紅外傳輸單道心電遙測系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

紅外光生物遙測具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、發(fā)射和接收設(shè)備簡單、成本低廉、調(diào)試容易；無需進(jìn)行頻率注冊；使用方便、安全的優(yōu)點(diǎn)［1］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)已逐步深入家庭，為研制具有分析、處理能力的家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備提供了基礎(chǔ)。為此，我們研制了一種單道紅外心電遙測儀，它以計(jì)算機(jī)作為分析、處理、顯示、存儲(chǔ)、通訊手段，用紅外光作為傳輸媒介，對(duì)被試者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。通過調(diào)制解調(diào)器，還能把遙測數(shù)據(jù)傳輸?shù)结t(yī)療中心，供醫(yī)療專家分析、診斷，是一種理想的遠(yuǎn)程醫(yī)療前端及家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備。

心電圖是診斷心臟病的重要手段，但是，由于種種原因，用普通心電圖儀很難捕捉到異常心電圖。無線電心電監(jiān)護(hù)儀或者24小時(shí)動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀雖然能有效地解決這一問題，但是造價(jià)昂貴，難以深入家庭。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

本機(jī)以計(jì)算機(jī)作為接收、處理終端，完成數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲(chǔ)、通訊等功能，對(duì)被試者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。

系統(tǒng)采用PCM-ASK調(diào)制方式。即第一次調(diào)制采用脈沖編碼調(diào)制，第二次調(diào)制采用幅度鍵控調(diào)制。PCM調(diào)制具有精度較高、抗干擾性較強(qiáng)的特點(diǎn)。ASK調(diào)制，既可以提高抗環(huán)境光、抗電磁干擾的能力，又可以通過選擇不同的副載波頻率，實(shí)現(xiàn)多套遙測系統(tǒng)在同一地區(qū)同時(shí)工作，而不會(huì)互相干擾。而且，由于紅外發(fā)射管工作于開關(guān)狀態(tài)，不僅能降低發(fā)射管的功耗，減小發(fā)射機(jī)的體積、重量，增加作用距離，得到較長的工作時(shí)間，同時(shí)，ASK調(diào)制方式調(diào)制線路簡單，實(shí)現(xiàn)容易，便于晶體穩(wěn)頻，提高系統(tǒng)的可靠性。接收端解調(diào)后，數(shù)據(jù)直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)的串口，使硬件結(jié)構(gòu)大為簡化，且使用方便。

PCM調(diào)制器采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，由它完成信號(hào)采樣、A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)串行輸出。經(jīng)比較，我們采用了MICROCHIP公司生產(chǎn)的PIC16C71。它是一種低成本、低功耗、高性能、帶片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器及程序存儲(chǔ)器的8位單片機(jī)。其指令結(jié)構(gòu)精煉，速度快，體積小，為18腳封裝，有4個(gè)模擬輸入通道，13個(gè)I／O口，4個(gè)中斷源，在5V電源、主頻為4MHz的情況下，工作電流小于2mA。

接收端選用集成化紅外接收模塊TEMS5380作為紅外接收部分。它集紅外接收、轉(zhuǎn)換、濾波、放大、整形、解調(diào)于一體，具有體積小、靈敏度高、功耗低、工作可靠、調(diào)試方便的特點(diǎn)［2］。它的中心頻率為38kHz，可傳輸數(shù)據(jù)的速率達(dá)3000波特，系統(tǒng)組成方框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成方框圖

系統(tǒng)的工作過程如下：心電放大器及電平調(diào)整電路將心電信號(hào)進(jìn)行放大并調(diào)整到A／D轉(zhuǎn)換器所需的電平。單片機(jī)以200Hz的采樣率對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行采樣、A／D轉(zhuǎn)換，并按串行通信的格式將A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果附加起始位和停止位進(jìn)行移位輸出。其中，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。碼速率為2400bit/s。為了便于識(shí)別起始位，傳輸上述10位碼后，緊接著傳送停止位，直至進(jìn)行下次A／D轉(zhuǎn)換。串行輸出數(shù)據(jù)控制門控電路工作。振蕩分頻器產(chǎn)生副載波頻率，當(dāng)串行數(shù)據(jù)碼為高電平時(shí)，門控電路打開，副載波信號(hào)通過門控電路，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光管發(fā)光。驅(qū)動(dòng)電路為VMOS管，它的開關(guān)特性好，輸出電流大，電路簡單。

紅外接收模塊接收到信號(hào)后，經(jīng)轉(zhuǎn)換、濾波、放大、解調(diào)、整形，輸出串行數(shù)據(jù)流。為了增大系統(tǒng)遙測范圍，在發(fā)射端串聯(lián)了6個(gè)紅外發(fā)射管，而在接收端并聯(lián)了4個(gè)紅外接收模塊，其方位彼此錯(cuò)開。紅外接收模塊輸出由或門相加，然后經(jīng)電平轉(zhuǎn)換，變成串行通訊所要求的電平，由計(jì)算機(jī)串口輸入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行分析處理。

計(jì)算機(jī)工作于兩個(gè)模式：實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)模式和數(shù)據(jù)回放模式，在此之前可以輸入被試者資料。在實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)模式下。顯示器實(shí)時(shí)顯示心電波形及心率。當(dāng)檢測到異常心電圖時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出聲音報(bào)警。在任意時(shí)刻按存儲(chǔ)鍵可以將按鍵前50秒的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至硬盤中，在一次監(jiān)護(hù)過程中至多能存儲(chǔ)21分鐘的數(shù)據(jù)。若按下凍結(jié)鍵，心電波形被凍結(jié)在屏幕上，可以把心電波形打印出來，此后可以按繼續(xù)鍵繼續(xù)監(jiān)護(hù)或按退出鍵退出監(jiān)護(hù)模式。退出監(jiān)護(hù)模式時(shí)，可以把分析結(jié)果顯示出來。

在回放模式中，輸入文件名，可以自由選擇存儲(chǔ)在硬盤中的任意一段心電數(shù)據(jù)進(jìn)行波形回放，或?qū)?shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)輸至救護(hù)中心，供專家進(jìn)一步分析診斷。

2　軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)、菜單操作。其實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)工作流程如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)軟件主流程圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

發(fā)射端心電放大器±5V供電，紅外發(fā)射管用+9V供電，其余部分用5V供電。接收端用+5V供電。紅外發(fā)射管工作電流為34mA。系統(tǒng)的遙測距離達(dá)41m，在8m×6m×3m的大廳里，無論發(fā)射部分和接收部分處于何方位均能正常接收。在較強(qiáng)照明燈和強(qiáng)電磁干擾情況下均可靠運(yùn)行，信號(hào)波形清晰，說明系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗環(huán)境光和電磁干擾的能力。

圖3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4　結(jié)束語

經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)精度高，抗干擾性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，使用安全，作用距離較遠(yuǎn)。通過選用不同頻率的副載波，可以實(shí)現(xiàn)在同一房間內(nèi)多套遙測系統(tǒng)同時(shí)工作；通過提高接收部分速率，能夠提高信號(hào)的采樣率，實(shí)現(xiàn)多路生理信號(hào)的遙測，可以作為一種理想、實(shí)用的家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備和遠(yuǎn)程醫(yī)療前端，是紅外遙測技術(shù)應(yīng)用于臨床的一種有益的嘗試和探索。

本系統(tǒng)發(fā)射端采用帶A／D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)，紅外接收部分采用一體化的紅外接收模塊使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得以簡化。但是，紅外接收模塊的傳輸速率不夠高，因而，信號(hào)的采樣率受到限制。隨著器件的發(fā)展，更高傳輸速率的集成化元件出現(xiàn)，這一問題就可以得到解決?；蛘呦到y(tǒng)的紅外接收部分采用分立的元件，也可以有效地解決這一問題。