嵌入式遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)的設計

摘要：提出一種嵌入式遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)的設計方法。該系統(tǒng)包括前端和后端兩個模塊，前端通過穿戴式心電采集設備從人體獲取心電信號，經 A／D轉換后由nRF905射頻芯片無線傳輸?shù)胶蠖?；后端利用GPRS將來自前端的數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)奖O(jiān)護中心，并接收來自中心的反饋信息。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。實驗結果表明，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)心電信號穩(wěn)定、準確、實時的傳輸。
關鍵詞：心電信號；無線傳輸；遠程監(jiān)護系統(tǒng)；nRF905

0 引言
    心電信號是人類最早研究并應用于醫(yī)學臨床的生物電信號之一，通過心電信號診斷心血管疾病是目前醫(yī)院應用最普遍的方法。目前，檢測心臟疾病的常規(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)下短時間內的心電圖片段，難以獲得患者各種狀態(tài)、各時間段的心電圖變化，這樣就限制了醫(yī)生診斷的范圍，甚至會貽誤對癥治療的時機。因此，本文提出一種嵌入式遠程心電遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計，病人無需親自到醫(yī)院做常規(guī)心電圖檢測，只需要穿著一種專用的服裝，就可完成對患者進行移動式、遠距離、不間斷的心電監(jiān)護。

1 設計總體結構設計
    系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。


    系統(tǒng)由一個前端模塊和一個后端模塊組成，前端包括心電采集電路、單片機和射頻發(fā)射芯片，用以獲取心電并經處理后通過射頻無線傳輸?shù)胶蠖?；后端包括一個射頻接收芯片、一個ARM處理器、一個DSP處理器、一個LCD顯示屏，以及一塊GPRS發(fā)射模塊，主要用于接收來自前端的心電數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理，最后采用GPRS模塊并通過Internet將處理后的心電數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)奖O(jiān)護中心。
1．1 心電信號采集
    心電信號采集采用穿戴式心電采集設備，如圖2所示。該設備將檢測人體動態(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，舒適性好，使用方便，功耗低，適用于臨床監(jiān)護、家庭保健、運動實驗、心率失常監(jiān)測、空中記錄與監(jiān)測、遠程監(jiān)測、應
急救護等。
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    穿戴式心電采集設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)測的生理信號轉化為電信號。實驗時，傳感器采用的是貼片電極，通過CM1導連方式來獲取信號。
    (2)放大濾波電路：經傳感器轉換后得到的生理電信號一般幅值較低，且?guī)в泻艽蟮脑肼暩蓴_，必須進行放大濾波處理。該電路包含一個前置放大電路，一個帶通濾波電路及二級放大電路。前置放大電路采用的是一個AD620儀用放大器作為前置放大器。帶通濾波電路由一個二階高通濾波電路和一個二階低通濾波電路串聯(lián)而成?？紤]到心電信號的頻率范圍及后續(xù)A／D的動態(tài)范圍，帶通濾波電路的通頻帶設計為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(國外為60 Hz)是生理信號最主要的噪聲來源，50 Hz干擾消除的效果直接決定了最后獲取信號的好壞。區(qū)別于傳統(tǒng)的雙T對稱有源陷波器，該系統(tǒng)采用非對稱阻容網絡陷波器，其優(yōu)點在于可根據(jù)干擾源頻率和干擾強度進行陷波頻率和Q值的調節(jié)，使設計更具通用性。
1．2 射頻發(fā)射和接收
    目前，穿戴式遠程醫(yī)療系統(tǒng)的無線通信手段包括藍牙、射頻、紅外等，以藍牙的使用最為廣泛，但使用藍牙成本高，這對于推廣普及是個很大的障礙。紅外的傳輸距離短，抗干擾差，現(xiàn)在已基本不使用。射頻具有價格低，傳輸距離長等特性，特別是高性價比射頻芯片的不斷出現(xiàn)，使它的使用越來越受青睞。該系統(tǒng)采用的是2塊挪威Nordic公司nRF905的射頻芯片，用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。nRF905不僅能夠滿足穿戴式醫(yī)療儀器低功耗的要求，并且能同時保證傳輸速率以及傳輸距離。經實際測量，在室內有墻壁阻隔，無劇烈運動的情況下，傳輸距離達到25 m以上，因而被監(jiān)測者可以在室內自由活動。無線傳輸丟包率在1／10 000內，能保證傳輸數(shù)據(jù)不丟失，最大傳輸速率可達100 Kb／s。設計時，處理器通過SPI接口對2塊nRF905寄存器進行相同的配置。在實際工作中，nRF905就可以自動濾除地址不相同的數(shù)據(jù)，只有地址匹配且校驗正確的數(shù)據(jù)才會被接受，并存儲在接收數(shù)據(jù)寄存器中。nRF90提供了433／868／915 MHz三個ISM頻道(可以免費使用)，該系統(tǒng)中采用的是915 MHz。
1．3 單片機
    該系統(tǒng)中，單片機采用C8051F330。單片機具有體積小(MLP-20封裝)，功耗低，功能強大(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。該單片機的作用是與nRF905進行通訊，對心電采集電路獲取的信號進行A／D轉換，以及對轉換后的數(shù)據(jù)進行射頻傳輸前的加密。
    (1)與nRF905通訊：通過SPI總線來對nRF905的內部寄存器進行配置及數(shù)據(jù)輸送。
    (2)A／D轉換：C8051F330自身帶有一個10位的A／D轉換器，其動態(tài)范圍為-2．7～+2．7 V。設計中心電的采樣率采用250 Hz。
    (3)數(shù)據(jù)加密：由于設計中采用nRF905射頻芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)，任何相同的芯片，只要內部寄存器配置一致，它們之間就能實現(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題，而nRF905傳輸覆蓋的范圍較寬。為了保證用戶數(shù)據(jù)在無線傳輸時的安全性，必須對數(shù)據(jù)進行加密處理，而這一過程在其他類似采用射頻傳輸?shù)脑O計中常被忽略掉。在該系統(tǒng)中，采用了AES軟件加密算法來完成這一過程。這相對于常用的硬件加密，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三種密鑰長度，該設計采用128 b密鑰長度。
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：其過程與單片機類似，即對nRF905進行配置，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)需要經過加密處理。為了對數(shù)據(jù)作進一步處理，必須先將數(shù)據(jù)還原。解密過程是加密過程的標準逆運算。
    (3)LCD顯示：主要是將解密后的心電數(shù)據(jù)，以及監(jiān)護中心的反饋信息(如診斷結果、報警等)顯示在LCD上。采用的是一個320×240的三色LCD，運用MINIGUI進行編程。
    (4)與DSP進行通信：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。ARM和DSP的通訊采用HPI總線方式。
    (5)與GPRS通信：包括向監(jiān)護中心發(fā)送監(jiān)護請求、將從DSP處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)護中心，以及讀取中心的反饋信息等。ARM和GPRS通過RS 232串口進行連接。GPRS采用ETPro-221An模塊。[!--empirenews.page--]
1．5 DSP處理器
    DSP采用美國德州儀器公司的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)的遠程傳輸效率，在數(shù)據(jù)傳輸前進行了壓縮處理。由于心電信號屬于準周期信號，除了干擾噪聲影響和個別病理情況外，心電信號的主要成分P-QRS-T波群將按一定的時間間隔重復出現(xiàn)，這種重復性使心電信號包含一定信息冗余。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)前后之間的重復性，使用比原始數(shù)據(jù)更短的信息(如重復位置和重復長度)來替代重復的數(shù)據(jù)段，從而達到減少數(shù)據(jù)量，實現(xiàn)壓縮的目的。
    (2)數(shù)據(jù)加密：壓縮后的數(shù)據(jù)要通過Internet傳輸?shù)奖O(jiān)護中心。為了保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中被非法竊取，同樣必須對數(shù)據(jù)進行加密，以保護用戶的隱私。

2 實驗結果
    實驗時，前端采用電池供電，后端采用一個直流電源供電。圖3為監(jiān)護中心通過GPRS接收到心電信號的顯示結果，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)準確、實時、安全地進行無線遠程傳輸。



3 結語
    給出一種嵌入式遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)的設計方法。在系統(tǒng)前端和后端的無線通信過程中引入了AES加密處理，可提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?；后端采?ARM和DSP雙處理器結構，ARM作為主處理器，用于協(xié)調整個用戶端；DSP作為ARM的輔助處理器，用以減少ARM的處理負擔，使其有更多的空閑時間響應來自前端或中心請求，提高設備監(jiān)護的實時性。此外，系統(tǒng)還具有體積小，功耗低，實時性好，便攜等特點。經實驗證明，能很好地完成心電信號的采集、遠程傳輸，從而配合醫(yī)院或監(jiān)控中心進行監(jiān)護工作，具有較高的應用價值。