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标题: 远程心电监测系统的研究与设计 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 15:18
标题: 远程心电监测系统的研究与设计
李婧，刘知贵，李彬
                              (1．西南科技大学信息工程学院四川绵阳 621010；2．安阳师范学院河南安阳 455000)
      作为心脏病临床检查的常规方法，心电图具有无创伤、操作简单、出图快等特点，对于各种心律失常和传导障碍的诊断具有决定性作用。随着计算机网络、通信等相关技术的迅速发展，心电图检测技术也逐渐应用到远程医疗领域中来，使得医院为心脏病患者的远程保健服务成为可能。截至目前，国内已经研发出了通过固定电话传输心电信号的心电传输系统，由于干扰大、成本较高，并未应用于临床。为此，本文将研究设计一种低成本、低功耗、携带方便的无线远程心电监测系统，从而为心脏病患者提供方便的远程心电监测服务功能。

1 系统概述

   远程心电监测系统由心电检测终端、无线通信网络、医院监护中心组成，结构框图如图1所示。

   心电检测终端用来采集和检测患者的心电信号，然后通过GPRS无线网络传输到医院监护中心，医院监护中心的上位机通过网络接收到心电数据后，医生可以运用上位机中的心电分析软件对患者的心电信号进行分析和分类存储。该心电检测终端也可以通过RS 232串口将心电数据直接传输到计算机中。

2 系统硬件设计

   为设计一款体积小、功耗低、处理速度高的心电检测终端，本系统采用TI公司生产的MSP430F449单片机作为微处理器，该单片机的工作电压在1.8～3.6 V之间；当工作在1 MHz，2.2 V活动模式状态时，电流才为280μA；带有内部参考源、采样保持、自动扫描特性的12位A／D转换器；串行通信软件有异步UART和同步SPI两种模式可选。该单片机具有丰富的片内外设和大容量的片内工作寄存器和存储器，为电路的设计节省不少空间。

      本系统的硬件主要包括心电信号采集模块、RS 232通信模块和GPRS传输模块。

2.1 心电信号采集模块

      心电信号是十分微弱的低频信号，幅值为0.5～4 mV，频率为0.05～100 Hz，在检测过程中还混杂有其他生物信号、50 Hz工频干扰以及周围电器设备所带来的干扰。因此心电信号的采集方法就由信号提取、信号放大、信号滤波和信号处理组成，如图2所示。

2.1.1 心电前置放大电路

      心电信号经电极采集后，首先要进行电压放大，电压放大器一般由两级组成，前级放大采用微功耗仪表放大器AD620芯片，AD620具有高共模抑制比(CMRR)、高输入阻抗、低功耗、低噪声和低输入偏置电流等特点，其最大输出电流仅为1.3 mA。通过调节1脚和8脚间电阻Rg阻值可设置增益为1～1 000，增益的计算公式为：G=49.4 kΩ／Rg+1。为防止AD620工作于饱和区或截止区，前级增益不易太大，因此设计第一级的放大倍数为10倍。前置放大电路如图3所示。

      其中，缓冲输入级用双向并联二极管限制缓冲放大器两输入端之间的电压不超过+5.7 V，起低压保护作用。100 kΩ电阻和150 pF电容构成无源低通滤波器，抑制高频干扰。

2.1.2 滤波电路

      在心电信号的采集过程中，必然会夹杂着高频干扰、低频干扰和50 Hz的工频干扰，因此，心电信号的滤波电路是必不可少的。本系统采用二阶有源滤波电路来滤除0.03 Hz以下和100 Hz以上的低高频噪声，同时采用经典的双T有源陷波电路和软件方法共同滤除50 Hz工频干扰。

2.1.3 主放大隔离电路和电平抬升电路

      后级放大部分需再放大10倍，才能符合A／D转换所需的电压范围。此外，在主放大电路部分采用了线性光电隔离放大器ISO130，对心电信号进行隔离并放大，从而对心电信号的A／D转换和数字滤波起到良好的隔离效果。

      心电信号经过100倍的放大，最高幅值为0.4 V，而A／D的输入范围为0～2.5 V，采取电平抬升电路采用加法电路，将1.2 V作为中间参考值，所以放大后的心电信号叠加参考电压1.2 V后大小为(1.2+0.8)V，正好在A／D的模拟输入信号范围内，此时已消除心电信号中的负值部分，输出信号即可传人MSP430单片机进行A／D转换和数字滤波处理。

   后级放大电路和电平抬升电路如图4所示。

2.2 GPRS传输模块

   检测终端采集到的心电信号通过MSP430单片机进行信号处理后，可以通过GPRS模块传输到远端的医疗中心，为医生提供患者的心电数据。GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称。GPRS是GSM Phase2.1规范实现的内容之一，能提供比现有GSM网9.6 kb／s更高的数据率。GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构。

本系统采用西门子公司的MC35i模块，它具有TC35i的全部功能并且很容易集成。该GPRS模块接收速率可以达到86.20 kb／s，发送速率可以达到21.5 kb／s。模块的工作电压为3.3～4.8 V，支持EGSM900和GSM1800双频工作段，采用GPRS分时复用的Class 8的标准，同时支持数字、语音、短消息和传真。

MC35i模块有40个引脚，通过一个ZIF(Zero insertionForce，零阻力插座)连接器引出。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入／输出、SIM卡、音频接口和控制。MSP430单片机通过RS 232接口和MC35i模块连接，进而实现单片机和MC35i模块的通信。

2.3 RS 232通信模块

单片机也可以通过RS 232串口将心电信号直接传输到计算机中。单片机和PC机的通信，需要RS 232驱动芯片来实现。本系统采用SP3220驱动芯片，该芯片是一款低功耗宽电压供电的通信芯片，可以完成TTL电平与RS 232电平之间的转换及串口通信，上传速率可高达235 kb／s。我们通过设计接口电路和对SP3220的软件驱动，进而实现心电信号的本地传输。

如图6所示，通过一个上拉电阻将SHDN管脚拉高，使该芯片一直处于工作状态。如果系统需要处于低功耗状态，也可以通过单片机来控制该管脚，工作的时候将该管脚设置为低电平，需要处于低功耗的时候将该管脚设置为高电平，这样就易于控制。

3 系统软件设计

3.1 模数转换和数字滤波

      由于前端采集的模拟信号，需要将模拟信号转换成数字信号，才能对心电信号进行数字滤波和传输。本系统采用MSP430F449单片机自带的高速12位逐次逼近型A／D转换器，采用单通道、单次转换和定时器触发的工作方式对心电信号进行模数转换，采样频率设置为250 Hz。

      小波变换是20世纪80年代发展起来的一种良好的时频定位方法，是由短时傅里叶变换演变而来的，具有视频局部化的特性。它在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。小波变换的这些特性比较适合处理心电信号。

      因此，本系统采用小波变换的快速算法Mallat算法，对心电信号进行分解，阈值去噪和重构，从而实现信号的滤波功能。在具体的Mallat算法进行滤波实验中，对各级滤波器运用了补零运算的方法，既避免了信息的冗余，又加快了运算的速度。由于分解尺度可调，在程序中，经过反复实验分析，最终确定分解尺度为3级，阈值去噪后进入信号重构模块和UAR2、口，进行信号传输。

3.2 GPRS通信模块软件设计

本系统采用的GPRS模块已嵌入TCP／IP协议栈，无需再编制程序实现TCP／IP协议，单片机就能通过AT／AT+i命令来控制GPRS模块，其中AT命令用来控制MC35i通讯模块(modem)、AT+i命令用来和协议栈进行通信。

由于是利用GPRS基于IP协议的数据传输方式，所以对GPRS模块主要使用AT+i命令进行控制。单片机MSP430F449通过RS 232接口向模块发送相应的AT+i命令对GPRS模块进行初始化、发送和接收数据等控制。

      MSP430单片机将要发送的数据发送到GPRS模块串口缓冲中，GPRS模块将数据打成IP包，经GPRS空中接口接入无线GPRS网络，由移动服务商转接到Internet，最终通过各种网关和路由到达医院远程监控中心。监控中心的计算机需要有固定的IP，主要应用Winsock控件来实现数据接收，并通过UDP或TCP协议进行数据交换。

3.3 监控中心软件设计

      本系统采用VC来编写监控中心的接收和显示软件，该软件用来接收和显示GPRS模块发送过来的心电信号。因此，需设计成一个可视化的监控界面，而且监控中心的计算机需要有固定的IP地址，才能方便接收患者发送过来的心电数据。VC中的Winsock控件有效屏蔽对Windows套接字的低层操作，可方便地建立起网络中任意两个具有惟一IP地址节点间的连接，并通过UDP或者TCP协议进行数据交换。

      该监控中心软件由五部分组成：Socket初始化、数据接收、心电波形的显示、数据分类和存储以及GPRS模块远程遥控命令的发送。

4 结语

      本文介绍了运用MSP430单片机和MC35i通信模块实现的一种无线远程心电监测系统。该系统具有便携性、低功耗、高性能、实时传输等特点。其中，信号采集部分用小波变换方法对心电信号进行滤波，处理过的心电信号更有助于医生查看和诊断；GPRS模块是当前应用较普遍的无线通信模块，在数据传输和Internet网络连接上的性能更加优越，适合用于心电信号的远程传输和监测。该系统不仅可以实现心电信号的远程传输功能，还能将心电信号传输到本地的计算机上，实现本地显示功能。同时，随着检测技术和网络通信技术的不断发展，心电信号的远程监测技术也将不断改进和完善，为患者和医生都带来更大的帮助。

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