基于GPS的遠程心電監(jiān)護定位系統(tǒng)的設(shè)計

劉彩霞，劉波粒，王嫣，屈建萍

(1.河北師范大學物理科學與信息工程學院，河北石家莊050016；2.河北師范大學職業(yè)技術(shù)學院，河北石家莊050031；3.河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學院，河北石家莊050026；4.河北建筑工程學院，河北張家口075000)

心血管疾病是人類健康的大敵，在中國，其死亡率占總死亡率的36%。心血管疾病的高致殘率、高死亡率與其特點密切相關(guān)。許多心血管疾病可導(dǎo)致暈厥，如心跳過慢、各種心動過速、主動脈瓣膜狹窄、肥厚性心肌病、肺栓塞、原發(fā)性肺動脈高壓、嚴重心肌梗死等。心血管疾病患者未發(fā)病時無癥狀表現(xiàn)，突然發(fā)作時必須及時就醫(yī)，如果喪失了及時的救治時間，會導(dǎo)致殘疾甚至死亡。針對以上問題，本文設(shè)計了一個基于GPS的遠程心電監(jiān)護定位系統(tǒng)。這一系統(tǒng)不僅能對病人心電信號進行實時監(jiān)測，而且當病人發(fā)病時，還能及時定位病人所在具體位置，以便及時對病人進行救助。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。心電監(jiān)護探測終端被佩戴在病人身上，心電信號經(jīng)心電調(diào)理電路放大濾波后傳送給單片機。單片機采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對接收到的心電信號進行處理并做出判斷，然后執(zhí)行判斷結(jié)果并將相應(yīng)心電信號實時地經(jīng)CDMA傳送給PC機集中心電監(jiān)控中心。當病人心電異常時，一方面單片機啟動一級報警電路進行報警，告知病人和病人身邊的人此時病人的心電異常；另一方面單片機啟動GPS定位病人的具體位置，然后將位置信息經(jīng)CDMA實時傳送給PC機集中心電監(jiān)控中心，告知醫(yī)護人員，以便急救中心及時確定發(fā)病病人的具體位置，以便在最短時間內(nèi)對病人實施救助。Flash存儲器模塊用于存儲病人的心電數(shù)據(jù)；鍵盤和顯示模塊配合實現(xiàn)終端的人機交互和心電波形的顯示；PC機集中心電監(jiān)控中心通過CDMA網(wǎng)絡(luò)實時接收病人的心電信號和病人心電異常時的定位信息，完成對病人心電信號存儲、心電波形顯示、心電信號實時分析、心電異常報警、顯示心電異常病人位置信息等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 心電采集電路

2.1.1 輸入保護和前置放大電路

輸入保護和前置放大電路如圖2所示。輸入由2個二極管組成雙向限幅保護電路，對來自人體或外部高壓干擾進行限幅，防止因過度激勵造成運放逆轉(zhuǎn)而失效。由于心電信號很微弱，容易受到各種干擾(例如交流電磁干擾信號等)，并且干擾信號要比心電信號大很多，通常這些干擾信號對輸入電路來說屬于共模信號，要求前置放大電路有較高的共模抑制比。因此前置放大器選用美國Analog Devices公司的AD620AN模擬放大芯片。AD620的主要性能指標:最大輸入失調(diào)電壓50 μV，最大失調(diào)漂移0.6 μV/℃，最大偏置電流1 nA，最小共模抑制比100 dB(G=10)，低噪聲。AD620的增益通過1腳和8腳之間的電阻R設(shè)置完成，公式為R=49.4 kΩ(G-1)，其中G為放大倍數(shù)。這里為了使R為整數(shù)，取G=10.98，則R6=5 kΩ。為防止后級放大器工作點漂移，可以采用漏電很小的金屬膜電阻。由于心電信號是雙極性交流信號，為保證負半周信號不被削波，故采用雙電源供電。

2.1.2 二階高通濾波電路

二階高通濾波電路如圖2所示。心電信號大部分有用信息集中在0.05 Hz～100 Hz之間，而且在前級還存在由于測量電極與人體皮膚表面接觸形成的半電池而產(chǎn)生的直流電壓影響，其幅值為幾毫伏至幾百毫伏不等，加上人體表面各部位之間還存在一定的電位差，使得心電信號檢測放大器的輸入端總會存在比心電信號大幾十倍的直流信號，最大可達300 mV。所以設(shè)計了一個截止頻率為0.05 Hz二階高通濾波電路，以提取有用的心電信息，有效消除極化電壓對心電信號的干擾。在實際電路中取截止頻率為fp=0.05 Hz，R8=4.7 MΩ，R9=2.2 MΩ，R10=1 MΩ，C7=10 μF，C8=10 μF，C9=1 μF。

2.1.3 50 Hz陷波及二階低通濾波電路

50 Hz陷波及二階低通濾波電路如圖3所示。50 Hz陷波電路帶阻濾波器是用來抑制或衰減某一頻段的信號，而讓該頻段外的所有有用信號通過，也稱為陷波器。因為人體耦合電容而引入的50 Hz工頻干擾信號很強，而心電信號頻帶基本不含50 Hz的成分，所以必須用帶阻濾波器來抑制工頻的干擾。50 Hz陷波電路是帶雙T網(wǎng)絡(luò)的有源濾波器，它是一個改進的、Q值可調(diào)的有源雙T帶阻濾波電路，與以往雙T型陷波器不同的是該電路引入放大器TLC2254形成正反饋，以減小阻帶寬度，使得阻帶中心頻率附近兩邊的幅值增大，品質(zhì)因數(shù)Q可以通過變阻器R15來調(diào)節(jié)。為了消除肌電干擾(幾百Hz以上)和電磁干擾(高頻)，設(shè)計了截止頻率為fp=100 Hz的二階巴特沃思濾波電路。在實際電路中取R16=12 kΩ，R17=5.6 kΩ，C16=0.47 μF，C17=0.1 μF。

2.1.4 后置放大電路與電位平移電路

后置放大電路與電位平移電路如圖3所示。為了得到符合單片機A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓，需要把幅值為0.05 mV～5 mV的心電信號放大足夠的倍數(shù)。本文前置放大倍數(shù)為10.98，則后置電路的放大倍數(shù)由R21決定，其增益可通過對R21阻值進行調(diào)整，改變其放大倍數(shù)，使其滿足對心電信號的放大要求。心電信號經(jīng)過前面的處理，最終需要進入單片機進行A/D轉(zhuǎn)換，然后進行數(shù)據(jù)傳輸。單片機的A/D轉(zhuǎn)換部分對輸入電壓的幅值要求為0～3.3 V，而前面的心電信號是雙極性的信號，因此為了使放大后的心電信號幅值符合單片機A/D轉(zhuǎn)換的幅值要求，設(shè)計了一個電位平移電路，電路為圖3中下半部分電路，其移動范圍為0～3.3 V，通過調(diào)節(jié)電位器R24使心電信號產(chǎn)生一個平移，用來滿足A/D轉(zhuǎn)換的幅值要求[1]。

2.2 一級報警、鍵盤、顯示、Flash存儲電路

一級報警、鍵盤、顯示、Flash存儲電路如圖4所示。單片機對探測到的心電信號進行處理判斷，當病人心電異常時，通過P1.4口控制聲響報警，即一級報警[2]。單片機實時將報警與心電信號經(jīng)CDMA網(wǎng)傳送給PC機集中心電監(jiān)控中心。使用3個按鍵對心電監(jiān)護終端進行控制。為提供友好的人機界面和顯示心電波形,增強監(jiān)護功能，本監(jiān)護儀采用了液晶顯示器顯示菜單和心電波形?？紤]到LCD顯示器的點陣越大則體積越大的特點，選擇了一種點陣數(shù)較少、體積較小的液晶顯示器。長沙太陽人公司的SMG19264A是192×64圖形顯示器，其控制器為KS0108B。在試驗中選用該顯示器后發(fā)現(xiàn)SMG19264A的背光耗電較大，為了降低系統(tǒng)的功耗和延長電池的使用壽命，不把背光電源的引腳直接接電源，而是通過一個電子開關(guān)(圖4中為三極管VT2)來控制，用軟件編程實現(xiàn)僅當有按鍵按下時，背光二極管才點亮15 s，有效地降低了系統(tǒng)的功耗。本監(jiān)護終端以200 Hz的采樣率采集心電數(shù)據(jù)，要記錄24 h的心電數(shù)據(jù)需要極大的存儲容量，且要求存儲器具有掉電不丟失的特點，綜合以上因素，選用Atmel公司推出的新型串行Flash芯片AT45DB081B。該芯片與單片機通過SPI總線連接，控制簡單。它的存儲容量大為8 Mbit，性能穩(wěn)定可靠，供電電壓低、范圍寬、耗電少，單電源供電范圍為2.7 V～3.6 V；單片擦寫次數(shù)超過1萬次，芯片正常工作可以維持最少3年時間[3]。

2.3 CDMA傳輸及GPS定位電路

CDMA傳輸及GPS定位電路如圖5所示。CDMA網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備采用中興公司生產(chǎn)的MG815工業(yè)級CDMA模塊。該模塊基于高通的MSM6025移動MODEM和PM6610電源控制芯片，支持CDM2000-1X標準，向下兼容IS-95A/B標準，采用AT指令集通過串口進行通信，可提供153.6 kb/s的高速數(shù)據(jù)速率，同時支持最高為230 400 kb/s的串口波特率[4]。GPS模塊采用瑞士U-BLOX公司新推出的第4代定位模塊TIM-4H，通過串口與主控芯片連接。該GPS接收器的特點在于靈敏度高、功耗低、跟蹤靈敏度達-158 dBm，使定位范圍擴展到傳統(tǒng)GPS系統(tǒng)不能覆蓋的地方，定位精度半徑可達2.5 m。該模塊集成度很高，大小為25.4 mm×25.4 mm，高度只有3 mm。GPS模塊以異步串行通信(UART)方式與處理器芯片MSP430F149進行數(shù)據(jù)交換，使用時將TIM-4H提供的串口TxD1和RxD1分別接至MSP430F149的UTxD1引腳和URxD1引腳。通信信號須通過上拉電阻接至+3.3V，用以提高電平滿足芯片正常工作的需要。對于沒有使用的串口TxD2和RxD2，RxD2為輸入信號，須用上拉電阻接至高電平，TxD2為輸出信號，可直接置空。RF_IN(射頻輸入引腳)連接到天線。VCC_RF(RF輸出電壓)經(jīng)過RC退耦電路進行濾波，得到相對穩(wěn)定的電壓輸入，V_ANT引腳提供天線的偏電壓[5]。

2.4 PC機集中心電監(jiān)控中心

PC機集中心電監(jiān)控中心主要功能模塊如圖1所示。心電數(shù)據(jù)接收模塊實時接收各心電監(jiān)護終端傳送的心電數(shù)據(jù)；心電數(shù)據(jù)存儲模塊實時存儲各心電監(jiān)護終端傳送的心電數(shù)據(jù)；心電數(shù)據(jù)分析模塊實時分析各心電監(jiān)護終端傳送的心電數(shù)據(jù)；心電波形顯示模塊用于實時顯示各心電監(jiān)護終端傳送的心電監(jiān)測波形信號；心電異常報警模塊用于實時對各心電監(jiān)護終端傳送的異常心電監(jiān)測信號進行聲光報警，即二級報警；心電波形回放模塊用于醫(yī)生提取病人歷史心電信息，進行病情分析；定位信息顯示用于顯示心電異常病人的具體位置。

3 監(jiān)護定位終端主要程序流程圖

監(jiān)護定位終端主要程序流程圖如圖6所示。

4 實驗結(jié)果

對該遠程心電監(jiān)護定位系統(tǒng)的實驗表明，CDMA網(wǎng)絡(luò)較快的分組數(shù)據(jù)傳輸能力為心電數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)護中心提供了保證。移動終端向監(jiān)護中心傳遞的心電數(shù)據(jù)包基本不會發(fā)生掉包現(xiàn)象，通過測試，即使最惡劣的情況下，當網(wǎng)絡(luò)信號很不穩(wěn)定時，通過應(yīng)用層所設(shè)計的協(xié)議中合理的重傳機制，也能及時地把心電數(shù)據(jù)包傳送到監(jiān)護中心，保證監(jiān)護中心能夠做到實時獲取病人的心電情況。監(jiān)護中心和移動終端之間的各項雙向交互的通信協(xié)議也能穩(wěn)定有效地實現(xiàn)。當病人發(fā)生危險時，借助GPS定位技術(shù)監(jiān)護中心能及時有效地獲取病人的地理位置，為醫(yī)院采取下一步的醫(yī)療措施提供了重要支持。

5 系統(tǒng)特點

本系統(tǒng)具有以下特點:

(1)定位功能。該遠程心電監(jiān)護定位系統(tǒng)采用GPS技術(shù)對心電異常病人實時定位,使得控制中心可以對急救車輛隨時進行調(diào)度和指揮,縮短了救助病人的時間。系統(tǒng)的實現(xiàn)從施救的時間性、決策的有效性、管理的科學性等方面都有了大幅度提高，解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)中存在的弊端。

(2)兩級報警。第一級報警，即心電探測終端報警，用于及時通知病人和病人身邊的照看人員得知病情而及時搶救治療。第二級報警，即PC機集中監(jiān)控中心報警，用于及時通知醫(yī)護人員進行搶救治療。兩級報警，提高了搶救治療的實時性和可靠性。

本文所述的基于GPS的遠程心電監(jiān)護定位系統(tǒng)，能夠?qū)Σ∪说男碾娗闆r進行實時采集和存儲記錄，實現(xiàn)了病人身上的監(jiān)護終端與醫(yī)院監(jiān)護中心之間的雙向交互。通過CDMA快速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力，監(jiān)護中心能夠有效獲取病人的心電數(shù)據(jù)，使醫(yī)生能夠遠程實時分析病人的心電情況。借助于GPS定位技術(shù)，當病人發(fā)病時，能及時定位病人所在具體位置，以便急救中心對病人及時的進行救助。實時監(jiān)控心電圖，早期發(fā)現(xiàn)心電異常變化，并贏得及時的救治時間，對心血管疾病患者具有重要意義。

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