基于GPRS的便攜式無線心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)

戴真楨

（浙江省立同德醫(yī)院 設(shè)備科，浙江杭州 310012）

基于GPRS的便攜式無線心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)

戴真楨

（浙江省立同德醫(yī)院 設(shè)備科，浙江杭州 310012）

將心電圖儀和無線傳輸模塊GPRS集成，設(shè)計(jì)一種便攜式無線心電監(jiān)護(hù)儀，實(shí)現(xiàn)對心臟病人的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。

便攜式心電監(jiān)護(hù)儀；遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)；GPRS

TH772+.2

A

0 前言

21世紀(jì)我國將面臨人口眾多、交通擁擠、醫(yī)院容量有限等一系列嚴(yán)重的社會問題，遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展已成為醫(yī)療領(lǐng)域的熱門話題，它可望為我們提供一個(gè)緩解上述問題的有效途徑[1]。我們知道人體心臟是疾病的高發(fā)部位，心臟病是威脅人生命安全的一種常見病癥，它可能在沒有任何前期反應(yīng)時(shí)突然發(fā)作。在1999年全球因心臟疾病而死亡的比率為30%[2]，特別是一些老年人，一般患有慢性疾病，心臟狀況需要監(jiān)控。隨著科技的不斷創(chuàng)新發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)研制出許多種可移動心電監(jiān)護(hù)儀，但是這些心電監(jiān)護(hù)儀大多數(shù)是點(diǎn)式可移動設(shè)備，是最簡單的遠(yuǎn)程醫(yī)療形式，其工作原理是：在特定時(shí)間或按下信號按鈕“時(shí)間記錄”后，對病人進(jìn)行記錄，然后通過公共電話網(wǎng)絡(luò)(Public telephone network，PTN)將這些記錄傳送到控制中心[3、4]。考慮到許多病人發(fā)病不是在特定時(shí)期內(nèi)，病人需要進(jìn)行不間斷監(jiān)護(hù)，我們決定結(jié)合當(dāng)前移動通信系統(tǒng)，研究一種新型的基于GPRS通信的心電監(jiān)護(hù)儀。這種新型的心電監(jiān)護(hù)儀具有很大的潛力[5-7,8]，能夠?qū)崿F(xiàn)病人的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，在情況危急時(shí)可以及時(shí)聯(lián)系醫(yī)療服務(wù)中心。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線心電監(jiān)護(hù)儀由心電信號采集部分、MCU控制部分、人機(jī)接口部分（鍵盤和LCD）、無線通信部分、電源部分等組成。無線心電儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體功能框圖

無線心電監(jiān)護(hù)儀的工作原理如下：人體心電信號經(jīng)過導(dǎo)聯(lián)電極由低噪聲、高輸入阻抗、高增益、高共模抑制比的生物信號前置放大器進(jìn)行放大和濾波，由單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器將模擬心電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并檢測QRS波統(tǒng)計(jì)心率。發(fā)射模塊配備了按鍵輸入；段碼LCD顯示屏顯示心率和模塊工作情況。心電數(shù)據(jù)通過GPRS無線模塊傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行后續(xù)處理。

1.1 心電信號采集與調(diào)理

1.1.1 心電信號前置放大

可采集的心電信號是心臟的動作電位產(chǎn)生的。心壁收縮產(chǎn)生的動作電位將電流從心臟傳遍全身，傳播電流在身體的不同位置產(chǎn)生不同的電位，可由電極通過使用金屬和鹽制成的生物變送器在表皮感應(yīng)到。此電位是一種帶寬為 0.05Hz～100Hz（有時(shí)高達(dá) 1kHz）的 AC 信號。存在更大的外部高頻噪聲加 50Hz/60Hz 干擾的正常模式（與電極信號混合）和共模電壓（所有電極信號共有）時(shí)，它的峰至峰值一般約為1mV。

共模電壓部分由兩個(gè)部分組成：①50Hz 或 60Hz 干擾；② DC 電極偏移電位。生物物理帶寬范圍內(nèi)的其它噪音或更高頻率來自移動偽像，移動偽像會改變皮膚電極接口、肌肉收縮或肌電圖峰值、呼吸（可以是有節(jié)奏的或無節(jié)奏的）、電磁干擾 (EMI) 以及源自輸入耦合的其它電子器件的噪聲。有些噪聲可借助高輸入阻抗儀器放大器 (INA)消除，這種放大器可消除兩種輸入常見的 AC 線路噪聲，并放大輸入中存在的剩余不規(guī)則信號；共模抑制比(CMRR)越高，噪聲抑制就越高。

儀表放大器基本要求：低增益下的穩(wěn)定性（G為1～10）高共模抑制 (CMR) 低輸入偏置電流 (IB)。 在此要求下，選擇使用ANALOG DEVICES公司的儀表放大器AD8221。

AD8221主要有如下特點(diǎn)：具有優(yōu)異的交流特性，共模抑制比高，當(dāng)G為1V/V時(shí)，共模抑制比最小為80dB；優(yōu)異的直流特性，最大輸入失調(diào)電壓為25μV；最大輸入失調(diào)電壓溫漂為0.3μV/℃；最大失調(diào)電流為0.4nA；噪聲非常低，在頻率為0.1Hz～10Hz時(shí)，僅有0.25μV的輸入噪聲；增益可由單一電阻進(jìn)行控制為1～1000V/V。由于AD8221具有低失調(diào)電壓、低失調(diào)電壓溫漂、低增益漂移、高增益精度等特點(diǎn)可廣泛用于精確數(shù)據(jù)采集、生物醫(yī)學(xué)信號分析和航空航天儀器系統(tǒng)中。

1.1.2 心電信號二級放大與濾波

因?yàn)槿梭w的個(gè)性差異及導(dǎo)聯(lián)粘貼的位置不同，采集到的心電信號幅值會有較大差異，所以通過數(shù)字電位器控制前置放大的放大倍數(shù)，使放大后的心電信號有較一致的幅值。數(shù)字電位器選用MAXIM的MAX5413，電阻大小在0～10kΩ可編程控制。

運(yùn)算放大器選用TI的OPA2348，OPA2348是2運(yùn)放，OPA2348具有以下特點(diǎn)：45μA供電電流，軌到軌輸入輸出，2.1到5.5V供電，封裝尺寸也很小，可應(yīng)用于電池供電的便攜式醫(yī)療儀器中。使用OPA2348的一顆運(yùn)放做二級放大和低通濾波，另一顆運(yùn)放做高通濾波，保留.05～100Hz的心電信號。1.2 處理器（MSP430F449）

MSP430通過自帶的ADC采集心電數(shù)據(jù)，監(jiān)控電源，處理按鍵輸入，驅(qū)動LCD顯示，驅(qū)動無線模塊完成無線通信。根據(jù)系統(tǒng)的需要和成本的考慮，選擇MSP430F449。

處理器選擇使用TI的MSP430X4XX系列低功耗微處理器。我們選擇使用MSP430F449，具有60K Flash，2K RAM，工作電壓為 1.8～3.6V，包含集成的 LCD 控制器，在工作模式下電流<1mA，在睡眠模式下電流僅僅有1μA，是手持的低功耗測量和醫(yī)療儀器應(yīng)用的理想選擇。

系統(tǒng)使用MSP430F449的12-Bit A/D 轉(zhuǎn)換器（內(nèi)部參考電壓、采樣保持和自動掃描）采集調(diào)理好的心電信號，采用單通道、單次轉(zhuǎn)換和定時(shí)器觸發(fā)的工作方式對心電信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣頻率設(shè)置為512 Hz。

使用定時(shí)器按采樣頻率的速度在LCD上描點(diǎn)并連接就能得到心電波形?？梢钥吹剑紨?shù)據(jù)的波形還是帶有一些高頻噪聲（如圖2），采用FIR低通濾波濾除高頻噪聲后能夠得到很干凈的心電波形數(shù)據(jù)（如圖3）。最后使用FIR高通濾波，去掉基線漂移可能引起的誤差后，使用閾值探測和時(shí)間窗口得到每分鐘的心率數(shù)據(jù)（如圖4）。

圖2 原始數(shù)據(jù)

圖3 FIR低通濾波后數(shù)據(jù)

圖4 FIR高通濾波后數(shù)據(jù)

1.3 無線發(fā)射模塊

微處理器采集的心電數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)射到遠(yuǎn)程服務(wù)器。微處理器與無線模塊的物理接口為RS232，通過AT命令控制GPRS模塊的應(yīng)用。 無線模塊采用Sony Ericsson的GR47作為主芯片。很多GSM模塊可以通過GSM/GPRS直接接入互聯(lián)網(wǎng)，如果模塊上沒有TCP/IP協(xié)議棧，它則必須在其應(yīng)用或外圍的微處理器中體現(xiàn)。索尼愛立信GR47/48模塊正是一種內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧的模塊之一，為開發(fā)基于GSM/GPRS網(wǎng)的TCP/IP應(yīng)用提供了一套完整工具。其機(jī)對機(jī)通信商業(yè)解決方案(M2mpower Business Solution)是一個(gè)強(qiáng)有力的支持環(huán)境，專為促進(jìn)提高成本效益比率的無線機(jī)對機(jī)應(yīng)用的研發(fā)而設(shè)計(jì)。M2mpower使開發(fā)者通過運(yùn)用特定的開發(fā)工具，能夠更容易地將無線應(yīng)用直接嵌入兼容的索尼愛立信機(jī)對機(jī)產(chǎn)品中。M2mpower與可編程無線器件GR47/48一同被引入，其腳本語言是建立在工業(yè)級ANSI C語言的基礎(chǔ)之上，使開發(fā)者將現(xiàn)有的應(yīng)用可以平滑地轉(zhuǎn)換到M2mpower。

GR47/48模塊具有的功能：其TCP/UDP會話可以通過一個(gè)命令啟動；它還提供為統(tǒng)一資源定位器(URL)查詢IP地址的功能；最有用的特點(diǎn)之一是IP服務(wù)器偵聽功能，該功能允許通信模塊啟動與網(wǎng)絡(luò)的對話，例如，一個(gè)被分配的IP地址無需連接任何部分，只要等待該單元接收一個(gè)基于IP的連接引入請求，即可實(shí)現(xiàn)。

1.4 電源管理

由于GPRS通信消耗較大電流，所以無線心電儀采用三節(jié)NiMH電池輸入。電源管理部分，選用TI的BQ2002T NiMH電池充電管理芯片實(shí)現(xiàn)充電功能；選用TI的TPS61026輸出3.3V電源，使用MAX1687得到負(fù)電源軌。

BQ2002T是TI公司的低價(jià)格、CMOS的電池充電管理芯片，能為多節(jié)NiMH或NiCd電池充電。TPS61026是TI公司的DCDC，具有96%的效率，輸入電壓0.9～5.5V，輸出電壓為3.3V時(shí)，最大輸出電流為1.5A，滿足GPRS通信的需要。

2 結(jié)論及展望

本文介紹了基于GPRS的一種便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)，它將心電圖儀、高效的數(shù)據(jù)處理模塊、GPRS調(diào)制解調(diào)器集中在一起。其優(yōu)點(diǎn)：

(1) 它可對病人進(jìn)行方便、安全、可靠的全程監(jiān)護(hù)。無線通訊采用GPRS網(wǎng)絡(luò)，它具有永遠(yuǎn)在線的特點(diǎn)。無論何時(shí)病人感覺不適或心律異常，他的心電圖信號都會被傳到醫(yī)療中心加以分析。而以前的心電監(jiān)護(hù)儀是無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能的。

(2) 通過這種新型儀器，在接收端,一個(gè)監(jiān)護(hù)站可以同時(shí)監(jiān)護(hù)多個(gè)不同的病人，可以大大提高醫(yī)療工作的效率，提高醫(yī)療資源的利用率。隨著科技的不斷發(fā)展,我們還可以將最新的移動通信技術(shù)3G標(biāo)準(zhǔn)引用到這個(gè)系統(tǒng)中來。這樣,可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣燃翱垢蓴_能力,使得監(jiān)護(hù)效果不斷增強(qiáng)。

當(dāng)然，這套系統(tǒng)還有許多的不足：

(1) 服務(wù)器端工作站軟件的設(shè)計(jì)還需不斷改進(jìn)，尤其是對多用戶的同時(shí)監(jiān)護(hù)及對被監(jiān)護(hù)病人心電波形異常的報(bào)警。

(2) 在服務(wù)器端監(jiān)護(hù)的醫(yī)生的支持還需加強(qiáng)。這套系統(tǒng)暫時(shí)只能做為臨床醫(yī)生的輔助工具，還不能代替醫(yī)生作出診斷。因此，服務(wù)器端醫(yī)生診斷能力的高低及對這套系統(tǒng)的掌握程度直接影響到系統(tǒng)功能的發(fā)揮。

(3) 這套系統(tǒng)是需要大量的配套設(shè)施支持的，以一個(gè)醫(yī)院為單位來運(yùn)行這套系統(tǒng)，可能無法發(fā)揮它的最大功效。

在其他許多文章中，提到過以一個(gè)地區(qū)為單位建立一個(gè)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)中心，將這套系統(tǒng)歸為遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)中心的一部分來運(yùn)作，會有較好的效果。所有這些都是我們在下一步研究工作中要改進(jìn)的地方。相信有一天無線心電監(jiān)護(hù)能為人類戰(zhàn)勝心臟疾病做出重要的貢獻(xiàn)。

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Design of a Portable Wireless Electrocardiogram(ECG) Monitor Based on GPRS

DAI Zhen-zhen
(Equipment Department, Zhejiang Provincial Tongde Hospital,Hangzhou Zhejiang 310012,China)

Design a portable wireless electro-cardiogram monitor by integrating electrocardiograph and wireless transmission module, and realized the real-time monitoring to cardiac patient.

portable wireless electrocardiogram monitor;remote monitoring;GPRS

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.02.008

1674-1633(2010)02-0021-03

2009-05-25

2010-01-07

作者郵箱：hzdzz@163.com