摘 要：通過對遠程心電監(jiān)測技術的研究，設計了以MSP430單片機為控制核心的遠程心電監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將采集到的患者的心電信號進行放大濾波處理，并將處理好的信號通過GPRS無線傳輸模塊發(fā)送至醫(yī)院監(jiān)護中心，由監(jiān)護中心對接收到的心電信號進行診斷和分類存儲，從而實現(xiàn)了心電信號的實時采集和遠程傳輸，具有便攜、低功耗、實時、智能化等特點。

關鍵詞：遠程心電監(jiān)測；MSP430；GPRS；無線傳輸

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2008)1510704

Research and Design of ECG Telemonitoring System

LI Jing1，LIU Zhigui1，LI Bin2

(1.School of Information Engineering，Southwest University of Science Technology，Mianyang，621010，China；

2.Anyang Normal University，Anyang，455000，China)

Abstract：Through researching the ECG telemonitoring technology，this paper designs a ECG Telemonitoring system.This system is controlled by MSP430 single chip computer，which amplifies and filters the patient′s ECG signals and sends datas to hospital with GPRS wireless transmission module.Hospital center diagnoses and stores the ECG signals.It implements the real-time acquisition and long distance transmission of ECG datas.This system is very portable，low-power，real-time and intelligent.

Keywords：ECG telemonitoring；MSP430；GPRS；wireless transmission

作為心臟病臨床檢查的常規(guī)方法，心電圖具有無創(chuàng)傷、操作簡單、出圖快等特點，對于各種心

律失常和傳導障礙的診斷具有決定性作用。隨著計算機網(wǎng)絡、通信等相關技術的迅速發(fā)展，心電圖檢測技術也逐漸應用到遠程醫(yī)療領域中來，使得醫(yī)院為心臟病患者的遠程保健服務成為可能^［1］。截至目前，國內已經(jīng)研發(fā)出了通過固定電話傳輸心電信號的心電傳輸系統(tǒng)，由于干擾大、成本較高，并未應用于臨床。為此，本文將研究設計一種低成本、低功耗、攜帶方便的無線遠程心電監(jiān)測系統(tǒng)，從而為心臟病患者提供方便的遠程心電監(jiān)測服務功能。

1 系統(tǒng)概述

遠程心電監(jiān)測系統(tǒng)由心電檢測終端、無線通信網(wǎng)絡、醫(yī)院監(jiān)護中心組成，結構框圖如圖1所示。

心電檢測終端用來采集和檢測患者的心電信號，然后通過GPRS無線網(wǎng)絡傳輸?shù)结t(yī)院監(jiān)護中心，醫(yī)院監(jiān)護中心的上位機通過網(wǎng)絡接收到心電數(shù)據(jù)后，醫(yī)生可以運用上位機中的心電分析軟件對患者的心電信號進行分析和分類存儲。該心電檢測終端也可以通過RS 232串口將心電數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)接嬎銠C中。

2 系統(tǒng)硬件設計

為設計一款體積小、功耗低、處理速度高的心電檢測終端，本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F449單片機作為微處理器，該單片機的工作電壓在1.8~3.6 V之間；當工作在1 MHz，2.2 V活動模式狀態(tài)時，電流才為280 μ??；帶有內部參考源、采樣保持、自動掃描特性的12位A/D轉換器；串行通信軟件有異步UART和同步SPI兩種模式可選^［2］。該單片機具有豐富的片內外設和大容量的片內工作寄存器和存儲器，為電路的設計節(jié)省不少空間。

本系統(tǒng)的硬件主要包括心電信號采集模塊、RS 232通信模塊和GPRS傳輸模塊。

2.1 心電信號采集模塊

心電信號是十分微弱的低頻信號，幅值為0.5~4 mV，頻率為0.05~100 Hz，在檢測過程中還混雜有其他生物信號、50 Hz工頻干擾以及周圍電器設備所帶來的干擾。因此心電信號的采集方法就由信號提取、信號放大、信號濾波和信號處理組成，如圖2所示。

2.1.1 心電前置放大電路

心電信號經(jīng)電極采集后，首先要進行電壓放大，電壓放大器一般由兩級組成，前級放大采用微功耗儀表放大器AD620芯片，AD620具有高共模抑制比(CMRR)、高輸入阻抗、低功耗、低噪聲和低輸入偏置電流等特點，其最大輸出電流僅為 1.3 mA。通

過調節(jié)1腳和8腳間電阻R_g阻值可設置增益為1~1 000，增益的計算公式為：G=49.4 kΩ/R_g+1 。為防止AD620工作于飽和區(qū)或截止區(qū)，前級增益不易太大，因此設計第一級的放大倍數(shù)為10倍。前置放大電路如圖3所示。

其中，緩沖輸入級用雙向并聯(lián)二極管限制緩沖放大器兩輸入端之間的電壓不超過+5.7 V，起低壓保護作用。100 kΩ電阻和150 pF電容構成無源低通濾波器，抑制高頻干擾。

2.1.2 濾波電路

在心電信號的采集過程中，必然會夾雜著高頻干擾、低頻干擾和50 Hz的工頻干擾，因此，心電信號的濾波電路是必不可少的。本系統(tǒng)采用二階有源濾波電路來濾除0.03 Hz以下和100 Hz以上的低高頻噪聲，同時采用經(jīng)典的雙T有源陷波電路和軟件方法共同濾除50 Hz工頻干擾。

2.1.3 主放大隔離電路和電平抬升電路

后級放大部分需再放大10倍，才能符合A/D轉換所需的電壓范圍。此外，在主放大電路部分采用了線性光電隔離放大器ISO130，對心電信號進行隔離并放大，從而對心電信號的A/D轉換和數(shù)字濾波起到良好的隔離效果^［3］。

心電信號經(jīng)過100倍的放大，最高幅值為0.4 V，而A/D的輸入范圍為0~2.5 V，采取電平抬升電路采用加法電路，將1.2 V作為中間參考值，所以放大后的心電信號疊加參考電壓1.2 V后大小為(1.2+0.8)V，正好在A/D的模擬輸入信號范圍內，此時已消除心電信號中的負值部分，輸出信號即可傳入MSP430單片機進行A/D轉換和數(shù)字濾波處理。

后級放大電路和電平抬升電路如圖4所示。

2.2 GPRS傳輸模塊

檢測終端采集到的心電信號通過MSP430單片機進行信號處理后，可以通過GPRS模塊傳輸?shù)竭h端的醫(yī)療中心，為醫(yī)生提供患者的心電數(shù)據(jù)。GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業(yè)務的簡稱。GPRS是GSM Phase2.1規(guī)范實現(xiàn)的內容之一，能提供比現(xiàn)有GSM網(wǎng)9.6 kb/s更高的數(shù)據(jù)率。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結構、無線調制標準、跳頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結構。

本系統(tǒng)采用西門子公司的MC35i模塊，它具有TC35i的全部功能并且很容易集成。該GPRS模塊接收速率可以達到86.20 kb/s，發(fā)送速率可以達到21.5 kb/s。模塊的工作電壓為3.3~4.8 V，支持EGSM900和GSM1800雙頻工作段，采用GPRS分時復用的Class 8的標準，同時支持數(shù)字、語音、短消息和傳真^［4］。

MC35i模塊有40個引腳，通過一個ZIF(Zero insertionForce，零阻力插座)連接器引出。這40個引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。MSP430單片機通過RS 232接口和MC35i模塊連接，進而實現(xiàn)單片機和MC35i模塊的通信。

2.3 RS 232通信模塊

單片機也可以通過RS 232串口將心電信號直接傳輸?shù)接嬎銠C中。單片機和PC機的通信，需要RS 232驅動芯片來實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用SP3220驅動芯片，該芯片是一款低功耗寬電壓供電的通信芯片，可以完成TTL電平與RS 232電平之間的轉換及串口通信，上傳速率可高達235 kb/s。我們通過設計接口電路和對SP3220的軟件驅動，進而實現(xiàn)心電信號的本地傳輸。

如圖6所示，通過一個上拉電阻將SHDN管腳拉高，使該芯片一直處于工作狀態(tài)。如果系統(tǒng)需要處于低功耗狀態(tài)，也可以通過單片機來控制該管腳，工作的時候將該管腳設置為低電平，需要處于低功耗的時候將該管腳設置為高電平，這樣就易于控制。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 模數(shù)轉換和數(shù)字濾波

由于前端采集的模擬信號，需要將模擬信號轉換成數(shù)字信號，才能對心電信號進行數(shù)字濾波和傳輸。本系統(tǒng)采用MSP430F449單片機自帶的高速12位逐次逼近型A/D轉換器，采用單通道、單次轉換和定時器觸發(fā)的工作方式對心電信號進行模數(shù)轉換，采樣頻率設置為250 Hz。

小波變換是20世紀80年代發(fā)展起來的一種良好的時頻定位方法，是由短時傅里葉變換演變而來的，具有視頻局部化的特性。它在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率。小波變換的這些特性比較適合處理心電信號^［5］。

因此，本系統(tǒng)采用小波變換的快速算法Mallat算法，對心電信號進行分解，閾值去噪和重構，從而實現(xiàn)信號的濾波功能。在具體的Mallat算法進行濾波實驗中，對各級濾波器運用了補零運算的方法，既避免了信息的冗余，又加快了運算的速度^［6］。由于分解尺度可調，在程序中，經(jīng)過反復實驗分析，最終確定分解尺度為3級，閾值去噪后進入信號重構模塊和UART口，進行信號傳輸。

3.2 GPRS通信模塊軟件設計

本系統(tǒng)采用的GPRS模塊已嵌入TCP/IP協(xié)議棧，無需再編制程序實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，單片機就能通過 AT/AT+i命令來控制GPRS模塊，其中 AT命令用來控制MC35i通訊模塊(modem)、AT+i命令用來和協(xié)議棧進行通信。

由于是利用GPRS基于IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸方式，所以對GPRS模塊主要使用AT+i命令進行控制。單片機MSP430F449通過RS 232接口向模塊發(fā)送相應的AT+i命令對GPRS模塊進行初始化、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)等控制。

GPRS模塊初始化命令：

AT+IPR=19200;//波特率設為19200bps，默認值為9600bps；

AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”；//GPRS接入網(wǎng)關；

ATD*99***1#；//獲取Internet網(wǎng)的動態(tài)IP地址^［7］。

MSP430單片機將要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS模塊串口緩沖中，GPRS模塊將數(shù)據(jù)打成IP包，經(jīng)GPRS空中接口接入無線GPRS網(wǎng)絡，由移動服務商轉接到Internet，最終通過各種網(wǎng)關和路由到達醫(yī)院遠程監(jiān)控中心。監(jiān)控中心的計算機需要有固定的IP，主要應用Winsock控件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，并通過UDP或TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換^［8］。

3.3 監(jiān)控中心軟件設計

本系統(tǒng)采用VC來編寫監(jiān)控中心的接收和顯示軟件，該軟件用來接收和顯示GPRS模塊發(fā)送過來的心電信號。因此，需設計成一個可視化的監(jiān)控界面，而且監(jiān)控中心的計算機需要有固定的IP地址，才能方便接收患者發(fā)送過來的心電數(shù)據(jù)。VC中的Winsock控件有效屏蔽對Windows套接字的低層操作，可方便地建立起網(wǎng)絡中任意兩個具有惟一IP地址節(jié)點間的連接，并通過UDP或者TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換。

該監(jiān)控中心軟件由五部分組成：Socket初始化、數(shù)據(jù)接收、心電波形的顯示、數(shù)據(jù)分類和存儲以及GPRS模塊遠程遙控命令的發(fā)送。

4 結 語

本文介紹了運用MSP430單片機和MC35i通信模塊實現(xiàn)的一種無線遠程心電監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有便攜性、低功耗、高性能、實時傳輸?shù)忍攸c。其中，信號采集部分用小波變換方法對心電信號進行濾波，處理過的心電信號更有助于醫(yī)生查看和診斷；GPRS模塊是當前應用較普遍的無線通信模塊，在數(shù)據(jù)傳輸和Internet網(wǎng)絡連接上的性能更加優(yōu)越，適合用于心電信號的遠程傳輸和監(jiān)測。該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)心電信號的遠程傳輸功能，還能將心電信號傳輸?shù)奖镜氐挠嬎銠C上，實現(xiàn)本地顯示功能。同時，隨著檢測技術和網(wǎng)絡通信技術的不斷發(fā)展，心電信號的遠程監(jiān)測技術也將不斷改進和完善，為患者和醫(yī)生都帶來更大的幫助。

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作者簡介 李 婧 女，1982年出生，河南人，西南科技大學在讀碩士研究生。主要從事生物醫(yī)學信號采集和處理方向的研究。

劉知貴 男，1966年出生，四川綿陽人，教授，博士生導師。主要從事自動控制理論、計算機技術及其應用研究。

李 彬 男，1981年出生，河南人，安陽師范學院電信系教師。