嵌入式遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：提出一種嵌入式遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)包括前端和后端兩個(gè)模塊，前端通過(guò)穿戴式心電采集設(shè)備從人體獲取心電信號(hào)，經(jīng) A／D轉(zhuǎn)換后由nRF905射頻芯片無(wú)線傳輸?shù)胶蠖?；后端利用GPRS將來(lái)自前端的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)中心，并接收來(lái)自中心的反饋信息。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，提高?shù)據(jù)傳輸?shù)男?，引入了AES加密和LZ77壓縮算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)心電信號(hào)穩(wěn)定、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的傳輸。
關(guān)鍵詞：心電信號(hào)；無(wú)線傳輸；遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)；nRF905

0 引言
    心電信號(hào)是人類最早研究并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床的生物電信號(hào)之一，通過(guò)心電信號(hào)診斷心血管疾病是目前醫(yī)院應(yīng)用最普遍的方法。目前，檢測(cè)心臟疾病的常規(guī)方法是到醫(yī)院做心電圖，反映患者的心臟功能情況。但這種方法只能描記患者幾分鐘平臥狀態(tài)下短時(shí)間內(nèi)的心電圖片段，難以獲得患者各種狀態(tài)、各時(shí)間段的心電圖變化，這樣就限制了醫(yī)生診斷的范圍，甚至?xí)O誤對(duì)癥治療的時(shí)機(jī)。因此，本文提出一種嵌入式遠(yuǎn)程心電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，病人無(wú)需親自到醫(yī)院做常規(guī)心電圖檢測(cè)，只需要穿著一種專用的服裝，就可完成對(duì)患者進(jìn)行移動(dòng)式、遠(yuǎn)距離、不間斷的心電監(jiān)護(hù)。

1 設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。


    系統(tǒng)由一個(gè)前端模塊和一個(gè)后端模塊組成，前端包括心電采集電路、單片機(jī)和射頻發(fā)射芯片，用以獲取心電并經(jīng)處理后通過(guò)射頻無(wú)線傳輸?shù)胶蠖?；后端包括一個(gè)射頻接收芯片、一個(gè)ARM處理器、一個(gè)DSP處理器、一個(gè)LCD顯示屏，以及一塊GPRS發(fā)射模塊，主要用于接收來(lái)自前端的心電數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后采用GPRS模塊并通過(guò)Internet將處理后的心電數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)中心。
1．1 心電信號(hào)采集
    心電信號(hào)采集采用穿戴式心電采集設(shè)備，如圖2所示。該設(shè)備將檢測(cè)人體動(dòng)態(tài)生理參數(shù)的傳感器、電路板、連接線嵌在絕緣軟材料制作的基體(胸帶)內(nèi)，舒適性好，使用方便，功耗低，適用于臨床監(jiān)護(hù)、家庭保健、運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)、心率失常監(jiān)測(cè)、空中記錄與監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、應(yīng)
急救護(hù)等。
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    穿戴式心電采集設(shè)備的電路主要是由傳感器、放大濾波電路及陷波電路組成。
    (1)傳感器：傳感器是將所要監(jiān)測(cè)的生理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，傳感器采用的是貼片電極，通過(guò)CM1導(dǎo)連方式來(lái)獲取信號(hào)。
    (2)放大濾波電路：經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后得到的生理電信號(hào)一般幅值較低，且?guī)в泻艽蟮脑肼暩蓴_，必須進(jìn)行放大濾波處理。該電路包含一個(gè)前置放大電路，一個(gè)帶通濾波電路及二級(jí)放大電路。前置放大電路采用的是一個(gè)AD620儀用放大器作為前置放大器。帶通濾波電路由一個(gè)二階高通濾波電路和一個(gè)二階低通濾波電路串聯(lián)而成?？紤]到心電信號(hào)的頻率范圍及后續(xù)A／D的動(dòng)態(tài)范圍，帶通濾波電路的通頻帶設(shè)計(jì)為O．1～
100 Hz，總放大倍數(shù)為1 000左右。
    (3)陷波電路：50 Hz工頻干擾(國(guó)外為60 Hz)是生理信號(hào)最主要的噪聲來(lái)源，50 Hz干擾消除的效果直接決定了最后獲取信號(hào)的好壞。區(qū)別于傳統(tǒng)的雙T對(duì)稱有源陷波器，該系統(tǒng)采用非對(duì)稱阻容網(wǎng)絡(luò)陷波器，其優(yōu)點(diǎn)在于可根據(jù)干擾源頻率和干擾強(qiáng)度進(jìn)行陷波頻率和Q值的調(diào)節(jié)，使設(shè)計(jì)更具通用性。
1．2 射頻發(fā)射和接收
    目前，穿戴式遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的無(wú)線通信手段包括藍(lán)牙、射頻、紅外等，以藍(lán)牙的使用最為廣泛，但使用藍(lán)牙成本高，這對(duì)于推廣普及是個(gè)很大的障礙。紅外的傳輸距離短，抗干擾差，現(xiàn)在已基本不使用。射頻具有價(jià)格低，傳輸距離長(zhǎng)等特性，特別是高性價(jià)比射頻芯片的不斷出現(xiàn)，使它的使用越來(lái)越受青睞。該系統(tǒng)采用的是2塊挪威Nordic公司nRF905的射頻芯片，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)。nRF905不僅能夠滿足穿戴式醫(yī)療儀器低功耗的要求，并且能同時(shí)保證傳輸速率以及傳輸距離。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，在室內(nèi)有墻壁阻隔，無(wú)劇烈運(yùn)動(dòng)的情況下，傳輸距離達(dá)到25 m以上，因而被監(jiān)測(cè)者可以在室內(nèi)自由活動(dòng)。無(wú)線傳輸丟包率在1／10 000內(nèi)，能保證傳輸數(shù)據(jù)不丟失，最大傳輸速率可達(dá)100 Kb／s。設(shè)計(jì)時(shí)，處理器通過(guò)SPI接口對(duì)2塊nRF905寄存器進(jìn)行相同的配置。在實(shí)際工作中，nRF905就可以自動(dòng)濾除地址不相同的數(shù)據(jù)，只有地址匹配且校驗(yàn)正確的數(shù)據(jù)才會(huì)被接受，并存儲(chǔ)在接收數(shù)據(jù)寄存器中。nRF90提供了433／868／915 MHz三個(gè)ISM頻道(可以免費(fèi)使用)，該系統(tǒng)中采用的是915 MHz。
1．3 單片機(jī)
    該系統(tǒng)中，單片機(jī)采用C8051F330。單片機(jī)具有體積小(MLP-20封裝)，功耗低，功能強(qiáng)大(自帶10位A／D、SPI總線、24．5 MHz晶振)等特性，能夠大大提高前端的輕便性。該單片機(jī)的作用是與nRF905進(jìn)行通訊，對(duì)心電采集電路獲取的信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，以及對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行射頻傳輸前的加密。
    (1)與nRF905通訊：通過(guò)SPI總線來(lái)對(duì)nRF905的內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置及數(shù)據(jù)輸送。
    (2)A／D轉(zhuǎn)換：C8051F330自身帶有一個(gè)10位的A／D轉(zhuǎn)換器，其動(dòng)態(tài)范圍為-2．7～+2．7 V。設(shè)計(jì)中心電的采樣率采用250 Hz。
    (3)數(shù)據(jù)加密：由于設(shè)計(jì)中采用nRF905射頻芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)，任何相同的芯片，只要內(nèi)部寄存器配置一致，它們之間就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。由于用戶的生理信息涉及到用戶的隱私問(wèn)題，而nRF905傳輸覆蓋的范圍較寬。為了保證用戶數(shù)據(jù)在無(wú)線傳輸時(shí)的安全性，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，而這一過(guò)程在其他類似采用射頻傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)中常被忽略掉。在該系統(tǒng)中，采用了AES軟件加密算法來(lái)完成這一過(guò)程。這相對(duì)于常用的硬件加密，一方面提高儀器的輕便性，另一方面又可以降低儀器的成本。AES支持128 b，192 b或256 b三種密鑰長(zhǎng)度，該設(shè)計(jì)采用128 b密鑰長(zhǎng)度。
1．4 ARM處理器
    ARM處理器采用的是三星公司的S3C2440處理器，用于完成以下功能：
    (1)與nRF905通信：其過(guò)程與單片機(jī)類似，即對(duì)nRF905進(jìn)行配置，讀取nRF905接收到的數(shù)據(jù)等。
    (2)數(shù)據(jù)解密：由于nRF905接收到的心電數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)加密處理。為了對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，必須先將數(shù)據(jù)還原。解密過(guò)程是加密過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)逆運(yùn)算。
    (3)LCD顯示：主要是將解密后的心電數(shù)據(jù)，以及監(jiān)護(hù)中心的反饋信息(如診斷結(jié)果、報(bào)警等)顯示在LCD上。采用的是一個(gè)320×240的三色LCD，運(yùn)用MINIGUI進(jìn)行編程。
    (4)與DSP進(jìn)行通信：主要是將解密數(shù)據(jù)傳給DSP，然后再將DSP處理后的數(shù)據(jù)讀回來(lái)。ARM和DSP的通訊采用HPI總線方式。
    (5)與GPRS通信：包括向監(jiān)護(hù)中心發(fā)送監(jiān)護(hù)請(qǐng)求、將從DSP處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)護(hù)中心，以及讀取中心的反饋信息等。ARM和GPRS通過(guò)RS 232串口進(jìn)行連接。GPRS采用ETPro-221An模塊。[!--empirenews.page--]
1．5 DSP處理器
    DSP采用美國(guó)德州儀器公司的TMS320VC5509，主要用它完成數(shù)據(jù)的壓縮和加密處理。
    (1)數(shù)據(jù)壓縮：為了提高數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸效率，在數(shù)據(jù)傳輸前進(jìn)行了壓縮處理。由于心電信號(hào)屬于準(zhǔn)周期信號(hào)，除了干擾噪聲影響和個(gè)別病理情況外，心電信號(hào)的主要成分P-QRS-T波群將按一定的時(shí)間間隔重復(fù)出現(xiàn)，這種重復(fù)性使心電信號(hào)包含一定信息冗余。系統(tǒng)使用LZ77算法替代這些冗余信息實(shí)現(xiàn)壓縮，LZ77壓縮算法的基本理論是利用數(shù)據(jù)前后之間的重復(fù)性，使用比原始數(shù)據(jù)更短的信息(如重復(fù)位置和重復(fù)長(zhǎng)度)來(lái)替代重復(fù)的數(shù)據(jù)段，從而達(dá)到減少數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)壓縮的目的。
    (2)數(shù)據(jù)加密：壓縮后的數(shù)據(jù)要通過(guò)Internet傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)中心。為了保證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中被非法竊取，同樣必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，以保護(hù)用戶的隱私。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    實(shí)驗(yàn)時(shí)，前端采用電池供電，后端采用一個(gè)直流電源供電。圖3為監(jiān)護(hù)中心通過(guò)GPRS接收到心電信號(hào)的顯示結(jié)果，顯示程序采用VC 6．O編寫。從圖中可以看出，該系統(tǒng)能夠保證心電數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、安全地進(jìn)行無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸。



3 結(jié)語(yǔ)
    給出一種嵌入式遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。在系統(tǒng)前端和后端的無(wú)線通信過(guò)程中引入了AES加密處理，可提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?；后端采?ARM和DSP雙處理器結(jié)構(gòu)，ARM作為主處理器，用于協(xié)調(diào)整個(gè)用戶端；DSP作為ARM的輔助處理器，用以減少ARM的處理負(fù)擔(dān)，使其有更多的空閑時(shí)間響應(yīng)來(lái)自前端或中心請(qǐng)求，提高設(shè)備監(jiān)護(hù)的實(shí)時(shí)性。此外，系統(tǒng)還具有體積小，功耗低，實(shí)時(shí)性好，便攜等特點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，能很好地完成心電信號(hào)的采集、遠(yuǎn)程傳輸，從而配合醫(yī)院或監(jiān)控中心進(jìn)行監(jiān)護(hù)工作，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。