浅析嵌入式系统在医疗设备中的应用

王国栋 李成龙

(山东省青州市人民医院 山东青州 262500)

随着科技水平的不断发展,医疗设备都要进行越来越多的高速的模拟信号如电压、电流、图像等信息的数据采集、分析与处理。比如生理参数检测设备心电图、脑电图等,还有各种监护仪,X射线成像等设备。医疗行业中嵌入式系统的应用给这个行业带来了很大的进步,医院里有很多方面都涉及到嵌入式系统的应用,其中检验设备有X线机控制系统、EEG、CT、超声波、核磁共振等设备,诊断检查设备有结肠镜和内窥镜等[1]。另外还有基于计算机技术的嵌入式系统也在医疗领域应用广泛,此类系统借助计算机的采集卡采集各种模拟信号并进行处理;用计算机本身的资源进行显示、存储和记录。计算机采集卡种类多,使用灵活,得到了广泛应用。

1 嵌入式系统简介

嵌入式系统是结合了计算机、半导体枝术和电子技术,是新型集成知识系统。这决定了它是一个集技术与资金一体的高度分散、集成创新的知识系统。

由于实际医疗领域中嵌入式系统的应用数量远远大于计算机式嵌入式系统的应用,我们着重介绍单板嵌入式系统。据世界半导体贸易统计协会的统计数据,截止到2011年计算机板卡式嵌入式系统只占世界处理器市场总数的10%,单板嵌入式微处理器占90%。故在医疗领域主要的应用系统还是单板嵌入式系统,这类系统没有键盘、鼠标配置灵活多样,使用方便,极大的促进了它的发展应用。

2 嵌入式系统的特点

嵌入式系统是以嵌入式处理器为中心,集成了软件、硬件的高可靠性系统架构,板上配置有存储器、通信、I/O、USB等必要的外部设备;软件部分配置有软件开发平台,可提供编程接口应用,提供板级支持包BSP,但已经屏蔽具体硬件特性。嵌入式系统的软件和硬件协调工作,紧密配合,完成用户要求的预定功能。高性能嵌入式系统的系统的发展离不开应用程序,系统的应用程序的要求是较少占用系统资源,随着嵌入式系统技术日益完善,出现了各种高性能嵌入式应用系统,已经能满足占用系统资源少的要求,属于一类应用系统程序范围[2]。

近期医疗设备领域出现了众多利好消息,德国、美国、英国都明确表示将加大医疗领域的资金技术投入;而我国和墨西哥也将在2011年继续进行医疗改革。有了政府资金政策的支持,社会公众医疗会对医疗设备的需求大大增加。随着生活水平的不断提高,人们越来越重视自身的健康,需求增加,就会有越来越多的高科技手段运用到医疗设备的设计中。同步进步的就是各种生理参数检侧设备,如,脑电仪、心电图等。各类监护设备,如超声波,X射线、核磁共振设备等。

图1 嵌入式系统结构

3 嵌入式系统在医疗设备中的应用实例

现已远程医疗监护体系为例,介绍嵌入式系统在医疗设备中的应用。远程医疗监护体系主要服务器端和监护终端两部分。服务器端位于医院监护中心,用于实时接收客户终端发送来的体征信息并显示出来,同时对上传数据进行专业的医疗分析并反馈医嘱;位于用户侧的监护终端,主要进行数据的测量、采集、处理并将信息上传服务器。监护终端和服务器端之间可以通过各种通讯信道连接,如光纤、GPRS,modem拨号、无线局域网等[2]。

系统的软件设计在Hm701ESP嵌入式系统实验平台上进行,该实验平台不到手掌大小,具有的功能有:系统存储器(SDRAM)、工业级64MB的PC133动态随机存储器、固态存储器(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)、显示系统(Display System)、LCD接口:支持DSTN和TFT液晶屏,最大分辨率为800×600、触摸屏接口:支持4线电阻式触摸屏、通讯接口:RS232串口:1个,三线串口,波特率高达921.6Kbps全功能串口:1个,九线串口,波特率高达921.6Kbps、RS485接口:1个,工业级标准RS485接口;USB HOST:2个,USB2.0协议,波特率高达12Mbps USB Client:1个,USB2.0协议,波特率高达12Mbps、Ethernet:1个,工业级芯片,10M/100Mbps自适应直流蜂鸣器:1个LED灯:2个独立看门狗定时器、通用I/O,8路缓存数字输入/8路缓存数字输出(5V)。

在进行系统具体设计时,要完成的功能可细化为几个核心任务,由内核进行实时调度,多线程并行执行,使系统的可靠性得到大幅提升。嵌入式操作系统对任务按优先级的高低进行调度,整个系统运行按照一定的时序来确定的,较重要和对实时性要求较严格的任务,设成较高的优先级。在系统运行中,各任务的优先级是固定不变的。将所有任务按优先级从高到低顺序排列是:系统监视、键盘扫描和LCD显示、数据接收、数据发送、数据预处理分析、预警任务、自动报警任务、即时通信任务。系统监视任务用来监视除系统监视任务之外的其他任务。当被监视任务在执行过程中出错时,主任务将按照设定的处理表对其进行处理,使出错的任务恢复正常运行,提高系统可靠性。

4 结语

在医疗设备应用中,新的传感检测技术不断发展,对所采集系统的硬件要求、存储、显示等功能也提出了更高的要求。这就使现代的医疗设备必须具备更强大的计算和存储能力以及更稳定、可靠的性能。医疗设备领域是一个特殊的行业,都要求设备能够达到高级别的环保要求。如何进一步提高单板嵌入式系统在医疗领域的技术水平,将会是无止境的追求过程,这为单板嵌入式系统的应用提供了更广阔的天地和更高的要求。

[1] 盖斯基.嵌入式系统的描述与设计[M].北京:北京机械工业出版社,2005.

[2] 唐富华,康景利,郭银景,等.基于嵌入式技术的移动医疗监护系统的研制[J].计算机工程与应用,2005,13:201～203.