基于GPRS 的遠程心電實時監(jiān)護終端

摘要: 針對現(xiàn)代醫(yī)療的新要求, 設計了一種基于GPRS 的遠程心電實時監(jiān)護終端。該監(jiān)護終端能采集人體心電信號并實時發(fā)送, 從而實現(xiàn)真正意義上的無線實時監(jiān)護。介紹了系統(tǒng)原理和總體方案, 著重闡述了監(jiān)護終端的硬件設計以及相應單片機的軟件設計。

    在現(xiàn)代醫(yī)學中, 心電信號是診斷心血管疾病的重要依據(jù)。傳統(tǒng)的心電監(jiān)護設備在心血管疾病的診斷與治療中起到了很重要的作用, 但這一類監(jiān)護設備一般只能在醫(yī)院里使用, 而可以隨身攜帶的Holter 又只能實現(xiàn)心電信號的回放而不是實時監(jiān)護。基于無線通信的遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)給了患者較大的活動自由, 用戶可以不受時間、地點的限制, 隨時隨地得到醫(yī)院監(jiān)護中心的監(jiān)護, 在出現(xiàn)緊急情況時可以被及時發(fā)現(xiàn)并救治。美國、澳大利亞和歐洲一些國家進行了遠程心電監(jiān)護的研究, 部分公司還推出了相應的監(jiān)護儀[1] , 國內也有部分高校和研究單位進行了相關的研究工作, 取得了一定成果, 但并未開發(fā)出成熟、實用的系統(tǒng)。

    這里利用業(yè)已成熟的GPRS 技術設計了一種便攜式遠程心電實時監(jiān)護終端, 克服了Holter 只能用于回放分析的缺點, 可以對患者心電信號進行實時監(jiān)護。下面詳細介紹該監(jiān)護終端的設計與實現(xiàn)。

1 監(jiān)護系統(tǒng)設計概述
    基于GPRS 的遠程心電實時監(jiān)護系統(tǒng)示意圖如圖1所示。它主要包括兩部分: 心電監(jiān)護終端和醫(yī)院監(jiān)護中心?；颊唠S身攜帶的監(jiān)護終端由它上面的無線模塊通過GPRS 無線基站接入GPRS 網(wǎng)絡, 再通過GPRS 網(wǎng)絡連接因特網(wǎng)上的監(jiān)護中心服務器。監(jiān)護終端采集并處理患者的心電信號, 所得到的心電數(shù)據(jù)通過該鏈路傳輸?shù)奖O(jiān)護中心服務器上, 并由服務器上的心電分析軟件進行分析,醫(yī)生則根據(jù)軟件分析結果及自己的判斷來給患者適當?shù)尼t(yī)囑, 必要時采取相應的救治措施。
 
    本文只介紹監(jiān)護終端的設計與實現(xiàn), 服務器端的心電綜合分析軟件這里不再贅述。

2 監(jiān)護終端硬件設計
    監(jiān)護終端硬件系統(tǒng)框圖如圖2 所示, 它主要由以下幾部分組成: 心電采集模塊、主控單片機模塊、GPRS 無線通信模塊和電源模塊。
 

2 .1 心電采集模塊
    人體心電信號的主要頻率范圍為0.05～100Hz, 幅值范圍為0.5～5mV。心電信號中通?；祀s有其他生物電信號, 還容易受到以50Hz 工頻干擾為主的電磁信號干擾,因此對心電信號的檢測屬于強噪聲背景下低頻微弱信號的檢測。為得到適合于臨床應用的干凈心電信號, 必須對心電信號進行合理的放大和濾波處理, 其原理框圖如圖3 所示。
 
    由于人體皮膚阻抗比較大, 而心電信號十分微弱,且存在許多干擾信號, 因此前置放大器采用了具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低輸入偏置電流、低失調電壓和漂移、在低增益條件下具有穩(wěn)定性的儀表放大器INA326[2]。人體皮膚和電極之間存在原電池效應, 使電極之間存在連續(xù)的電位差, 為避免該電位差經過放大后造成后級電路飽和, 前置放大器的增益設置為5。信號需放大至數(shù)伏量級才能滿足A/D 轉換的要求, 因此設置次級放大的增益為200。這里采用了具有寬增益、低失調電壓和漂移、低噪聲的運算放大器OPA335。兩級放大后的總增益為1000, 符合要求。
    心電信號中?；煊械皖l和直流干擾, 其中, 由于金屬電極、導電介質和皮膚之間的化學反應而產生的直流偏壓是主要干擾成分, 因此設計了截止頻率為0.1Hz 的二階高通濾波器來濾除這部分干擾。相應地, 高頻干擾信號通過一個截止頻率為100Hz 的二階低通濾波器予以濾除。此外, 采用由輔助運算放大器生成的共模電壓使共模信號反相, 經限流電阻回送至人體來抑制50Hz工頻干擾。反相共模信號通過右腿驅動電極回送至人體, 這對50Hz 工頻干擾而言是一種深度負反饋, 因而可以有效加以抑制[3]。
    實驗表明, 該采集方案所得到的心電波形毛刺少,基線漂移很小, 具有良好的效果。
    為防止導聯(lián)脫落或松動而造成誤判, 還設計了導聯(lián)脫落檢測及報警電路。運算放大器LM358 采用單電源供電時可接成跟隨器, 當其同相端處于懸空狀態(tài)時會輸出穩(wěn)定的高電平。導聯(lián)脫落檢測電路就是利用LM358 的這一特性而設計的。

2 .2 主控單片機模塊
    主控單片機采用PIC16F877A 單片機。該單片機可在線調試和編程, 便于開發(fā), 而且功耗很低, 適合應用于對功耗敏感的場合。主控單片機主要完成心電信號A/D轉換并與GPRS 模塊進行通信, 還負責外擴Flash 存儲器和實時時鐘的管理。
    PIC16F877A 單片機具有10 位片內A/D 轉換器, 其工作方式和轉換結果存放格式通過寄存器ADCON0 和ADCON1 進行設置, A/D 轉換結果則存于寄存器ADRESH 和ADRESL 中[4]。在本設計中, 選擇系統(tǒng)時鐘作為A/D 轉換時鐘, RA0 作為模擬輸入通道。轉換結果格式為左對齊, 即高8 位存于ADRESH 中, 低2 位存于ADRESL 中?？紤]到A/D 轉換本身存在的誤差以及壓縮無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)量的要求, 在設計中忽略ADRESL 寄
存器中的數(shù)據(jù), 即只采用轉換結果的高8 位。系統(tǒng)中心電信號的采樣頻率為500Hz, 采用定時器TMR0 完成2ms 定時。
    單片機片外擴展了4MB Nand Flash 存儲器, 用于暫存心電數(shù)據(jù), 經過一定時間后由無線模塊集中發(fā)送, 用戶也可以選擇在A/D 轉換后不經存儲就直接發(fā)送。在心電監(jiān)護中, 醫(yī)生常要求知道心電信號出現(xiàn)異常的時間, 因此使用DS1302設計了實時時鐘電路。

2 .3 GPRS 無線模塊
    GPRS 無線模塊采用Wavecom 公司的WISMO QuikQ2406B。該模塊工作頻帶為雙頻EGSM 900/GSM1800MHz 或GSM 850/GSM 1900MHz, 支持GPRS 多時隙class 10, 可提供語音、數(shù)據(jù)、傳真和短信息服務功能。模塊射頻部分和基帶部分可共用一個電源, 電壓范圍為3.3V～4.5V[5]。模塊基帶部分內嵌了GSM/GPRS 協(xié)議棧,是否嵌入TCP/IP 協(xié)議?？捎捎脩暨x擇。根據(jù)系統(tǒng)需要,這里選擇了內嵌TCP/IP 協(xié)議棧的模塊。
    GPRS 無線模塊硬件連接如圖4 所示。單片機對無線模塊的控制通過無線模塊主串口實現(xiàn)。無線模塊提供了一個符合V24 協(xié)議的6 線主串行接口, 包括TX、RX、RTS、CTS、DTR、DSR 等, 此外還提供了與通用I/O 口復用的DCD 和RI 信號接口。為節(jié)省單片機引腳資源, 在設計中將無線模塊的CTS 和RTS 短接, TX、RX 引腳分別與單片機的RC6、RC7 引腳相連, 其余無線模塊主串口引腳則不使用。單片機發(fā)送AT 命令和心電數(shù)據(jù)給無線模塊, 無線模塊則將響應信息發(fā)送給單片機, 從而完成單片機對無線模塊的狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)發(fā)送。無線模塊提供了與SIM卡相關的信號接口, SIMVCC 為SIM 卡供電, SIMRST 為低時使SIM 卡復位, SIMCLK 提供時鐘信號, SIMDATA 用來實現(xiàn)與SIM 卡的數(shù)據(jù)通信, SIMPRES 用來檢測SIM 卡是否插入。其中, SIMPRES 信號接口可以不使用, 如果不用則將其與VCC 相連[5]。為調試和使用方便, 在設計中還提供了GPRS 連接狀態(tài)指示燈和硬件復位電路。
 
2 .4 電源模塊
     系統(tǒng)需要實現(xiàn)連續(xù)24 小時心電監(jiān)護, 普通容量的電池難以滿足要求, 因此選擇了3.7V 2400mAh 的可充電鋰電池為系統(tǒng)供電。系統(tǒng)中單片機、儀表放大器、運算放大器等芯片的電源電壓應為5V, Q2406B 無線模塊的電源電壓范圍為3.3V～4.5V, 所以必須采用不同的電壓產生電路來滿足不同的電源電壓要求。本系統(tǒng)使用RichTek 公司的RT9278 來設計4V 和5V 電源電路, 4V電源電路的驅動電流接近2A。系統(tǒng)還使用RT9501 設計了鋰電池的充電電路, 當電路板連接外部電源時, 將由外部電源為系統(tǒng)供電, 同時為鋰電池充電。此外, 還用RT9801 設計了低壓報警電路, 在電池電量不足時及時提醒用戶為電池充電或更換電池。Q2406B 無線模塊使用了一個接收端口和一個發(fā)送端口, 進行數(shù)據(jù)傳輸時電
流約為150mA, 而1 秒內只需發(fā)送500 字節(jié)數(shù)據(jù), 即大部分時間并不處于數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài), 所以其平均電流只有幾十毫安。用直流電源對電路板進行供電, 發(fā)現(xiàn)電路板的平均電流約為90mA。長時間測試表明, 電源模塊工作穩(wěn)定, 可以保證約24 小時的連續(xù)心電監(jiān)護。

3 監(jiān)護終端軟件設計
    系統(tǒng)中單片機的主要任務是完成心電信號的A/D轉換并與GPRS 無線模塊進行通信以完成數(shù)據(jù)傳輸。本文只對這部分的軟件設計進行介紹。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5 所示。
 
    串口工作于異步串行方式, RC6 設置為串口輸出,RC7 設置為串口輸入, 波特率設置為9600bps , 這足以滿足系統(tǒng)需求。ADC 模塊的初始化主要是選擇A/D 轉換的時鐘及其頻率、模擬輸入通道、轉換結果的對齊方式等, 定時器0 的初始化主要是選擇定時器的分頻比。然后單片機發(fā)送相應的AT 命令給GPRS 無線模塊, 使其進入數(shù)據(jù)狀態(tài)( 具體AT 命令從略) 。完成單片機和GPRS 無線模塊初始化后, 單片機即以500Hz 采樣頻率對心電信號進行采樣, 并通過GPRS 無線模塊向外發(fā)送心電數(shù)據(jù), 該過程不斷地循環(huán)。當監(jiān)護結束時可以通過發(fā)送Ctrl+z( 0x1a ) 使GPRS 無線模塊退出數(shù)據(jù)狀態(tài), 然后通過AT 命令將其關閉。
    監(jiān)護終端在深圳、北京、長沙等地已進行了約兩個月的測試, 整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠, 并結合軟件組同學開發(fā)的心電綜合分析軟件完成了心電信號的采集、發(fā)送、接收、分析、診斷, 其效果得到了深圳市部分三甲醫(yī)院心內科主任醫(yī)師的好評。但測試中發(fā)現(xiàn)在移動網(wǎng)絡較為繁忙的時段, 心電數(shù)據(jù)的傳輸速度會有所下降, 導致心電綜合分析軟件中顯示的心電波形有時會不連續(xù), 可以考慮在數(shù)據(jù)發(fā)送策略、波形顯示方式等方面做進一步的改進。