淺析嵌入式系統在醫療設備中的應用

王國棟 李成龍

(山東省青州市人民醫院 山東青州 262500)

隨著科技水平的不斷發展,醫療設備都要進行越來越多的高速的模擬信號如電壓、電流、圖像等信息的數據采集、分析與處理。比如生理參數檢測設備心電圖、腦電圖等,還有各種監護儀,X射線成像等設備。醫療行業中嵌入式系統的應用給這個行業帶來了很大的進步,醫院里有很多方面都涉及到嵌入式系統的應用,其中檢驗設備有X線機控制系統、EEG、CT、超聲波、核磁共振等設備,診斷檢查設備有結腸鏡和內窺鏡等[1]。另外還有基于計算機技術的嵌入式系統也在醫療領域應用廣泛,此類系統借助計算機的采集卡采集各種模擬信號并進行處理;用計算機本身的資源進行顯示、存儲和記錄。計算機采集卡種類多,使用靈活,得到了廣泛應用。

1 嵌入式系統簡介

嵌入式系統是結合了計算機、半導體枝術和電子技術,是新型集成知識系統。這決定了它是一個集技術與資金一體的高度分散、集成創新的知識系統。

由于實際醫療領域中嵌入式系統的應用數量遠遠大于計算機式嵌入式系統的應用,我們著重介紹單板嵌入式系統。據世界半導體貿易統計協會的統計數據,截止到2011年計算機板卡式嵌入式系統只占世界處理器市場總數的10%,單板嵌入式微處理器占90%。故在醫療領域主要的應用系統還是單板嵌入式系統,這類系統沒有鍵盤、鼠標配置靈活多樣,使用方便,極大的促進了它的發展應用。

2 嵌入式系統的特點

嵌入式系統是以嵌入式處理器為中心,集成了軟件、硬件的高可靠性系統架構,板上配置有存儲器、通信、I/O、USB等必要的外部設備;軟件部分配置有軟件開發平臺,可提供編程接口應用,提供板級支持包BSP,但已經屏蔽具體硬件特性。嵌入式系統的軟件和硬件協調工作,緊密配合,完成用戶要求的預定功能。高性能嵌入式系統的系統的發展離不開應用程序,系統的應用程序的要求是較少占用系統資源,隨著嵌入式系統技術日益完善,出現了各種高性能嵌入式應用系統,已經能滿足占用系統資源少的要求,屬于一類應用系統程序范圍[2]。

近期醫療設備領域出現了眾多利好消息,德國、美國、英國都明確表示將加大醫療領域的資金技術投入;而我國和墨西哥也將在2011年繼續進行醫療改革。有了政府資金政策的支持,社會公眾醫療會對醫療設備的需求大大增加。隨著生活水平的不斷提高,人們越來越重視自身的健康,需求增加,就會有越來越多的高科技手段運用到醫療設備的設計中。同步進步的就是各種生理參數檢側設備,如,腦電儀、心電圖等。各類監護設備,如超聲波,X射線、核磁共振設備等。

圖1 嵌入式系統結構

3 嵌入式系統在醫療設備中的應用實例

現已遠程醫療監護體系為例,介紹嵌入式系統在醫療設備中的應用。遠程醫療監護體系主要服務器端和監護終端兩部分。服務器端位于醫院監護中心,用于實時接收客戶終端發送來的體征信息并顯示出來,同時對上傳數據進行專業的醫療分析并反饋醫囑;位于用戶側的監護終端,主要進行數據的測量、采集、處理并將信息上傳服務器。監護終端和服務器端之間可以通過各種通訊信道連接,如光纖、GPRS,modem撥號、無線局域網等[2]。

系統的軟件設計在Hm701ESP嵌入式系統實驗平臺上進行,該實驗平臺不到手掌大小,具有的功能有:系統存儲器(SDRAM)、工業級64MB的PC133動態隨機存儲器、固態存儲器(Solid State Memory)、NorFlash:32MB(Intel StrataFlashMemory)、Nand Flash:256MB(S a m s u n g NandFlash Memory)、CF Card:256MB～1GB(TrueIDE Mode)、顯示系統(Display System)、LCD接口:支持DSTN和TFT液晶屏,最大分辨率為800×600、觸摸屏接口:支持4線電阻式觸摸屏、通訊接口:RS232串口:1個,三線串口,波特率高達921.6Kbps全功能串口:1個,九線串口,波特率高達921.6Kbps、RS485接口:1個,工業級標準RS485接口;USB HOST:2個,USB2.0協議,波特率高達12Mbps USB Client:1個,USB2.0協議,波特率高達12Mbps、Ethernet:1個,工業級芯片,10M/100Mbps自適應直流蜂鳴器:1個LED燈:2個獨立看門狗定時器、通用I/O,8路緩存數字輸入/8路緩存數字輸出(5V)。

在進行系統具體設計時,要完成的功能可細化為幾個核心任務,由內核進行實時調度,多線程并行執行,使系統的可靠性得到大幅提升。嵌入式操作系統對任務按優先級的高低進行調度,整個系統運行按照一定的時序來確定的,較重要和對實時性要求較嚴格的任務,設成較高的優先級。在系統運行中,各任務的優先級是固定不變的。將所有任務按優先級從高到低順序排列是:系統監視、鍵盤掃描和LCD顯示、數據接收、數據發送、數據預處理分析、預警任務、自動報警任務、即時通信任務。系統監視任務用來監視除系統監視任務之外的其他任務。當被監視任務在執行過程中出錯時,主任務將按照設定的處理表對其進行處理,使出錯的任務恢復正常運行,提高系統可靠性。

4 結語

在醫療設備應用中,新的傳感檢測技術不斷發展,對所采集系統的硬件要求、存儲、顯示等功能也提出了更高的要求。這就使現代的醫療設備必須具備更強大的計算和存儲能力以及更穩定、可靠的性能。醫療設備領域是一個特殊的行業,都要求設備能夠達到高級別的環保要求。如何進一步提高單板嵌入式系統在醫療領域的技術水平,將會是無止境的追求過程,這為單板嵌入式系統的應用提供了更廣闊的天地和更高的要求。

[1] 蓋斯基.嵌入式系統的描述與設計[M].北京:北京機械工業出版社,2005.

[2] 唐富華,康景利,郭銀景,等.基于嵌入式技術的移動醫療監護系統的研制[J].計算機工程與應用,2005,13:201～203.