用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)三導(dǎo)聯(lián)遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

1 引 言

隨著人們生活水平的提高、生活節(jié)奏的加快，心血管疾病的發(fā)病率迅速上升，已成為威脅人類(lèi)身體健康的主要因素之一。而心電圖則是治療此類(lèi)疾病的主要依據(jù)，具有診斷可靠，方法簡(jiǎn)便，對(duì)病人無(wú)損害的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，變得越來(lái)越重要。常規(guī)心電圖是病人在靜臥情況下由心電圖儀記錄的心電活動(dòng)，歷時(shí)僅為幾s～1 m，只能獲取少量有關(guān)心臟狀態(tài)的信息，所以在有限時(shí)間內(nèi)即使發(fā)生心率失常，被發(fā)現(xiàn)的概率也是很低的。因此有必要通過(guò)相應(yīng)的監(jiān)護(hù)裝置對(duì)患者進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，記錄患者的心電數(shù)據(jù)。又由于心臟病的發(fā)生具有突發(fā)性的特點(diǎn)，患者不可能長(zhǎng)時(shí)間地靜臥在醫(yī)院，但又需實(shí)時(shí)得到醫(yī)護(hù)人員的監(jiān)護(hù)，所以研發(fā)相應(yīng)的便攜式無(wú)線心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品就顯得更加重要。

目前雖說(shuō)國(guó)內(nèi)已有成型的無(wú)線心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品，但其采用的方案大都是“采集器+發(fā)送器（pda或手機(jī)）”，這必然導(dǎo)致其價(jià)格昂貴，且pda或手機(jī)的其他功能對(duì)于絕大部分患者完全沒(méi)有必要，所以到目前為止國(guó)內(nèi)實(shí)用的無(wú)線心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品領(lǐng)域還是空白。本文所述的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是在醫(yī)院的提案基礎(chǔ)之上，進(jìn)行充分調(diào)研之后設(shè)計(jì)的總體方案，主要實(shí)現(xiàn)如下功能： 三導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)采集； 無(wú)線傳輸緊急情況下40 s的心電數(shù)據(jù)及診斷結(jié)果； 24小時(shí)心電圖連續(xù)記錄； 通過(guò)高速u(mài)sb上傳心電數(shù)據(jù)至pc機(jī)； 緊急呼叫。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

作為便攜式手持遠(yuǎn)程移動(dòng)終端，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮其體積小，功耗低，存儲(chǔ)容量大和處理速度高的要求，因此在cpu的選擇上十分慎重。經(jīng)過(guò)資料收集和反復(fù)比較，最終選擇了samsung公司推出的基于arm920t內(nèi)核的s3c2410處理器，該處理器資料豐富，性?xún)r(jià)比高。 采用risc架構(gòu)的arm微處理器一般具有如下特點(diǎn)： 體積小，功耗低，成本低，性能高； 支持thumb（16位）/arm（32位）雙指令集； 大量使用寄存器，使指令執(zhí)行速度更快； 尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高； 指令長(zhǎng)度固定。

可以看出基于arm的嵌入式處理器是便攜式手持終端的最佳選擇，所以在設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案時(shí)首先定位在該系列處理器上。s3c2410處理器基于arm920t處理器核，采用0.18 μm制造工藝的32位微控制器，采用五級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，最高運(yùn)行頻率為203 mhz。該處理器具有：獨(dú)立的16 kb指令cache和16kb數(shù)據(jù)cache、mmu、支持tft的lcd控制器、nand閃存控制器、3路uart、4路帶pwm的timer、豐富的i/o口、8路10位adc、touch screen接口、iicbus接口，以及2個(gè)usb主機(jī)和1個(gè)usb設(shè)備等豐富的外圍設(shè)備。

s3c2410提供了一套較完整的通用外圍設(shè)備，且使整個(gè)系統(tǒng)的功耗最低，從而免去了添加、配置附加外圍接口的麻煩，有效地縮小了線路板的面積，這也正是本系統(tǒng)選擇該處理器的重要原因。 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，以s3c2410為核心，外擴(kuò)了8 mb的nor flash、64 mb的nand flash以及16 mb的sdram等存儲(chǔ)芯片，通過(guò)gpio口擴(kuò)展了鍵盤(pán)、lcd和蜂鳴器等人機(jī)接口單元，對(duì)外提供usb和uart等通信接口，同時(shí)連接了siemens公司的mc35模塊，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸和緊急呼叫功能。從系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)來(lái)看，可將系統(tǒng)劃分為5個(gè)模塊：電源模塊、心電數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模塊、圖形用戶(hù)界面模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理模塊。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 2.1 電源模塊

系統(tǒng)采用單節(jié)1700 mah鋰離子可充電電池供電，但隨著電量的釋放，電壓也在不斷降低，變化范圍為4.2~2.75 v。而本系統(tǒng)中分別需要一個(gè)4.3 v的mc35工作電壓、一個(gè)3.3 v的i/o電壓、一個(gè)1.8 v的cpu核電壓和一個(gè)1.8 v的cpu職守電壓。為了滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求，電源電路中必須同時(shí)具備升壓穩(wěn)壓器和低壓差線性穩(wěn)壓器。為了解決該問(wèn)題系統(tǒng)采用1個(gè)開(kāi)關(guān)型升壓dcdc穩(wěn)壓器、1個(gè)3.3 v極低壓差線性穩(wěn)壓器和2個(gè)帶有shutdown引腳的1.8 v低壓差線性穩(wěn)壓器來(lái)組成供電系統(tǒng)，供電方案如圖2所示。

圖2 電源模塊方案 2.2 心電數(shù)據(jù)采集

由于心電圖信號(hào)的檢測(cè)是屬于強(qiáng)噪聲背景下的超低頻（0.5～100 hz）微弱（0.1～5 mv）信號(hào)檢測(cè)，具有微弱性、穩(wěn)定性、低頻特性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，故要求前置級(jí)應(yīng)滿(mǎn)足高輸入阻抗、高共模抑制比（cmrr）、低噪聲、低漂移和高安全性。微弱的心電信號(hào)受到來(lái)自人體內(nèi)外的多種干擾，其特征被淹沒(méi)在復(fù)雜的信號(hào)之中，為了使其特征突出，就有必要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。系統(tǒng)采用的心電信號(hào)采集原理如圖3所示。其中前置級(jí)采用差動(dòng)放大電路，其放大倍數(shù)為22.4倍；后級(jí)放大電路的放大倍數(shù)為37倍，則總放大倍數(shù)為828.8倍。

2.3 數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模塊

本系統(tǒng)為遠(yuǎn)程移動(dòng)終端，涉及數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，為實(shí)現(xiàn)此功能采用了siemens公司的mc35模塊，并移植了tcpip協(xié)議棧和ppp協(xié)議，以完成心電數(shù)據(jù)的發(fā)送和診斷結(jié)果的接收。mc35是siemens公司推出的第一款支持gprs的gsm/gprs模塊，它體積小,易于集成到便攜式手持終端中，支持voice、data、fax以及sms等業(yè)務(wù)。處理器s3c2410通過(guò)異步串行通信接口與mc35相連，并通過(guò)at命令對(duì)該模塊進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳輸。

在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先，應(yīng)用層將采集到的心電數(shù)據(jù)提交給tcpip協(xié)議棧；然后，tcpip協(xié)議棧根據(jù)目的地址和端口將該心電數(shù)據(jù)封裝成完整的ip數(shù)據(jù)報(bào)，再提交至ppp層；最后，該ip數(shù)據(jù)報(bào)經(jīng)ppp層封裝之后，通過(guò)串口逐字節(jié)地提交至mc35并發(fā)送。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，mc35首先將接收的數(shù)據(jù)逐字節(jié)地提交至ppp層；經(jīng)ppp層將分散的各字節(jié)重組成一幀完整的ip數(shù)據(jù)報(bào)之后，再提交至tcpip層進(jìn)行詳細(xì)的處理，具體流程如圖4所示。

在開(kāi)機(jī)初始化時(shí)要完成mc35的啟動(dòng)并登錄移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，建立與服務(wù)提供商的連接。一般在發(fā)送指令之前先要發(fā)送一條測(cè)試指令，以檢測(cè)mc35的當(dāng)前狀態(tài)，該指令的格式為“at\r”；在入網(wǎng)網(wǎng)關(guān)及流量控制等參數(shù)通過(guò)at指令設(shè)置完成之后，便可通過(guò)服務(wù)編碼99開(kāi)始呼叫與服務(wù)提供商建立連接，指令格式為atdt*99***1#\r\n。若在該指令執(zhí)行之后給定的時(shí)間內(nèi)返回connect信息，則表明與服務(wù)提供商的連接建立成功；否則，表明撥號(hào)失敗，無(wú)線傳輸功能無(wú)法正常啟動(dòng)。mc35成功登錄移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之后，將自動(dòng)從命令模式切換到數(shù)據(jù)通信模式，且串口通信方式由原來(lái)的查詢(xún)式變?yōu)橹袛喾绞?。此時(shí)由系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)送一幀ppp請(qǐng)求信息，服務(wù)提供商接到該請(qǐng)求信息后主動(dòng)發(fā)出詢(xún)問(wèn)幀，協(xié)商相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。待服務(wù)參數(shù)及用戶(hù)身份驗(yàn)證成功之后，服務(wù)提供商為系統(tǒng)分配一獨(dú)立ip，至此便可認(rèn)為gprs成功上線。