遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

作為心臟病臨床檢查的常規(guī)方法，心電圖具有無(wú)創(chuàng)傷、操作簡(jiǎn)單、出圖快等特點(diǎn)，對(duì)于各種心律失常和傳導(dǎo)障礙的診斷具有決定性作用。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信等相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，心電圖檢測(cè)技術(shù)也逐漸應(yīng)用到遠(yuǎn)程醫(yī)療領(lǐng)域中來(lái)，使得醫(yī)院為心臟病患者的遠(yuǎn)程保健服務(wù)成為可能。截至目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)研發(fā)出了通過(guò)固定電話傳輸心電信號(hào)的心電傳輸系統(tǒng)，由于干擾大、成本較高，并未應(yīng)用于臨床。為此，本文將研究設(shè)計(jì)一種低成本、低功耗、攜帶方便的無(wú)線遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而為心臟病患者提供方便的遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)服務(wù)功能。

1 系統(tǒng)概述

遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由心電檢測(cè)終端、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

心電檢測(cè)終端用來(lái)采集和檢測(cè)患者的心電信號(hào)，然后通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)结t(yī)院監(jiān)護(hù)中心，醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心的上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收到心電數(shù)據(jù)后，醫(yī)生可以運(yùn)用上位機(jī)中的心電分析軟件對(duì)患者的心電信號(hào)進(jìn)行分析和分類(lèi)存儲(chǔ)。該心電檢測(cè)終端也可以通過(guò)RS 232串口將心電數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為設(shè)計(jì)一款體積小、功耗低、處理速度高的心電檢測(cè)終端，本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F449單片機(jī)作為微處理器，該單片機(jī)的工作電壓在1.8～3.6 V之間；當(dāng)工作在1 MHz，2.2 V活動(dòng)模式狀態(tài)時(shí)，電流才為280μA；帶有內(nèi)部參考源、采樣保持、自動(dòng)掃描特性的12位A／D轉(zhuǎn)換器；串行通信軟件有異步UART和同步SPI兩種模式可選。該單片機(jī)具有豐富的片內(nèi)外設(shè)和大容量的片內(nèi)工作寄存器和存儲(chǔ)器，為電路的設(shè)計(jì)節(jié)省不少空間。

本系統(tǒng)的硬件主要包括心電信號(hào)采集模塊、RS 232通信模塊和GPRS傳輸模塊。

2.1 心電信號(hào)采集模塊

心電信號(hào)是十分微弱的低頻信號(hào)，幅值為0.5～4 mV，頻率為0.05～100 Hz，在檢測(cè)過(guò)程中還混雜有其他生物信號(hào)、50 Hz工頻干擾以及周?chē)娖髟O(shè)備所帶來(lái)的干擾。因此心電信號(hào)的采集方法就由信號(hào)提取、信號(hào)放大、信號(hào)濾波和信號(hào)處理組成，如圖2所示。

2.1.1 心電前置放大電路

心電信號(hào)經(jīng)電極采集后，首先要進(jìn)行電壓放大，電壓放大器一般由兩級(jí)組成，前級(jí)放大采用微功耗儀表放大器AD620芯片，AD620具有高共模抑制比(CMRR)、高輸入阻抗、低功耗、低噪聲和低輸入偏置電流等特點(diǎn)，其最大輸出電流僅為1.3 mA。通過(guò)調(diào)節(jié)1腳和8腳間電阻Rg阻值可設(shè)置增益為1～1 000，增益的計(jì)算公式為：G=49.4 kΩ／Rg+1。為防止AD620工作于飽和區(qū)或截止區(qū)，前級(jí)增益不易太大，因此設(shè)計(jì)第一級(jí)的放大倍數(shù)為10倍。前置放大電路如圖3所示。

其中，緩沖輸入級(jí)用雙向并聯(lián)二極管限制緩沖放大器兩輸入端之間的電壓不超過(guò)+5.7 V，起低壓保護(hù)作用。100 kΩ電阻和150 pF電容構(gòu)成無(wú)源低通濾波器，抑制高頻干擾。

2.1.2 濾波電路

在心電信號(hào)的采集過(guò)程中，必然會(huì)夾雜著高頻干擾、低頻干擾和50 Hz的工頻干擾，因此，心電信號(hào)的濾波電路是必不可少的。本系統(tǒng)采用二階有源濾波電路來(lái)濾除0.03 Hz以下和100 Hz以上的低高頻噪聲，同時(shí)采用經(jīng)典的雙T有源陷波電路和軟件方法共同濾除50 Hz工頻干擾。

2.1.3 主放大隔離電路和電平抬升電路

后級(jí)放大部分需再放大10倍，才能符合A／D轉(zhuǎn)換所需的電壓范圍。此外，在主放大電路部分采用了線性光電隔離放大器ISO130，對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行隔離并放大，從而對(duì)心電信號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波起到良好的隔離效果。