遠程醫(yī)療是網絡科技與醫(yī)療技術相結合的產物，隨著我國經濟的發(fā)展、科技的進步以及進入老齡化社會的需要，發(fā)展遠程醫(yī)療已成為一種必然趨勢。遠程醫(yī)療從使用對象上可分為：面向醫(yī)院的遠程醫(yī)療系統(tǒng)和面向家庭的遠程醫(yī)療系統(tǒng)。面向家庭的遠程醫(yī)療系統(tǒng)的功能包括：遠程“看醫(yī)生”、遠程監(jiān)護、遠程醫(yī)學信息查詢 /咨詢等。

國外的遠程家庭醫(yī)療更加注重遠程“看醫(yī)生”，個人/ 患者在家中就可與醫(yī)生進行實時語音、圖像信息交流，可實現在線檢測人體生理信號并給出診斷。這種系統(tǒng)是以視頻會議系統(tǒng)為核心，但目前還難以在我國普及，原因一是該系統(tǒng)的價格太貴，一般家庭承受不起;原因二是受到通信信道帶寬的限制，國外一般使用綜合業(yè)務數字網（ISDN），而我國現在普及到家庭的是普通電話系統(tǒng)（POTS），盡管通過這也可實現雙向視頻傳輸，但在圖像分辨率、每秒傳輸圖像楨數等方面，難以達到遠程醫(yī)療的要求。作為遠程醫(yī)療的重要內容之一的遠程監(jiān)護，其傳輸的只是人體生理信號，其所需的通信速度通過普通電話線就可以滿足。因此，考慮到我國互聯網用戶呈逐年增長趨勢，發(fā)展遠程監(jiān)護更加符合我國國情。

系統(tǒng)結構與功能

系統(tǒng)采用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務器）模式設計，使用該模式的最大好處是減少開發(fā)工作量、運行維護比較簡便。將B/S模式引入嵌入式網絡設計，改變了過去需要同時開發(fā)上位機和下位機軟硬件的做法，現在只需要在下位機（服務器端）的嵌入式設備中集成一個微型服務器，利用 HTML（超文本標記語言）設計網頁模塊，就可在上位機（瀏覽器端）使用IE等瀏覽器接收和解析此模板，從而為用戶提供一個視覺效果好、操作方便的工作界面。

首先基于ARM9處理器S3C2410A和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，設計出支持嵌入式Web Server的開發(fā)平臺，再通過移植嵌入式Web Server—boa，配合數據采集和處理等模塊，構造一套適用于家庭的便攜式遠程醫(yī)療監(jiān)護終端。在監(jiān)護終端，利用生物電引導電極采用標準三導聯方式將人體心電信號拾取出，經導聯線傳輸到信號調理模塊，經該模塊的濾波、放大后得到初級的生物電信號，再經由S3C2410自帶的ADC引腳送入Web服務器模塊，心電信號在此模塊中經過各種運算分析后得到反映心臟特征的信號， LCD上實時的顯示心電波形和病人的個人信息，同時將心電信號存儲于片外Flash ROM中，終端通過以太網口接入以太網，以實現與監(jiān)控中心的遠程交互。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

硬件電路設計

信號調理電路模塊

心電信號的檢測是屬于強噪聲背景下的微弱信號檢測，信號具有微弱、低頻、高阻抗、不穩(wěn)定和隨機等特點。此信號的主要頻率范圍為0.05~100Hz， 幅值范圍為0.5~5mV。微弱的心電信號還受到多種干擾，其特征被淹沒在復雜的信號之中。又由于生物電引導電極在拾取人體電信號時與人體接觸會產生極化電壓。因此，為了滿足檢測要求，信號調理電路必須要較好的抑制各種干擾、不失真的放大心電信號。本設計中，信號調理電路模塊主要包括前端電路、信號放大電路和陷波電路。電路框圖如圖2。

圖2 信號調理電路框圖

前端電路

前端電路作為信號調理電路的第一級，其功能主要是為了抑制環(huán)境中的干擾噪聲、提高前置放大器的共模抑制能力。緩沖放大器一般采用電壓跟隨器實現，其緩沖隔離作用減小了生物信號源對放大器的過高要求，提高了電路的輸入阻抗，減少心電信號衰減和匹配失真。使用屏蔽層驅動電路可以較好的去除導聯線屏蔽層分布電容的不等量衰減造成對放大器總CMRR（共模抑制比）的影響。由于人體本身可通過各種渠道從環(huán)境中拾取工頻50Hz交流電壓，在心電測量中形成交流共模干擾，這種干擾常在幾伏以上，采用右腿驅動電路后能夠使50Hz共模干擾電壓降到1%以下。電路圖如圖3。

圖3 前端電路

信號放大電路

信號放大電路采用兩級放大，如圖4，差動放大U805為前置級，同相放大U809構成第二級。根據心電信號檢測的特點，通常要求放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動態(tài)范圍的性能。前置放大器的輸入電阻一般要求》2兆歐，輸入電阻越大，因電極接觸電阻不同而引起的波形失真越小，共模抑制比就越高。由于極化電壓的存在， 為防止前置放大器工作于飽和或截止區(qū)，前置級的增益不能太高，實驗表明放大10倍左右效果較好。因此選用儀表放大器MAX4196，該芯片可采用單電源供電，其功耗最低達到8mA，共模抑制比為115dB，輸入偏移電壓為50mV，-3dB帶寬可達250kHz，輸入阻抗為1000MW，增益固定為 10（V/V）。

圖4 兩極放大和濾波電路

前置放大器部分總的共模抑制比為：

公式放大器閉環(huán)差模增益，Ac：共模增益，CMRRD：運放本身的值;CMRRR：外電路電阻匹配精度限定的CMRR，d：電阻精度。因此在電路中，要精確匹配外電路電阻R812=R813，以使共模輸出變得更小。

主放大器采用MAX4197（特性與MAX4196一樣），其增益固定為100（V/V）。信號調理電路的總放大倍數為1000倍。在圖4中，電容C805具有去除極化電壓功能，并與電阻R820構成高通濾波電路，用于抑制直流漂移和放大器通帶外的低頻噪聲。

陷波電路

工頻干擾是心電信號的主要干擾，雖然前端電路和前置放大器已對共模干擾具有較強的抑制作用，但有部分工頻于擾是以差模信號進入電路的，且頻率處于心電信號頻帶之內，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因數，前級電路輸出的心電信號仍然存在較強的工頻干擾，因此必須將其濾除。本設計采用的是無限增益多路反饋型二階陷波器，電路如圖5。

圖5 陷波電路

嵌入式Web服務器模塊

考慮本系統(tǒng)定位于家庭使用，且系統(tǒng)需要連續(xù)長時間工作，又由于系統(tǒng)需要良好的人機交互環(huán)境、存儲大量數據以及支持網絡通信，所以要求處理器具有功耗低、成本低、豐富的接口和支持操作系統(tǒng)。本設計選用ARM9處理器S3C2410A，S3C2410A主要面向手持設備以及高性價比、低功耗的應用上。其 CPU內核采用的是ARM公司的16/32位ARM920T RISC處理器。ARM920T實現了MMU、AMBA總線和Harvard高速緩存體系結構，該結構具有獨立的16KB指令Cache和16KB數據 Cache。S3C2410A集成的片上功能主要包括：1.8V/2.0V內核供電，3.3V存儲器供電，3.3V外部I/O供電;外部存儲器控制器;LCD控制器提供1通道LCD專用DMA; 8通道10位ADC接口，轉換速率最大為500KSPS（Kilo Sample Per Second，千采樣點每秒）;117位通用I/O口和24通道外部中斷源;電源控制模式包括正常、慢速、空閑和掉電4種模式;支持NAND Flash的啟動裝載。

對心電信號采樣精度的考慮主要出于對ST段異常分析處理的要求，ST段電平變化約為0.05mV，因此采樣精度至少為0.025mV。當采用10位 A/D轉換器工作在正極性、滿刻度電壓為2.5V時，可分辨的最小輸入電壓為2.5mV，而信號調理電路放大倍數為1000倍，則輸入端的最小分辨率約為 0.0025mV，故S3C2410A具有的10位A/D的精度完全滿足系統(tǒng)需求。

為了使用戶能夠直觀的觀察心電和便于控制設備，設計采用東華公司的TFT彩屏YL-LCD35套件用于人機交互界面。為滿足移植操作系統(tǒng)以及存儲心電信號、網頁等數據的要求，系統(tǒng)外擴了64M的NAND Flash（使用一片K9F1208UOB）和64M的SDRAM（使用兩片HY57V561620）。為滿足終端聯網的需求，選用CS8900A用于設計網絡適配器，CS8900A是一個真正的單芯片、全雙工的以太網解決方案產品，更方便的是在Linux內核中提供有CS8900A適配器的驅動程序。

電源部分

為增加安全性、降低功耗、節(jié)省成本，設計采用9V堿性電池供電，通過電源轉換芯片AS1117-3.3將9V轉換為3.3V可供給放大器芯片和S3C2410使用。

軟件設計

軟件設計主要包括Linux的移植，嵌入式Web Server-Boa的移植，CGI（通用網關接口）程序的設計，功能程序的設計。

圖6 系統(tǒng)軟件框圖

Linux的移植

本設計采用linux-2.4.18內核。正確進行Linux移植的前提是具備一個與Linux配套、易于使用的BootLoader，它能夠正確完成硬件系統(tǒng)的初始化和Linux的引導。本系統(tǒng)中采用vivi，它是由韓國MIZI公司提供的一款針對S3C2410芯片的BootLoader。

Linux內核的目錄/arch中包含了所有與硬件體系結構相關的內核移植代碼，目錄/arch中的每個子目錄代表了一種Linux支持的處理器。移植Linux到S3C2410平臺主要是修改/arch/arm目錄及其子目錄下相關的makefile文件和配置文件。例如：修改內核根目錄下的 Makefile文件，指明要移植的硬件平臺為ARM：ARCH：=arm，指明使用的交叉編譯器CROSS_COMPILE=/opt/host /armv41/bin/armv41-unknown-linux-;修改arm/arm目錄下的config.in文件，配置S3C2410的相關信息;為初始化處理器，還需在arch/arm/boot/compressed目錄下添加head-s3c2410.s文件。內核修改完成后，用命令 make menuconfig配置Linux，再用make zImage命令編譯內核，編譯通過后則在目錄arch/arm/boot下生成zImage內核文件，還需利用工具軟件MKCRAMFS制作 cramfs文件系統(tǒng)。最后，在minicom終端的vivi命令行下利用load命令將內核和文件系統(tǒng)下載到目標系統(tǒng)，至此移植完成。

Boa的移植和CGI程序設計

由于嵌入式設備資源有限，并且不需要同時響應多用戶請求，因此一般使用一些專門的Web服務器用于嵌入式應用設計。Boa是單任務web服務器，源代碼開放，性能高，支持CGI，能為CGI程序fork出一個進程來執(zhí)行，其設計目標是速度和安全，可執(zhí)行代碼只有約60KB。移植Boa的過程如下：從 sourceforge.net上下載 boa-0.94.13，在其解壓目錄下生成并修改makefile文件，然后運行make得到可執(zhí)行程序，利用命令armv4l-unknown- linux-strip將調試信息剝去，然后修改Boa的配置文件boa.conf，使其能支持CGI程序的運行。最后將生成的可執(zhí)行程序Boa掛載到目標系統(tǒng)，若能成功訪問靜態(tài)HTML網頁和運行測試用的CGI程序，則表明配置成功。

通用網關接口CGI可將Web服務器連接到外部應用程序，它主要完成兩件事情：一是收集從Web瀏覽器發(fā)送給Web服務器的信息，并將這些信息提供給外部程序利用;二是對提出請求的Web瀏覽器發(fā)送程序的輸出。CGI具有平臺獨立性、語言獨立性和層次感等優(yōu)點。利用CGI程序則可以實時執(zhí)行并輸出動態(tài)信息，且其占用資源少。CGI程序的執(zhí)行過程為：瀏覽器將表單數據以POST方法提交給Web服務器，服務器根據收到的數據設置環(huán)境變量，并新開一子進程來執(zhí)行CGI程序，CGI程序從環(huán)境變量中讀取所需要的數據，通過調用用戶自定義的外部功能函數完成數據處理后，再讀取相應的HTML模板文件，根據注釋標記將對應的數據填充到HTML文件中，生成新的HTML頁面經Web服務器返回給瀏覽器。

為快速開發(fā)符合應用要求的CGI程序，在設計時添加了CGIC庫和gd庫。CGIC是一個功能強大的支持CGI開發(fā)的開放源碼的標準C庫。 Thomas Boutell編寫的gd庫是標準的C語言庫，具有基本的繪圖等功能。為實現在網頁上動態(tài)顯示心電波形，將每次采集的數據經過功能程序處理后存儲的同時送給CGI程序，利用gd庫提供的函數來創(chuàng)建圖像。通過在網頁模塊上設定刷新時間（使用HTML語言的META標記），從而實現在網頁上心電波形的動態(tài)顯示。

主程序設計

主程序首先完成對系統(tǒng)的初始化，然后阻塞監(jiān)聽網絡接口是否有連接請求，一旦客戶端發(fā)出連接請求，則在服務器端產生中斷;讀取網絡數據，然后對網絡數據進行解析，這一步主要是解析HTTP協議，需要判斷連接請求是否符合服務器規(guī)定的請求格式，判斷是連接請求的請求方法，判斷請求的文件是否存在服務器上，判斷認證信息是否正確等等;在處理A/D采集的數據這一過程中，首先要將采集后的心電信號進行濾波處理，主要是抑制心電信號中的50Hz工頻干擾，再完成濾波后，將數據送到本地的LCD上顯示，同時將當前的數據以網頁數據的格式發(fā)送到網口。

結語

本系統(tǒng)的設計定位于家庭醫(yī)療監(jiān)護，通過在用于生理特征信息監(jiān)測的嵌入式系統(tǒng)中集成Web服務器實現Internet的接入，從而實現用于遠程家庭醫(yī)療的監(jiān)護系統(tǒng)。其意義在于：設計出一套價格低且易于推廣的遠程家庭醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，改變目前我國家庭醫(yī)療監(jiān)護落后的狀況;有效提高中老年人群心血管等慢性疾病的監(jiān)護水平，有利于提高中老年人群突發(fā)疾病患者的整體救治率;為醫(yī)療機構提供大量有價值的我國中老年人群疾病的原始數據進行科研工作。

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