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随着老龄化社会的到来以及医学模式的转变,人们的健康观念不断更新,以医院为中心的医疗模式正在过渡到以预防为主、以社区医疗、家庭和个人保健为中心的模式上来,而我国目前并未建立起全国性的、成规模的、完善的社区医疗保健体系。医学仪器的微型化和个性化是医疗模式改变所带来的必然趋势。当今通讯技术、微电子技术、生物材料技术等的迅速发展为便携式医疗仪器带来了前所未有的机会,现代医学的发展面临着新的挑战和机遇。
跟传统的监护设备主要应用于医院不同,便携式医疗仪器主要应用于家庭和个人,通常由非专业人士操作,所以其必须具备以下特点:生理参数测量的准确性和稳定性,操作的简易性,良好的安全性和无损测量,低成本设计等。本课题围绕以上特点来设计了一种新的便携式多参数医疗信号处理器。仪器由生物电预处理模块与数据采集器模块组成。生物电预处理模块能针对患者的生理信号进行提取,而数据采集器模块则可以将提取后的生物电信号进行采集处理,数据通过LCD或PC机进行显示以及保存,便于患者随时了解自己的健康状况。
便携式多参数医学信号处理器的研究主要包括:生物电预处理模块、生物电识别模块、采集和传输模块、中央控制模块、电源管理模块几个部分。
在生物电预处理模块中,为了在强噪声背景下提取出微弱的生物电信号,针对不同的生理参数设计了放大电路和噪声抑制滤波电路。经实际测试,该模块可有效地抑制外界干扰,获得高质量的生物电信号。
生物电识别模块包含了八路选通电路、工频陷波器电路和主放大电路,它能将经过预处理的信号进行选通、放大及滤波处理,使得提取到的医学信号能够进行后端的数据采集。
采集和传输模块采用了16位逐次逼近模/数转换器来对八通道医学信号进行模/数转换,并配置了USB传输电路和LCD电路,建立了仪器内部的数据传输通路。
中央控制模块采用TI公司生产的超低功耗单片机MSP430F169作为主控制器。主控制器完成整个装置各组成模块之间的协调工作以及医学信号的采集和处理工作。在单片机的软件设计方面,采用模块化的软件设计方法,完成了模/数转换控制、USB数据传输控制、LCD显示与键盘控制等几部分程序的编写、调试工作。为了满足各模块不同电源电压要求,专门设计并通过实验优化了针对便携式医用仪器的电源管理模块。它包括电池供电通道和USB供电通道,能够输出稳定的+5V和+3.3V的电源电压和精确的+2.5V的基准电压。
在硬件电路设计制作和软件编程完成后,进行了整机调试与测试。通过测试可知,设计的生物电预处理模块能够有效的抑制噪声干扰,提取出高质量的医学信号;数据采集器模块能够对八通道医学信号进行采集,并同时与前级各个放大器电路之间取得了相当大程度上的隔离度,减少了数字电路对模拟电路的干扰。最后,文章结合模数混合信号电路设计方法与电磁兼容性设计方法,对仪器的整体电路设计中的噪声控制技术进行了详细的阐述。总体结果表明,该医学信号处理装置能够满足项目要求,达到了预期目的。