430的心电Holter设计注意事项大的直流偏移和多种干扰信号ECG内所需的准确度会随终端设备的变化而有所不同：优化功耗和模拟前端的PCB面积对于便携式ECG而言非常关键。基于MSP430的Holter功能模块概述

系统以超低功耗微型控制器MSP430FG439为处理核心，并且该芯片集成了前端所需的OPA和A/D模块，为达到系统的超低功耗目标提供了必备条件，其系统功能如下：实现人体心电信号的采集、滤噪及放大；实现心电信号的长时间连续记录；LCD液晶屏显示心率；系统集成有串口，JTAG，方便系统调试。系统功能模块图

系统结构组成：ECG前端：采用仪表放大器INA321对采集的心电信号进行放大，放大倍数为5倍。电源管理：采用3V的锂电池供电。时钟模块：由32.768KHz的晶振产生ACLK为系统时钟源。系统调试：采样的心电信号可通过RS232在PC上显示。超低功耗微型控制器MSP430FG439，其内部集成了综合运算放大器OPA、A/D转换等模块，USRAT，JTAG等接口，如MSP430FG43X系列功能结构图所示：低工作电压：3V；应用MSP430FG439内部的OPA对ECG前端输入的心电信号进行100放大，心电共放大倍数Gain＝5×100，再对其进行12位的A/D转换；MSP430FG439的运算放大器外接电阻和电容配置低通、高通滤波器，带宽约为1.6Hz-34Hz；计算心电信号的心率，并通过LCD驱动模块驱动LCD显示心率；MSP430FG439集成USART端口，系统设置该端口为UART模式。MSP430FG43X系列功能结构图系统工作流程图

基于MSP430的Holter前端

信号采集： 本系统信号采用两个正方形金属片作为左右手接触电极，采集人体心电信号。前端放大心电信号心电是体表的弱信号，大概在0.1-5mv之间，频率范围大概在0.1-100Hz之间。信号采集首先需要将心电放大到cmos电平。心电信号放大心电信号采集一般采用两级放大。第一级差分放大，大概放大5倍。然后滤波后第二级放大，大概放大100倍。

Holter前端电路前端放大电路原理由于采集到的是弱信号且受到多种噪声的干扰，所以左右手指的信号通过差分放大器INA321来消除共模噪声，并放大5倍。放大后信号通过MSP430FG439的OA0和OA1进行滤波和放大。OA0的输入和输出端之间接RC滤波器，提供34Hz的低通滤波器，且做为信号A/D转换前的反混叠滤波器。OA0的增益由两个电阻控制，G=100，信号共放大500倍。OA1输入和输出间接电容C＝100nF，其与R=1M构成约为2Hz的低通滤波器，对直流积分，加在INA321用于去除基线漂移。4.基于DSP的助听器助听器的设计难点助听器必须足够小以便放入人体的耳内或耳后，运行功率必须超低，并且没有噪声或失真。为满足这些要求，现有的助听设备消耗的功率要低于1mA，工作电压为1V，利用的芯片面积少于10mm2，听力损失传导性听力损失:声音主要由传导性损失衰减，因此只需放大声音就可恢复接近正常的听力。不需要任何特殊的信号处理，传统的模拟助听器即可良好地工作。神经性听力损失(SNHL):而当耳蜗中的感觉细胞或听觉系统中较高的神经机制出现问题时会发生神经性听力损失。预处理信号来增强复杂的声调模式，以补偿听力损失。处理声音可使语音更容易理解。但是，最佳处理算法因个体而异，甚至在不同的听力条件下（如安静的房间与喧闹的体育场）为个别人而有所改变。适应这些差异的关键在于助听器的灵活性。基于DSP的助听器可扩展软件控制的功能，以包括频率成形、反馈消减、噪声降低、双耳处理、耳壳与耳道过滤、混响消除以及提供从数字电话、电视或其它音频设备的直接数字输入。采用可编程

DSP助听算法/功能可定制或在不改变硬件的情况下改变。助听专业人员几乎可在实时的前提下经济地采用可用的算法。甚至还可以将用户可选择的程序用于切换到听力难的情况下经过高度处理的声音，或返回安静环境中的传统、失真较少的声音。基于DSP的助听器方框图小结DSP器件是一种具有高速运算能力的单片机，和事务密集型的通用单片机不同，它是运算密集型，DSP器件可以完全取代通用单片机。并且随着DSP产品价