遠(yuǎn)程心電監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

作為心臟病臨床檢查的常規(guī)方法，心電圖具有無創(chuàng)傷、操作簡單、出圖快等特點，對于各種心律失常和傳導(dǎo)障礙的診斷具有決定性作用。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)、通信等相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，心電圖檢測技術(shù)也逐漸應(yīng)用到遠(yuǎn)程醫(yī)療領(lǐng)域中來，使得醫(yī)院為心臟病患者的遠(yuǎn)程保健服務(wù)成為可能。截至目前，國內(nèi)已經(jīng)研發(fā)出了通過固定電話傳輸心電信號的心電傳輸系統(tǒng)，由于干擾大、成本較高，并未應(yīng)用于臨床。為此，本文將研究設(shè)計一種低成本、低功耗、攜帶方便的無線遠(yuǎn)程心電監(jiān)測系統(tǒng)，從而為心臟病患者提供方便的遠(yuǎn)程心電監(jiān)測服務(wù)功能。

1 系統(tǒng)概述

遠(yuǎn)程心電監(jiān)測系統(tǒng)由心電檢測終端、無線通信網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)院監(jiān)護中心組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

心電檢測終端用來采集和檢測患者的心電信號，然后通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)结t(yī)院監(jiān)護中心，醫(yī)院監(jiān)護中心的上位機通過網(wǎng)絡(luò)接收到心電數(shù)據(jù)后，醫(yī)生可以運用上位機中的心電分析軟件對患者的心電信號進(jìn)行分析和分類存儲。該心電檢測終端也可以通過RS 232串口將心電數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)接嬎銠C中。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為設(shè)計一款體積小、功耗低、處理速度高的心電檢測終端，本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F449單片機作為微處理器，該單片機的工作電壓在1.8～3.6 V之間；當(dāng)工作在1 MHz，2.2 V活動模式狀態(tài)時，電流才為280μA；帶有內(nèi)部參考源、采樣保持、自動掃描特性的12位A／D轉(zhuǎn)換器；串行通信軟件有異步UART和同步SPI兩種模式可選。該單片機具有豐富的片內(nèi)外設(shè)和大容量的片內(nèi)工作寄存器和存儲器，為電路的設(shè)計節(jié)省不少空間。

本系統(tǒng)的硬件主要包括心電信號采集模塊、RS 232通信模塊和GPRS傳輸模塊。

2.1 心電信號采集模塊

心電信號是十分微弱的低頻信號，幅值為0.5～4 mV，頻率為0.05～100 Hz，在檢測過程中還混雜有其他生物信號、50 Hz工頻干擾以及周圍電器設(shè)備所帶來的干擾。因此心電信號的采集方法就由信號提取、信號放大、信號濾波和信號處理組成，如圖2所示。

2.1.1 心電前置放大電路

心電信號經(jīng)電極采集后，首先要進(jìn)行電壓放大，電壓放大器一般由兩級組成，前級放大采用微功耗儀表放大器AD620芯片，AD620具有高共模抑制比(CMRR)、高輸入阻抗、低功耗、低噪聲和低輸入偏置電流等特點，其最大輸出電流僅為1.3 mA。通過調(diào)節(jié)1腳和8腳間電阻Rg阻值可設(shè)置增益為1～1 000，增益的計算公式為：G=49.4 kΩ／Rg+1。為防止AD620工作于飽和區(qū)或截止區(qū)，前級增益不易太大，因此設(shè)計第一級的放大倍數(shù)為10倍。前置放大電路如圖3所示。

其中，緩沖輸入級用雙向并聯(lián)二極管限制緩沖放大器兩輸入端之間的電壓不超過+5.7 V，起低壓保護作用。100 kΩ電阻和150 pF電容構(gòu)成無源低通濾波器，抑制高頻干擾。

2.1.2 濾波電路

在心電信號的采集過程中，必然會夾雜著高頻干擾、低頻干擾和50 Hz的工頻干擾，因此，心電信號的濾波電路是必不可少的。本系統(tǒng)采用二階有源濾波電路來濾除0.03 Hz以下和100 Hz以上的低高頻噪聲，同時采用經(jīng)典的雙T有源陷波電路和軟件方法共同濾除50 Hz工頻干擾。

2.1.3 主放大隔離電路和電平抬升電路

后級放大部分需再放大10倍，才能符合A／D轉(zhuǎn)換所需的電壓范圍。此外，在主放大電路部分采用了線性光電隔離放大器ISO130，對心電信號進(jìn)行隔離并放大，從而對心電信號的A／D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波起到良好的隔離效果。

心電信號經(jīng)過100倍的放大，最高幅值為0.4 V，而A／D的輸入范圍為0～2.5 V，采取電平抬升電路采用加法電路，將1.2 V作為中間參考值，所以放大后的心電信號疊加參考電壓1.2 V后大小為(1.2+0.8)V，正好在A／D的模擬輸入信號范圍內(nèi)，此時已消除心電信號中的負(fù)值部分，輸出信號即可傳人MSP430單片機進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波處理。

后級放大電路和電平抬升電路如圖4所示。

2.2 GPRS傳輸模塊

檢測終端采集到的心電信號通過MSP430單片機進(jìn)行信號處理后，可以通過GPRS模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的醫(yī)療中心，為醫(yī)生提供患者的心電數(shù)據(jù)。GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱。GPRS是GSM Phase2.1規(guī)范實現(xiàn)的內(nèi)容之一，能提供比現(xiàn)有GSM網(wǎng)9.6 kb／s更高的數(shù)據(jù)率。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)。

本系統(tǒng)采用西門子公司的MC35i模塊，它具有TC35i的全部功能并且很容易集成。該GPRS模塊接收速率可以達(dá)到86.20 kb／s，發(fā)送速率可以達(dá)到21.5 kb／s。模塊的工作電壓為3.3～4.8 V，支持EGSM900和GSM1800雙頻工作段，采用GPRS分時復(fù)用的Class 8的標(biāo)準(zhǔn)，同時支持?jǐn)?shù)字、語音、短消息和傳真。

MC35i模塊有40個引腳，通過一個ZIF(Zero insertionForce，零阻力插座)連接器引出。這40個引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入／輸出、SIM卡、音頻接口和控制。MSP430單片機通過RS 232接口和MC35i模塊連接，進(jìn)而實現(xiàn)單片機和MC35i模塊的通信。

2.3 RS 232通信模塊

單片機也可以通過RS 232串口將心電信號直接傳輸?shù)接嬎銠C中。單片機和PC機的通信，需要RS 232驅(qū)動芯片來實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用SP3220驅(qū)動芯片，該芯片是一款低功耗寬電壓供電的通信芯片，可以完成TTL電平與RS 232電平之間的轉(zhuǎn)換及串口通信，上傳速率可高達(dá)235 kb／s。我們通過設(shè)計接口電路和對SP3220的軟件驅(qū)動，進(jìn)而實現(xiàn)心電信號的本地傳輸。

如圖6所示，通過一個上拉電阻將SHDN管腳拉高，使該芯片一直處于工作狀態(tài)。如果系統(tǒng)需要處于低功耗狀態(tài)，也可以通過單片機來控制該管腳，工作的時候?qū)⒃摴苣_設(shè)置為低電平，需要處于低功耗的時候?qū)⒃摴苣_設(shè)置為高電平，這樣就易于控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波

由于前端采集的模擬信號，需要將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，才能對心電信號進(jìn)行數(shù)字濾波和傳輸。本系統(tǒng)采用MSP430F449單片機自帶的高速12位逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，采用單通道、單次轉(zhuǎn)換和定時器觸發(fā)的工作方式對心電信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣頻率設(shè)置為250 Hz。

小波變換是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種良好的時頻定位方法，是由短時傅里葉變換演變而來的，具有視頻局部化的特性。它在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率。小波變換的這些特性比較適合處理心電信號。

因此，本系統(tǒng)采用小波變換的快速算法Mallat算法，對心電信號進(jìn)行分解，閾值去噪和重構(gòu)，從而實現(xiàn)信號的濾波功能。在具體的Mallat算法進(jìn)行濾波實驗中，對各級濾波器運用了補零運算的方法，既避免了信息的冗余，又加快了運算的速度。由于分解尺度可調(diào)，在程序中，經(jīng)過反復(fù)實驗分析，最終確定分解尺度為3級，閾值去噪后進(jìn)入信號重構(gòu)模塊和UAR2、口，進(jìn)行信號傳輸。

3.2 GPRS通信模塊軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用的GPRS模塊已嵌入TCP／IP協(xié)議棧，無需再編制程序?qū)崿F(xiàn)TCP／IP協(xié)議，單片機就能通過AT／AT+i命令來控制GPRS模塊，其中AT命令用來控制MC35i通訊模塊(modem)、AT+i命令用來和協(xié)議棧進(jìn)行通信。

由于是利用GPRS基于IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸方式，所以對GPRS模塊主要使用AT+i命令進(jìn)行控制。單片機MSP430F449通過RS 232接口向模塊發(fā)送相應(yīng)的AT+i命令對GPRS模塊進(jìn)行初始化、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)等控制。

MSP430單片機將要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS模塊串口緩沖中，GPRS模塊將數(shù)據(jù)打成IP包，經(jīng)GPRS空中接口接入無線GPRS網(wǎng)絡(luò)，由移動服務(wù)商轉(zhuǎn)接到Internet，最終通過各種網(wǎng)關(guān)和路由到達(dá)醫(yī)院遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。監(jiān)控中心的計算機需要有固定的IP，主要應(yīng)用Winsock控件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，并通過UDP或TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用VC來編寫監(jiān)控中心的接收和顯示軟件，該軟件用來接收和顯示GPRS模塊發(fā)送過來的心電信號。因此，需設(shè)計成一個可視化的監(jiān)控界面，而且監(jiān)控中心的計算機需要有固定的IP地址，才能方便接收患者發(fā)送過來的心電數(shù)據(jù)。VC中的Winsock控件有效屏蔽對Windows套接字的低層操作，可方便地建立起網(wǎng)絡(luò)中任意兩個具有惟一IP地址節(jié)點間的連接，并通過UDP或者TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

該監(jiān)控中心軟件由五部分組成：Socket初始化、數(shù)據(jù)接收、心電波形的顯示、數(shù)據(jù)分類和存儲以及GPRS模塊遠(yuǎn)程遙控命令的發(fā)送。

4 結(jié) 語

本文介紹了運用MSP430單片機和MC35i通信模塊實現(xiàn)的一種無線遠(yuǎn)程心電監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有便攜性、低功耗、高性能、實時傳輸?shù)忍攸c。其中，信號采集部分用小波變換方法對心電信號進(jìn)行濾波，處理過的心電信號更有助于醫(yī)生查看和診斷；GPRS模塊是當(dāng)前應(yīng)用較普遍的無線通信模塊，在數(shù)據(jù)傳輸和Internet網(wǎng)絡(luò)連接上的性能更加優(yōu)越，適合用于心電信號的遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)測。該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)心電信號的遠(yuǎn)程傳輸功能，還能將心電信號傳輸?shù)奖镜氐挠嬎銠C上，實現(xiàn)本地顯示功能。同時，隨著檢測技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，心電信號的遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)也將不斷改進(jìn)和完善，為患者和醫(yī)生都帶來更大的幫助。