基于3G網(wǎng)絡的便攜式心電圖儀

李涵軒 吳潤芳 蘇健強

【摘要】 目的：應對目前心電監(jiān)控設備的笨重、昂貴等缺點，設計了一個具有無線傳輸數(shù)據(jù)的心電圖儀。方法：本系統(tǒng)基于C/S架構(gòu)，以TI的Cortex M4作為主控制器，采用單導聯(lián)心電采集模塊BMD101，通過中興的MF210 3G模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸，終端將心電數(shù)據(jù)實時發(fā)送到醫(yī)生所在的監(jiān)控端。結(jié)論：大大精簡了用戶心電監(jiān)測的過程，醫(yī)生根據(jù)波形分析用戶的健康狀況并能及時反饋。

【關鍵詞】 3G 心電圖儀 實時傳輸

Portable ECG-based 3G networks Li Han-xuan，Wu Run-fang，Su Jian-qiang Nanjing University of Posts and Telecommunications

Abstract：Objective： To deal with the current ECG monitoring equipment， bulky， expensive and other shortcomings， has designed a wireless transmission of ECG data. Methods： This system is based on C / S architecture to TIs Cortex M4 as the main controller， a single lead ECG acquisition module BMD101， by ZTE MF210 3G module implements the transmission of data in real-time ECG data terminal will be sent to the where doctors monitoring client. Conclusion： greatly streamlined the user ECG monitoring process， based on waveform analysis doctor health of users and timely feedback.

Key words：3G；ECG；Real-time transmission

隨著社會的進步和生活水平的逐步提高，以及我國人口老齡化程度越來越嚴重，心臟病一類的疾病率不斷攀升，嚴重影響人們的身體健康，成為威脅人類健康的第一因素。而心電圖對于心臟基本功能及其病理的研究，具有重要的參考價值?，F(xiàn)有的常規(guī)心電監(jiān)護設備具有體積笨重，價格昂貴，不便于攜帶的局限性。一個具有無線傳輸數(shù)據(jù)的心電圖儀不僅便于攜帶，并且還提高了醫(yī)師及時獲得病人心電圖的效率，有助于跟蹤到位地治療，進行病情診治。目前國內(nèi)3G網(wǎng)絡已經(jīng)相對比較成熟，覆蓋范圍廣，相對于2G網(wǎng)絡，3G網(wǎng)絡提供數(shù)據(jù)傳輸速率大為提高，適合心電圖檢測這樣的應用場合[1]。

一、總體結(jié)構(gòu)設計

圖1描述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)基于C/S的架構(gòu)，用戶為客戶端，醫(yī)生為服務器端。客戶端由心電采集端，主控制器，3G模塊等組成；服務器端則是安裝了用LabVIEW編寫的上位機軟件，可以讀取網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)并且繪成心電圖顯示在屏幕上，還能看到用戶的心率、手機號等分析數(shù)據(jù)，方便醫(yī)生及時聯(lián)系用戶。工作的流程為心電采集端采集用戶的心電數(shù)據(jù)，主控板通過串口讀取數(shù)據(jù)并用AT指令讓3G模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送給服務器端，服務器端接收到數(shù)據(jù)后分析處理，將各種有用信息顯示在屏幕上。

二、客戶端

2.1心電信號采集模塊

人體心電信號具有如下特點：（1）具有近場檢測的特點，離開人體表微小的距離就基本檢測不到信號（2）心電信號通常比較弱，一般在0.001-5mV（3）屬于低頻信號，且能量主要在100hz以下（4）干擾特別強，有來自生物體內(nèi)的肌電干擾、呼吸干擾等；也有來自生物體外的工頻干擾等。針對上述特點，就需要采集端前級放大電路有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移等特性；采用帶通濾波器濾除100hz以上的高頻噪聲和0.03hz以下的因呼吸等引起的基線偏移；引入補償電路來抵消人體信號源中的干擾；最后加入50hz的陷波器來濾除工頻干擾。由此，我們選擇了BMD101心電模塊用于采集心電信號，這個模塊的優(yōu)勢在于功耗小，尺寸小，單導聯(lián)采集信號，可用金屬干性電極，也可以使用一次性的凝膠型濕性電極。該模塊將濾波后的信號通過串口發(fā)送出來，還能由內(nèi)部芯片計算出心率和心率變異性（RR間期）[2]，我們只需要通過主控讀取數(shù)據(jù)即可。

2.2主控制器

本系統(tǒng)以TI的Cortex M4系列的TM4C123G為中心處理單元，此ARM有強的數(shù)據(jù)處理能力、多串口通信接口以及簡明的編譯環(huán)境。圖2為主控的程序流程圖，單片機首先需要檢測與3G模塊的通信是否正常，然后去配置各項聯(lián)網(wǎng)的步驟，并且需要等到3G模塊回復OK信號才能繼續(xù)下一步的操作。等到成功連接遠端服務器的時候，主控開始讀取心電模塊的數(shù)據(jù)，然后處理為3G模塊所需的格式發(fā)送出去。

2.3 MF210 3G模塊

3G模塊需要一張SIM卡，在國內(nèi)的3G網(wǎng)絡中，聯(lián)通3G的H網(wǎng)標準速率達到14.4Mbps，接近2M/s的速率足夠心電數(shù)據(jù)的傳輸需求[3]。由此，我們選擇了中興MF210 3G模塊，這款模塊是適用于聯(lián)通3G的，控制方便，采用串口和主控通信，通過給3G模塊發(fā)送AT指令去控制它設置APN網(wǎng)絡（AT+CGDCONT=1）、激活連接（AT+ZIPCALL=1）、連接遠程服務器（AT+ZIPOPEN=1，0，IP，PORT）、發(fā)送數(shù)據(jù)（AT+ZIPSEND=1，DATA）等。與其他的C/S架構(gòu)系統(tǒng)相同，我們在服務器端用Socket建立了TCP Sever，然后用3G模塊去連接這個服務器，就能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。不過由于模塊本身的原因，它只能夠發(fā)送一個字符的ASCII碼，所以我們需要讓主控把數(shù)據(jù)拆開發(fā)送，這就降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩瑢е掠行┬诺啦缓玫臅r候，數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生延遲。

三、服務器端

服務器端，必然需要建立一個TCP Sever，然后等待3G模塊的連接，當沒有連接的時候，屏幕的上什么都沒有；當3G模塊連接的時候，但沒有心電信號的時候，屏幕上會顯示一條直線；當有心電信號的時候，才會顯示心電的波形、用戶的心率、電話號碼等信息。從3G模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，我們做了簡單的包裝處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式，這樣，如果在服務器端收到的不是這種格式的數(shù)據(jù)，那么久視為無用數(shù)據(jù)，這也大大增強了醫(yī)生對于用戶身體健康的準確判斷。我們還在界面上顯示用戶的電話，可以方便醫(yī)生及時通知用戶的身體健康。界面中的心率和RR間期也是很重要的參數(shù)，

RR=（Rn-R1）/（n-1）/smp（采樣率），

Rate（心率）=60/RR，

正常人的心率在60-100次/min之間，心率可以反映某些疾病的出現(xiàn)例如竇性心律失常，異位心動過速，房撲與房顫等。目前，我們的服務器端只能觀察一個人的心電波形和信息，但是距離實現(xiàn)多人實時監(jiān)測不會遠了。

四、總結(jié)

本文設計了一種無線便攜式的心電模塊，主要面向那些關注身體健康或者身體患有心臟疾病的用戶，讓他們足不出戶，不用排隊掛號，就能做心電圖，并且在第一時刻得知自己的身體狀況。

我們還做了客戶端的上位機軟件，讓那些自己就看的懂心電圖的人省去將數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)生那里的過程。本設備在不久的將來也許會得到更多人的關注，因為到那時候，會有更多的人關注自己的身體，而不再是一味的追求財富和地位。而且我們還可以賦予它更多的功能，以真正滿足各種人群的需求。

參 考 文 獻

[1] 白冰，張躍，萬里. 基于ARM的遠程實時心電監(jiān)護儀軟件設計實現(xiàn)[J]. 計算機工程與設計. 2009（12）

[2] 趙文哲，方濱，沈毅，王普. 心電信號中R波檢測方法的比較研究[J]. 生物醫(yī)學工程學雜志. 2009（01）

[3] 周拓，葛鑫，楊翠微，鄔小玫，方祖祥. 用于遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)的心電信號自動分析和診斷方法[J]. 中國醫(yī)療器械雜志. 2009（03）

[4] 汪 明. 基于 ARM7 的遠程心電監(jiān)護終端設計與實現(xiàn) [D] .南京：南京理工大學， 2009

[5] 趙文哲，方濱，沈毅，王普. 心電信號中R波檢測方法的比較研究[J]. 生物醫(yī)學工程學雜志. 2009（01）

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