可穿戴远程医疗系统用户端的硬件研究

论文摘要

随着我国人民生活水平的逐步提高和人口老龄化问题的日益严重,在人们对健康监护的需求与医护人员数量的不足、医疗费用居高不下之间形成了矛盾。远程医疗服务模式是缓解这一矛盾的有效途径,它使得以往单纯的医院为中心健康监护模式向医院、社区、家庭与个人相结合的模式转变。但在实际应用中,远程医疗仍然难以在社区或者家庭中普及,其核心问题集中在用户端部分的研究没有取得突破性进展,还存在某些需要克服的障碍。这些困难主要表现为测量时间不能长期连续、测量设备不够小巧方便、测量过程不太舒适轻松等。因此,设计一个合适的用户端对于远程医疗系统的发展具有重要意义。心脏病作为一种常见多发慢性疾病,已成为人类健康的头号杀手,尤其对中老年患者的危害性极大。心电图作为心脏病诊断的重要依据,对它进行长期动态监测,对于心脏病的预防、早诊断、早治疗具有重要意义。为此,本课题设计了一种基于穿戴式技术的心电远程监护系统用户端。整个用户端由一个前端模块和一个后端模块组成。前端模块穿戴在人体身上,它包含有一个心电采集模块、一个射频发射芯片及一个电源电路。心电采集模块完成从人体获取信号并进行放大、滤波及A/D转换处理;射频发射芯片用于完成心电数据从前端到后端的无线传输;而电源电路则为前端的各个器件供电。后端包含有一个射频接收芯片,用于接收前端的数据;一个由ARM和DSP组成的双核处理器,其中ARM作为主控制器,协调整个后端各个模块的工作,DSP作为从控制器,负责对来自前端心电数据进行数字滤波、压缩等处理以及心电图信号的初步诊断;一个GPRS模块,完成用户端数据到监护中心的数据远程传输以及接收中心的反馈信息(如诊断结果);同时,采用一块LCD触摸屏对DSP的初步诊断结果、病人基本信息以及中心的反馈信息进行智能化显示。此外,为了保证数据在RF无线传输和GPRS远程传输过程中的安全性,在数据传输前,对它进行了128位的AES加密处理。实验结果表明,用户端能够实现对人体非介人式、无创的心电诊断监测。同时,具备可移动操作、使用简便、长时间持续工作、智能显示诊断结果、异常生理状况警报、数据的安全传输等特点。有效改善了传统远程医疗系统用户端的不足。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 穿戴式医疗仪器的技术与特点
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 心电信号的临床意义
• 1.4.1 心电图简介
• 1.4.2 心电图在心脏疾病诊断中的应用
• 1.5 课题简介
• 1.5.1 课题内容
• 1.5.2 课题意义
• 2 用户前端硬件设计
• 2.1 心电采集电路
• 2.1.1 电极及导联方式
• 2.1.2 前置放大电路
• 2.1.3 右腿驱动电路
• 2.1.4 带通滤波电路
• 2.1.5 50Hz 陷波电路
• 2.1.6 二次放大电路
• 2.2 单片机C8051F330
• 2.2.1 C8051F330 简介
• 2.2.2 C8051F330 的作用
• 2.3 射频发射芯片
• 2.3.1 几种短距离无线通讯方式
• 2.3.2 nRF905
• 2.4 电源电路
• 3 用户前端软件设计
• 3.1 A/D 转换程序
• 3.2 nRF905 控制程序
• 3.2.1 SPI 初始化
• 3.2.2 nRF905 数据发送程序
• 3.3 数据加密
• 3.3.1 AES 加密算法
• 3.3.2 AES 算法原理
• 3.3.3 AES 在C8051F330 上的实现
• 4 用户后端硬件设计
• 4.1 ARM 处理器
• 4.1.1 S3C2440 简介
• 4.1.2 ARM 处理器实现的功能
• 4.2 射频接收芯片
• 4.2.1 射频接收
• 4.2.2 nRF905 同S3C2440 的硬件连接
• 4.3 LCD
• 4.3.1 LCD 简介
• 4.3.2 LCD 硬件同S3C2440 的硬件连接
• 4.4 DSP 处理器
• 4.4.1 TMS320VC5509 简介
• 4.4.2 DSP 处理器功能
• 4.4.3 TMS320VC5509 同S3C2440 的硬件连接
• 4.5 GPRS 无线远程传输模块
• 4.5.1 ETPro-221AN 模块介绍
• 4.5.2 ETPro-221AN 的硬件连接
• 5 用户后端软件设计
• 5.1 后端软件总体设计
• 5.2 驱动程序编写
• 5.2.1 Linux 字符设备驱动程序结构
• 5.2.2 几个S3C2440 相关驱动程序的编写
• 5.3 显示界面编写
• 5.4 GPRS 通讯程序
• 5.5 DSP 相应程序设计
• 5.5.1 DSP 的USB 接口驱动程序设计
• 5.5.2 数据的解密、加密
• 6 实验结果及分析
• 6.1 心电采集电路测试
• 6.1.1 电路幅频特性测试
• 6.1.2 电路共模抑制比测试
• 6.1.3 心电信号采集测试
• 6.2 AES 效率测试
• 6.3 nRF905 传输距离测试
• 6.4 LCD 测试
• 6.5 ARM 同DSP 数据通讯测试
• 6.6 同中心通讯的测试
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录