基于GPRS遠(yuǎn)程實時心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要：本文介紹了一種基于GPRS遠(yuǎn)程實時心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，并對針該系統(tǒng)提出了一種設(shè)計方案。醫(yī)療中心可以利用該系統(tǒng)對自己的患者實現(xiàn)實時遠(yuǎn)程的監(jiān)護(hù)，實時收集并分析患者的健康信息，從而對一些有突發(fā)性心血管疾病的患者進(jìn)行及時的救治。

關(guān)鍵詞：GPRS；實時監(jiān)護(hù)；心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)；心血管疾病

中圖分類號：TH772

在現(xiàn)代生活中，隨著人們生活水平的提高、生活節(jié)奏的加快，心血管疾病的發(fā)病率迅速上升，已成為了威脅中老年人群的生命安全的重要因素。并且由于心血管疾病的發(fā)作具有一定的潛在性與突發(fā)性，使很多患者錯過了早期的檢查預(yù)防，在疾病突發(fā)時沒有得到及時的治療。傳統(tǒng)的Holter系統(tǒng)可以在家中對患者進(jìn)行一段時間（24～72小時）的心電活動的記錄，然后返回醫(yī)院由醫(yī)生對心電信息進(jìn)行分析診斷，因此Holter系統(tǒng)有助于人們對于早期的心血管疾病的診斷與治療。但是對于一些患有嚴(yán)重心血管疾病的人群來說，突發(fā)疾病時如果沒有被及時發(fā)現(xiàn)，很可能會錯過了搶救的最佳時間從而造成嚴(yán)重的后果。傳統(tǒng)的Holter系統(tǒng)只能檢測一段時間內(nèi)心電信息，無法實現(xiàn)心電信息的實時分析，不具有心電信號的遠(yuǎn)程傳輸能力。針對以上這些問題，本文介紹了一種遠(yuǎn)程實時心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)來幫助我們實現(xiàn)ECG信息的實時檢測與診斷。GPRS是通用分組業(yè)務(wù)，是一種分組交換系統(tǒng)。GPRS網(wǎng)絡(luò)分布廣泛，不占用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，提供一種低成本、高效的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，具有實時在線的優(yōu)點，適合于間斷的、突發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸，因此我們可以隨時隨地利用GPRS網(wǎng)絡(luò)把病人的ECG數(shù)據(jù)信息通過GPRS模塊傳遞給醫(yī)院的監(jiān)護(hù)中心。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

遠(yuǎn)程實時心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要由以下四個部分組成：（1）用戶端的ECG采集模塊，主要由傳感器電路、信號放大電路、濾波電路組成；（2）微處理單元，由A/D轉(zhuǎn)換電路與微處理器組成；（3）GPRS模塊，由無線發(fā)射接收模塊與GPRS傳輸網(wǎng)絡(luò)組成；（4）監(jiān)護(hù)中心，主要由監(jiān)控中心服務(wù)器，內(nèi)部局域網(wǎng)與服務(wù)數(shù)據(jù)庫組成。

該系統(tǒng)首先將由傳感器采集到的微弱心電信號進(jìn)行放大濾波去除噪聲干擾并且達(dá)到相應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換要求的幅值，信號通過A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)字化處理后送入微處理器，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的儲存，壓縮，加密等處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)由GPRS模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心，醫(yī)院的服務(wù)中心通過查詢數(shù)據(jù)庫便可以實現(xiàn)對監(jiān)護(hù)人信息的查詢了。其中ECG數(shù)據(jù)采集模塊與GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊的建立是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。遠(yuǎn)程實時心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 ECG數(shù)據(jù)采集模塊

2.1 設(shè)計原理

心電信號屬于生物信號，是一種弱電信號，人體心電信號幅度一般不超過mV量級，頻率多集中在0.05-100Hz。心電信號的噪聲干擾主要來自于人體內(nèi)的干擾與來自于人體外的干擾這兩個方面。人體內(nèi)的肌電干擾來源于人體的肌肉顫抖，其產(chǎn)生的毫伏級電勢是一種瞬時的高斯零均值帶限噪聲，主要能量集中在30-300Hz范圍內(nèi)。人體外的工頻干擾是由人體的分布電容引起的一種干擾，由50Hz及其諧波構(gòu)成的一種干擾，干擾信號與心電信號本身頻帶重疊。

由于心電信號有以上這些特點，所以在電路設(shè)計時重點要是抑制信號中的噪聲產(chǎn)生以及利用濾波器對噪聲信號進(jìn)行濾除。

2.2 電路設(shè)計

心電信號是微弱信號（mV量級），而放大器的輸出信號幅度一般在-5V～+5V之間，因此我們選擇放大倍數(shù)在800-1000倍。

ECG數(shù)據(jù)采集模塊包括了心電電極、前置放大電路、帶通濾波電路、50Hz陷波電路、后級放大電路。

圖2 ECG采集電路系統(tǒng)框圖

前級放大電路將心電信號直接放大，而該信號中包含了噪聲信號以及共模信號，因此前級放大器要滿足低噪聲，低漂移，高輸入阻抗，高共模抑制比等特點，前級增益不宜太高，否則干擾信號過強(qiáng)。針對以上要求這里選用AD623運(yùn)放作為前置放大器，其基本電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 AD623簡化原理圖

AD623的增益G是用一個精密電阻（0.1%～1%精度）Rg設(shè)置的。電阻選擇計算公式為Rg=100kΩ/（G-1）。

圖4顯示了對于各種增益下所需的Rg值。

圖4 不同增益下Rg的值

我們利用截止頻率為0.05Hz的高通濾波器以及截止頻率為100Hz的低通濾波器串聯(lián)構(gòu)成所需的帶通濾波器，主要用于去除基線漂移以及去除100Hz以上的高頻成分。

因為心電信號易受到50Hz的工頻干擾，前級的帶通濾波電路難以去除，因此我們在帶通濾波器后級設(shè)置了50Hz雙T陷波器。電路如圖5所示。

圖5 50Hz雙T陷波器電路圖

在圖5中，U0=Uc， ， ，令 ， 對節(jié)點A列KCL方程，得：

（Ui-UA）sC+（Uo-UA）sC=2n（UA-kUo） （1）

同樣，對節(jié)點B列KCL方程，得：

（Ui-UB）n+（Uo-UB）n=2sC（UB-kUo） （2）

同樣，對節(jié)點C列KCL方程，得：

（UA-UO）sC=（UO-UB）n （3）

由式（1）、（2）、（3）可得到電路的傳遞函數(shù)為：

令S=jω， 得：

可得：品質(zhì)因數(shù)

其中心頻率f0的計算公式為：

3 微處理單元的設(shè)計

微處理單元包括了MCU、RAM以及AD轉(zhuǎn)換電路。對預(yù)處理的心電信號進(jìn)行數(shù)字化處理、數(shù)據(jù)的存儲、壓縮和發(fā)送。

德州儀器（TI）的MSC1210單片機(jī)集成了一個增強(qiáng)型8051內(nèi)核，有8路24位高精度∑-△A/D轉(zhuǎn)換器；21個中斷源；16位PWM；全雙工UART（并兼容有SPI功能）；停止方式電流小于1mA；比標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核執(zhí)行速度快3倍且全兼容；片內(nèi)集成32K字節(jié)FLASH，而且FLASH 可定義為程序分區(qū)與數(shù)據(jù)存儲分區(qū)，給設(shè)計帶來非常大的靈活性；片內(nèi)SRAM也多達(dá)1.2K字節(jié)；采用TQFP64小型封裝。由于具有如此高的模擬和數(shù)字集成度，適用于各種要求小體積、高集成度和精確的測量。

4 GPRS模塊

GPRS網(wǎng)絡(luò)基本原理。GPRS是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，支持TCP/IP協(xié)議，可以與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)（Internet等）直接互通。GPRS無線傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用范圍非常廣泛，幾乎可以涵蓋所有的中低業(yè)務(wù)和低速率的數(shù)據(jù)傳輸，尤其適合突發(fā)的小流量數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。GPRS與GSM系統(tǒng)最根本的區(qū)別是，GSM是一種電路交換系統(tǒng)，而GPRS是一種分組交換系統(tǒng)。GSM只能使用短信形式傳送數(shù)據(jù)，無法做到“實時在線”、“按量計費(fèi)”。與GSM比較，GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢，更有效的利用無線網(wǎng)絡(luò)信道資源，特別適用于間歇、非周期數(shù)據(jù)傳輸、少量的數(shù)據(jù)傳輸，較大容量數(shù)據(jù)不頻繁傳輸?shù)取PRS網(wǎng)絡(luò)具有以下特點：（1）接入范圍廣；（2）高速傳輸；（3）實時在線；（4）快捷登陸，只需一個激活的過程，一般只需（3-5）秒的時間馬上就能接入GPRS；（5）按量計費(fèi)。

另外GPRS網(wǎng)絡(luò)支持點對點連接，因此，兩個GPRS監(jiān)護(hù)終端可以經(jīng)由移動網(wǎng)直接連接進(jìn)行通信，可用于患者與醫(yī)生或家屬之間溝通，尚可進(jìn)行患者與監(jiān)護(hù)中心通信。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)是基于GPRS的遠(yuǎn)程實時心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。目前對于普通疾病，人們一般可以及時到附近醫(yī)院就診，但是心血管疾病由于它的突發(fā)性使患者一旦病發(fā)很難立即被發(fā)現(xiàn)，從而錯過了最佳救治時間。本系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字通信技術(shù)建立完善的醫(yī)療信息預(yù)警體系，使患有心血管類疾病的患者處于實時監(jiān)護(hù)下，一旦監(jiān)控中心收集到的信息出現(xiàn)異常立即將患者信息與患者GPS位置信息反饋給救治中心，這樣可以把患者的風(fēng)險降到最低。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃進(jìn)文.一種心電信號采集放大電路的簡單設(shè)計方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009.

[2]王寧.GPRS DTU在能源計量數(shù)據(jù)在線采集中的應(yīng)用[J].中國計量，2013.

作者簡介：王之（1993-），男，主要研究方向：物理與信息工程。

作者單位：福州大學(xué) 物信學(xué)院，福州 350108