基于ARM的腦血氧監(jiān)測儀的軟件設計與實現(xiàn)

介紹了基于ARM的腦血氧監(jiān)測儀軟件的設計與實現(xiàn)。該軟件通過控制探頭對腦血氧信息進行采集并通過無線方式將信息發(fā)送給終端，終端對接收到的信息進行處理和顯示，同時將病人信息存儲在SQL Server CE2.0數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)病人信息的查詢、添加、刪除等功能。

氧是人體新陳代謝的重要物質(zhì)，腦是人體新陳代謝最活躍的器官之一，正常人腦氧消耗量占全身氧消耗量的20%左右，在心腦血管疾病及腦外傷病人臨床搶救與治療中，如果缺乏對腦組織供氧的監(jiān)護手段，就有可能造成腦組織神經(jīng)功能的喪失或損害[1]。因此，研制一種連續(xù)監(jiān)測腦供氧狀況的臨床設備，對提高心腦血管和腦外傷病人的診斷和治療具有重大意義。本腦血氧監(jiān)測儀可實時地采集左右腦血氧信號，把處理腦血氧信號得到的腦血氧飽和度實時地進行波形顯示；還可對腦血氧信號進行功率譜、互相關系數(shù)等處理，根據(jù)這些處理的結果判斷人的腦血氧狀況。

1 腦血氧監(jiān)測儀的系統(tǒng)結構

腦血氧監(jiān)測儀包括探頭和終端兩個部分，其總體結構如圖1所示。探頭采用ARM7系列微控制器，分時采集采樣數(shù)據(jù)，同時通過無線收發(fā)模塊RF24L01實現(xiàn)與終端的數(shù)據(jù)傳遞和通信；終端采用ARM9系列微控制器，其主要功能包括數(shù)據(jù)接收、計算和實時顯示大腦組織的血氧飽和度、計算血氧互相關系數(shù)和功率譜并顯示結果。以下主要介紹腦血氧監(jiān)測儀的軟件設計與實現(xiàn)。

2 腦血氧監(jiān)測儀軟件設計

2.1 開發(fā)環(huán)境的選擇

由于硬件條件的不同，腦血氧監(jiān)測儀軟件的探頭和終端采用不同的開發(fā)環(huán)境。探頭軟件的開發(fā)環(huán)境采用ADS1.2，ASD1.2支持ARM10之前的所有ARM系列微控制器，支持軟件調(diào)試及JTAG硬件仿真調(diào)試，支持匯編語言、C語言和C++源程序，具有編譯效率高、系統(tǒng)庫功能強等特點[2]。終端采用WinCE5.0嵌入式操作系統(tǒng)，WinCE是一個Microsoft公司開發(fā)的開放、可升級的32 bit嵌入式操作系統(tǒng)，適用于各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品。WinCE的圖形界面出色，并且具有結構化、模塊化和基于Win32應用程序接口以及與處理器無關等特點[3]。終端軟件的開發(fā)環(huán)境采用Embedded Visual C++(簡稱EVC)，EVC是Microsoft公司推出的WinCE程序可視化開發(fā)工具，支持SDK、MFC、ATL，兼有高級和低級語言的雙重性、靈活性，執(zhí)行效率高[4]。

2.2 軟件功能模塊設計

腦血氧監(jiān)測儀的軟件主要包括探頭和終端兩個部分，探頭軟件主要由數(shù)據(jù)采集模塊和無線收發(fā)模塊組成，如圖2所示。終端軟件主要由無線收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、結果顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊組成，如圖3所示。

(1)數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要功能是采集通過光電轉換后的包含血氧信息的電壓信號，并對信號做濾波、放大、A/D轉換等預期處理。

(2)無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)模塊功能主要是通過RF24L01無線通信模塊的驅(qū)動實現(xiàn)，將探頭采集的經(jīng)過A/D轉換后的信號發(fā)送給終端。

(3)數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要是對采集到的血氧信號值進行中值濾波、快速傅里葉變換，計算出功率譜、互相關系數(shù)、血氧飽和度等參數(shù)。

(4)結果顯示模塊

結果顯示模塊主要包括兩個方面：一方面實時地顯示血氧飽和度值；另一方面可以截取任意一段血氧波形做處理，其處理方式包括波形放大、功率譜顯示、互相關函數(shù)顯示等。

(5)數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊主要存儲病人基本信息和采集的血氧信息，并可以對其進行添加、查詢和刪除。

2.3 軟件基本流程

探頭軟件的流程如圖4所示，探頭啟動后初始化設備包括端口初始化、AD初始化、定時器初始化、SPI初始化、NRF24L01初始化和中斷初始化等，然后通過AD功能將采集到的電壓信號轉換成數(shù)值信號，待一組數(shù)值采集完畢觸發(fā)中斷。中斷處理包括設置發(fā)送模式、發(fā)射數(shù)據(jù)和監(jiān)聽應答等功能，一組數(shù)值發(fā)送完畢后中斷返回，進行下一組數(shù)值采樣。