遠(yuǎn)程無(wú)線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

摘要：為了能夠?qū)π难芗膊』颊邔?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心電信號(hào)，以便提供及時(shí)的救助，本文研究了一套遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，通過保護(hù)與輸入緩沖電路、前置放大及右腿驅(qū)動(dòng)電路、濾波電路、后置放大及電平抬升電路實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的放大、濾波。目前監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已取得階段性的成果，能夠在強(qiáng)烈的噪聲中，采集到準(zhǔn)確的心電信號(hào)，盡可能地減小了失真。
關(guān)鍵詞：心電監(jiān)護(hù)；心電信號(hào)；硬件設(shè)計(jì)；無(wú)線傳輸；實(shí)時(shí)檢測(cè)

    隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平日益提高，工作節(jié)奏不斷加快，心血管疾病已逐漸成為威脅人類生命安全的最主要疾病，而且發(fā)病率明顯上升，并呈低齡化趨勢(shì)。通過心電信號(hào)來(lái)發(fā)現(xiàn)并及時(shí)診治心血管疾病是降低發(fā)病率和死亡率的一個(gè)有效途徑。
    利用當(dāng)前迅猛發(fā)展并日趨成熟的電子技術(shù)、通信技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)一套操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、價(jià)格適宜的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用價(jià)值?；颊呖梢噪S時(shí)隨地對(duì)自己的心臟狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)護(hù)，減輕了奔波勞累和經(jīng)濟(jì)開支，節(jié)省了時(shí)間和社會(huì)醫(yī)療資源；患者在熟悉的環(huán)境中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了心電信號(hào)的準(zhǔn)確性，從而為病情的發(fā)現(xiàn)和診治贏得絕對(duì)的時(shí)間；對(duì)于行動(dòng)不便或自理能力較差的用戶實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，遇到病情突變時(shí)能夠迅速報(bào)警，為患者提供及時(shí)的救助。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
    文中選擇以GPRS通信技術(shù)為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套基于飛思卡爾DSC的遠(yuǎn)程心電信號(hào)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括心電采集、數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)軟件3個(gè)部分。整體框架如圖1所示。

    心電信號(hào)采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)患者的心電信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)采集，同時(shí)輔以心電信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)采集到的微弱心電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，然后由微控制器控制遠(yuǎn)程通信模塊將心電信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)院中心監(jiān)測(cè)站的遠(yuǎn)程服務(wù)器，醫(yī)護(hù)工作人員操作遠(yuǎn)程服務(wù)器上的心電信號(hào)監(jiān)護(hù)軟件，對(duì)接收到的心電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析，給出診斷意見，為患者的治療提供實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程指導(dǎo)；對(duì)一些突發(fā)病情，可以贏得寶貴的搶救時(shí)間。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)的硬件部分包括心電信號(hào)采集模塊和遠(yuǎn)程通信模塊兩部分。心電信號(hào)采集模塊主要包括電極、心電導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)、前置放大電路及右腿驅(qū)動(dòng)、高低通濾波電路、50 Hz陷波電路、后置放大及電平抬升電路等幾個(gè)部分。遠(yuǎn)程通信模塊主要由MC9S12XS128單片機(jī)、GPRS模塊、SIM卡電路、電源電路組成。整個(gè)硬件組成如圖2所示。

2．1 心電信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
    1)保護(hù)與輸入緩沖電路
    心電信號(hào)從人體傳輸?shù)诫姌O輸入端的過程中，經(jīng)過人體電阻等不穩(wěn)定元素的衰減會(huì)出現(xiàn)失真；因此我們?cè)谳斎攵嗽黾右粋€(gè)保護(hù)與輸入緩沖電路來(lái)抑制有效信息的衰減，電路如圖3所示。保護(hù)電路是由兩個(gè)二極管組成的雙向限幅電路，對(duì)人體靜電或外部其他高壓干擾進(jìn)行限幅，防止因過度激勵(lì)造成運(yùn)放逆轉(zhuǎn)而失效。輸入緩沖電路中的輸入緩沖器選擇了AD公司的一款模擬運(yùn)算放大器芯片：OP295，它是一個(gè)電壓跟隨器，輸入阻抗高，輸出阻抗低，便于和后續(xù)電路匹配。

    2)前置放大電路及右腿驅(qū)動(dòng)電路
    ①前置放大電路
    人體體表采集到的心電信號(hào)非常徽弱，一般為0．05～5 mV，而且信號(hào)源阻抗比較大，這就要求放大電路增益大，輸入阻抗高；但是又因?yàn)樾碾娦盘?hào)存在強(qiáng)大的干擾，增益太大有可能導(dǎo)致靜態(tài)工作點(diǎn)的偏離，甚至進(jìn)入截止或飽和，引起心電放大器的阻塞。因此設(shè)計(jì)中考慮放大電路分為兩級(jí)實(shí)現(xiàn)，前置放大增益為10左右，選擇由AD公司的儀表放大器AD620及外圍器件組成，電路原理圖如圖4右半部分所示。AD620的1、8號(hào)引腳之間接入的電阻R決定信號(hào)的增益，增益方程式為：G=1+49．4 kΩ／R，對(duì)于所設(shè)定的增益，控制電阻值為：R=49．4／(G-1)kΩ。本課題中為了使R為整數(shù)，取G=10．88，則R=5 kΩ，即圖4中R10為5 kΩ。

    ②右腿驅(qū)動(dòng)電路
    心電信號(hào)采集時(shí)，很多的共模干擾會(huì)把微弱的心電信號(hào)淹沒，因此要求放大電路有很高的共模抑制比(CMRR)。為了進(jìn)一步提高前置放大電路的共模抑制比，去除人體攜帶的交流共模干擾，我們選擇使用圖4左半部分的右腿驅(qū)動(dòng)電路：由低功耗運(yùn)放AD705、電阻網(wǎng)絡(luò)R8、R9、R10組成。其工作原理是：從前置放大電路的增益調(diào)節(jié)電阻處提取反饋信號(hào)，如果檢測(cè)出共模電壓，則輸入右腿驅(qū)動(dòng)放大電路(R6、C5、R7、AD7 05)進(jìn)行反相放大后反饋到右腿電極，這有效地降低了共模電壓。
    3)濾波電路
    ①高低通濾波電路
    心電信號(hào)的有用信息主要集中在0．05～100 Hz之間，為了抑制直流漂移、呼吸引起的基線漂移以及放大電路通頻帶外的低頻噪聲，本課題的設(shè)計(jì)中選擇了一個(gè)簡(jiǎn)單的RC高通濾波器用來(lái)濾除各種低頻噪聲和一個(gè)低通濾波器來(lái)消除高頻干擾，以提取有用的心電信息。如圖5左半部分所示：高通濾波器由R23和C15構(gòu)成，濾波器的時(shí)間常數(shù)t=RC=3．2 s，截止頻率為。低通濾波器有R22和C16構(gòu)成，濾波器的截止頻率為：。
    ②雙T網(wǎng)絡(luò)有源陷波電路
    50 Hz工頻干擾是心電信號(hào)采集中主要干擾之一，對(duì)心電波形的影響較大。選擇雙T網(wǎng)絡(luò)有源陷波電路專門濾除50 Hz工頻干擾，如圖5右半部分。電路的中心頻率：。其中雙T網(wǎng)絡(luò)是RC選頻電路，當(dāng)R=R11=R12=2xR13，C8=2XC9=2xC10=2xC時(shí)，網(wǎng)絡(luò)達(dá)到嚴(yán)格對(duì)稱，才能使對(duì)應(yīng)于f0頻率的信號(hào)互相抵消，衰減到零。

    U5和兩個(gè)反饋電阻R14、R15組成反饋回路，具有頻率增強(qiáng)作用，使得阻帶寬度變窄，品質(zhì)因數(shù)Q值提高，陷波特性好。反饋系數(shù)，品質(zhì)因數(shù)。品質(zhì)因素Q決定陷波電路的選擇性，高Q對(duì)應(yīng)較窄的阻帶而低Q對(duì)應(yīng)較寬的阻帶。本課題中對(duì)于50 Hz的陷波電路，選擇Q值為2．5，則根據(jù)選擇電容C為47 nF，計(jì)算得到R為68 kΩ；由設(shè)定的Q值得到F=0．9，選擇R14為2kΩ，則計(jì)算得到R15為18kΩ。
    4)后置放大電路與電平抬升電路
    心電信號(hào)的幅值范圍為0．05～5 mV，而前置放大電路的增益為10．88，因此在心電信號(hào)調(diào)理電路中還必須設(shè)計(jì)后置放大電路，使放大后的心電信號(hào)滿足A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓要求。系統(tǒng)的整體放大倍數(shù)設(shè)計(jì)成1 000倍，因此后置放大電路的增益約為100倍。經(jīng)計(jì)算，控制電阻為R=。
    另外，MC9SXS128單片機(jī)A／D輸入電壓為單極性的，但是心電信號(hào)是雙極性信號(hào)，所以在對(duì)心電信號(hào)放大濾波處理后需要施加一個(gè)偏置電壓，抬升其電平使之成為單極性信號(hào)。
    后置放大電路與電平抬升電路如圖6所示。

2．2 數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計(jì)
    本課題是通過單片機(jī)控制GPRS模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。單片機(jī)主要工作就是對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行采集，通過串口對(duì)GPRS模塊發(fā)送AT指令，使其完成對(duì)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。GPRS模塊主要完成與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換和通過通信公司的GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
    單片機(jī)選擇飛恩卡爾半導(dǎo)體(Freescale)公司的MC9S12XS128，將總線頻率設(shè)置為80Mbs，處理能力強(qiáng)勁，其SCI外設(shè)與SIM300模塊進(jìn)行通信，A／D口采樣轉(zhuǎn)換心電信號(hào)調(diào)理模塊的輸出。GPRS模塊選擇的是西門子公司的SIM300，單片機(jī)通過AT指令(Attention)對(duì)SIM300實(shí)現(xiàn)控制，兩者之間的數(shù)據(jù)交換通過單片機(jī)的SCI串口來(lái)進(jìn)行。
2．3 心電信號(hào)采集測(cè)試
    根據(jù)心電信號(hào)調(diào)理電路圖和SIM模塊電路、電源電路，設(shè)計(jì)的電路板如圖7所示。

    本課題設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程無(wú)線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)樣機(jī)完成以后，在強(qiáng)烈的噪聲中，能夠采集到準(zhǔn)確的心電信號(hào)，盡可能地減小了失真，如圖8所示。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本文雖然完成了遠(yuǎn)程心電信號(hào)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，但是某些內(nèi)容的研究不夠深入全面，還存在許多不足之處。今后將從以下幾個(gè)方面繼續(xù)努力研究：
    1)進(jìn)一步改進(jìn)硬件電路中心電信號(hào)提取及調(diào)理電路，關(guān)鍵是放大、濾波部分，增強(qiáng)其抗干擾能力和提取有用信號(hào)的能力。
    2)隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，可以更好地選擇速度快、功能強(qiáng)的電子元件和微處理器，以滿足低功耗、低成本目的，以此來(lái)提高心電信號(hào)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的性能。
    3)在遠(yuǎn)程服務(wù)器的監(jiān)護(hù)軟件設(shè)計(jì)上結(jié)合心電信號(hào)處理的算法，對(duì)心電信號(hào)數(shù)據(jù)做更深入的分析處理，優(yōu)化監(jiān)護(hù)軟件的功能，使得遠(yuǎn)程無(wú)線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)更加人性化、智能化。