基于無(wú)線(xiàn)通信的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李偉++楊艷++陳萬(wàn)++唐松

摘 要：設(shè)計(jì)了基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)方便醫(yī)生實(shí)時(shí)了解病人的身體狀況，患者可以得到及時(shí)、準(zhǔn)確的醫(yī)療救護(hù)。系統(tǒng)中應(yīng)用了性能優(yōu)化的CC2530芯片，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式，完成心電信號(hào)的監(jiān)護(hù)。最后經(jīng)過(guò)通過(guò)仿真測(cè)試，證明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：心電信號(hào) 無(wú)線(xiàn)通信 監(jiān)護(hù)系統(tǒng) CC2530

中圖分類(lèi)號(hào)：R540.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）09（b）0035-02

心血管疾病的死亡數(shù)字令人心驚，如果得心血管疾病的人都住院，在很大程度上浪費(fèi)資源。因?yàn)楹芏嗳艘粌赡甓疾粫?huì)突發(fā)疾病，而且醫(yī)院沒(méi)那么多資源去應(yīng)對(duì)，所以就很有必要實(shí)現(xiàn)一種個(gè)人心血管疾病監(jiān)護(hù)的儀器，可以隨身攜帶，基于無(wú)線(xiàn)傳輸，和醫(yī)院系統(tǒng)或者監(jiān)護(hù)人相連。現(xiàn)在的電子設(shè)備越做越小，功能越來(lái)越強(qiáng)大，無(wú)線(xiàn)通信方面也越發(fā)成熟，就為實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用提供了技術(shù)條件。

臨床醫(yī)學(xué)中，用于對(duì)各種心律失常、心室心房肥大、心肌梗死和心肌缺血等病癥檢查的最主要手段就是心電圖檢測(cè)。心電醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)π呐K生理和病理狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)和監(jiān)視，當(dāng)病人的生理機(jī)能參數(shù)超出設(shè)定數(shù)值時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒醫(yī)護(hù)人員或家屬進(jìn)行搶救。然而，傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是建立在有線(xiàn)連接基礎(chǔ)上的，體積大，不便攜帶，要求在病人身邊使用，限制了病人和醫(yī)護(hù)人員的行動(dòng)，增加了他們的負(fù)擔(dān)和風(fēng)險(xiǎn)。動(dòng)態(tài)心電圖監(jiān)護(hù)系統(tǒng)則成本昂貴，不便推廣應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)和研制一種體積小，成本低、功耗小的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，將無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)與便攜醫(yī)療設(shè)備結(jié)合起來(lái)，是低成本醫(yī)療的發(fā)展與與個(gè)人健康管理的先進(jìn)理念[1]-[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的硬件總體框圖1如下所示，由心電采集模塊、信號(hào)發(fā)送模塊、信號(hào)接收模塊組成。通過(guò)導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)獲得微弱的心電信號(hào)經(jīng)心電采集模塊進(jìn)行多次放大、過(guò)濾，再通過(guò)信號(hào)發(fā)送與接收模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞，最后由接收模塊通過(guò)RS-232串口傳給電腦，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的觀(guān)測(cè)與存儲(chǔ)。

1.1 信號(hào)采集模塊

心電信號(hào)屬于低頻、微弱和強(qiáng)噪聲背景下的自然信號(hào)，為了提取有用的心電信號(hào)，使得前置放大電路應(yīng)具有高共模擬制比、高輸入阻抗、低噪聲和低溫漂等特點(diǎn)。為了更進(jìn)一步提高前置放大電路的共模擬制效果，采用了右腿驅(qū)動(dòng)電路。心電信號(hào)的頻帶范圍主要分布在0.05～100 Hz，為了在復(fù)雜的信號(hào)中提取出有用的心電信號(hào)，采用了四階低通濾波器和二階高通濾波器。雖然前置放大電路對(duì)共模干擾有很強(qiáng)的抑制作用，但是仍有小部分50 Hz的干擾信號(hào)沒(méi)有被濾除，再加上外界干擾和不可避免的因素存在，使得提取的有用信號(hào)中仍然有較強(qiáng)的50 Hz工頻干擾，因此設(shè)計(jì)了50 Hz陷波器。此時(shí)為了后期對(duì)提取的有用心電信號(hào)進(jìn)一步處理，符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，需要進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，采用了二級(jí)放大電路。其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 信號(hào)的控制與傳輸

信號(hào)的接受與發(fā)送采用的是TI公司經(jīng)過(guò)幾次優(yōu)化的CC2530，該芯片適應(yīng)于2.4GHz IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器，具有極高的接受靈敏度和抗干擾能力，可編程的輸出功率高達(dá)4.5 dBm，且連接簡(jiǎn)單，外電路只需接少量器件即可。微控制器選用的是MSP430F149用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)收發(fā)狀態(tài)信息的讀寫(xiě)。

1.3 電源供電模塊

電源是各個(gè)模塊必不可少的部分，各個(gè)模塊所使用的電壓也有所不同，本次設(shè)計(jì)包括信號(hào)采集模塊電源設(shè)計(jì)、信號(hào)發(fā)送模塊電源設(shè)計(jì)、信號(hào)接收模塊設(shè)計(jì)和串口的電平轉(zhuǎn)換模塊。其中信號(hào)采集模塊使用的運(yùn)放有AD627、OPA333和OPA2333，其所需電壓為-3.3 V，信號(hào)發(fā)射與接收模塊采用芯片MSP430F149、CC2530F64，所需電壓為+3.3 V。可以用三節(jié)干電池（4.5 V）來(lái)供電，對(duì)其進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

（1）對(duì)運(yùn)放AD627、OPA333和OPA2333而言，需要將4.5 V轉(zhuǎn)換為-3.3 V，所采用的是ADM660芯片，可外加少量的器件即可實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)單易行。對(duì)MSP430F149、CC2530F64需要將4.5 V轉(zhuǎn)換為+3.3 V，可用電荷泵MAX1759實(shí)現(xiàn)。具體電路圖如圖3所示：

（2）信號(hào)接收模塊需要與電腦連接，從電腦端口的USB接口獲取+5 V的電壓，需要將5V電壓轉(zhuǎn)化為+3.3 V電壓，才能使單片機(jī)正常工作，本次設(shè)計(jì)采用芯片LM1117實(shí)現(xiàn)。

（3）接收器接收的信號(hào)要通過(guò)RS-232串口傳給電腦，但串口的TXD和RXD的電平為正負(fù)3伏到正負(fù)15伏之間，而單片機(jī)的輸出電平為0～+3V之間。必須要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，可用芯片MAX3232PCE來(lái)實(shí)現(xiàn)，該芯片所需電壓為5伏，可直接由電腦USB接口供電且只需接少量器件即可實(shí)現(xiàn)[3]-[4]。

2 軟件設(shè)計(jì)

（1）選用CC2530芯片具有低功耗的特點(diǎn)，采集到的心電信號(hào)通過(guò)串口通信，用Labview進(jìn)行分析。由于Labview具有的高效率的信號(hào)處理模塊和友好的可操作界面。如下圖的心電信號(hào)采集登錄系統(tǒng)界面。

（2）Labview具有眾多圖形化的通信模塊和信號(hào)的采集、分析、處理等方便簡(jiǎn)潔[7]?？梢詼p少電路的外圍器件，提高電路的穩(wěn)定性和可靠性，另外labview還具有對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行有效的保存和回放功能，可以方便醫(yī)療人員隨時(shí)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行查看比對(duì)。

3 結(jié)論

本文主要設(shè)計(jì)了基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中硬件部分包括信號(hào)采集、濾波、放大、處理、發(fā)設(shè)、接收等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了多次仿真測(cè)試、結(jié)果表明該心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能夠正確采集、存諸、處理心電信號(hào)。使得醫(yī)生能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地了解患者心臟的活動(dòng)狀況，能夠在突發(fā)時(shí)刻采取相應(yīng)的措施，以減少死亡率。

參考文獻(xiàn)

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