馬新江，王洪福，黎芳芳，張燕

1.濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院 國有資產(chǎn)管理處，山東 濱州 256603；2.南昌航空大學(xué) 測試與光電工程學(xué)院，江西 南昌330063

基于ATmega128的無線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)

馬新江1，王洪福1，黎芳芳2，張燕1

1.濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院 國有資產(chǎn)管理處，山東 濱州 256603；2.南昌航空大學(xué) 測試與光電工程學(xué)院，江西 南昌330063

目的 研制一種無線心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可對患者的心電信號進(jìn)行采集、傳輸和處理。方法 該系統(tǒng)主要由監(jiān)護(hù)終端和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。監(jiān)護(hù)終端包括心電信號采集模塊和無線收發(fā)模塊，由患者隨身攜帶，負(fù)責(zé)采集和無線傳送心電信號；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由無線收發(fā)模塊和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)接收心電信號，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示。結(jié)果 在明視距離小于400m、室內(nèi)通訊距離小于50m范圍內(nèi)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)可用于健康人群的健身運(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)、為其提供生命狀態(tài)數(shù)據(jù)。結(jié)論 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全，適合醫(yī)院和家庭使用。

心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)；無線通信；嵌入式系統(tǒng)；ATmega128

心血管疾病是現(xiàn)代社會(huì)中嚴(yán)重威脅人類生命健康的主要疾病，而且此類疾病往往具有突發(fā)性，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行治療將會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果，給個(gè)人、家庭和社會(huì)帶來沉重的精神壓力和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是此類疾病重要的監(jiān)測手段，它對于保障患者生命安全和降低患者死亡率具有十分重要的意義。伴隨現(xiàn)代科技和醫(yī)學(xué)技術(shù)的的發(fā)展，心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研制水平不斷提高，開發(fā)手段日趨多樣化，并逐步從靜態(tài)心電監(jiān)護(hù)方式向動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)方式發(fā)展[1]。為此，我們開發(fā)設(shè)計(jì)了一種無線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，力求達(dá)到攜帶方便，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測患者動(dòng)態(tài)心電變化，為臨床診斷提供準(zhǔn)確的心電信號參數(shù)。

1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)包括佩帶式無線監(jiān)護(hù)終端和數(shù)據(jù)處理平臺兩大部分。無線監(jiān)護(hù)終端包括心電心號采集模塊和無線收發(fā)模塊，由患者隨身攜帶，負(fù)責(zé)采集心電信號，并進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳送；數(shù)據(jù)處理平臺由無線收發(fā)模塊、ATmega128[2]單片機(jī)控制系統(tǒng)及監(jiān)護(hù)服務(wù)器組成，負(fù)責(zé)接收心電信號，同時(shí)進(jìn)行軟件處理、顯示。為減小監(jiān)護(hù)終端的設(shè)計(jì)尺寸，模數(shù)轉(zhuǎn)換使用單片機(jī)集成的A/D轉(zhuǎn)換器，各芯片選用體積小、功耗低的貼片封裝芯片。為避免各種原因丟失數(shù)據(jù)，監(jiān)護(hù)終端擴(kuò)展了一片256Mbytes的FLASH存儲器，它能夠連續(xù)存儲24h的生理參數(shù)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體框圖如圖 1 所示 ：

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 無線監(jiān)護(hù)終端

2.1 芯片選擇

心電信號采集模塊采用ATmega128作為主芯片。它是ATMEL公司推出的高檔系列產(chǎn)品,是基于AVR RISC的低功耗CMOS 8位單片機(jī)，雖為8位機(jī)，但采用介于8位和16位的硬件結(jié)構(gòu)。AVR單片機(jī)結(jié)構(gòu)有利于用C語言編程，從而能高效地開發(fā)出目標(biāo)產(chǎn)品，通過在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令,其性能可以達(dá)到1MIPS/MHz。它將32個(gè)工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起，使所有工作寄存器和ALU直接相連,同時(shí)具有128KB的Flash存儲器，4KB在線可編程EEPROM，4096字節(jié)SRAM，SPI接口，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)性能良好的8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器等。

無線收發(fā)模塊采用nRF905，它是Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9～3.6 V，工作于433/868/915MHz三個(gè)ISM頻段，頻道轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650μs，最大數(shù)據(jù)速率為100 KB/s。ShockBurstTM工作模式，自動(dòng)處理字頭和循環(huán)冗余檢驗(yàn)，使用SPI接口與微控制器通信，配置簡便。此外，其功耗很低，以10dBm輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5mA，具有窄閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)功率管理。單片機(jī)與nRF905的連接如圖2所示：

圖2 單片機(jī)與nRF905的連接

ATmega128與nRF905之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸使用SPI接口，單片機(jī)的PB0-PB3連接nRF905的SPI接口，PB4-PB6、PD0-PD1及PD4連接nRF905的控制信號和檢測信號，用于nRF905的模式切換以及通信過程中必須的信號指示接口。

2.2 心電信號的采集電路設(shè)計(jì)與工作原理

患者不同負(fù)荷狀態(tài)時(shí)心電圖各波的電壓和時(shí)長有所變化，但與靜息狀態(tài)下相比較均無顯著性差異[3]，然而汗液分泌、各種干擾信號與靜態(tài)時(shí)相比則大大增強(qiáng)，例如電極與體表的接觸電阻一般高達(dá)幾ΜΩ，而有汗液存在時(shí)則下降為10kΩ左右。為此，對心電信號的采集模塊進(jìn)行了簡化設(shè)計(jì)，將檢測帶寬從常用的0.05～100Hz降到0.5～40Hz。這樣做基本不影響心率參數(shù)的提取，可濾去更多的噪聲，大大提高了電路抗干擾能力，特別是抗50Hz工頻干擾的能力，使電路結(jié)構(gòu)簡化，功耗降低。由于該系統(tǒng)監(jiān)護(hù)終端為便攜式設(shè)計(jì)，其心電心號采集傳感器采用通用型Ag-Agcl電極，連接方式為標(biāo)準(zhǔn)三導(dǎo)聯(lián)。

在采集過程中首先將心電信號經(jīng)過AD623放大8倍左右,然后通過0.5Hz的高通電路除去基線漂移,這時(shí)的心電信號幅值很小，需要后置放大電路再次放大100倍左右后，通過40Hz的低通電路，濾除各種高頻噪聲干擾，最后讓心電信號通過電平偏移電路和放大倍數(shù)調(diào)理電路就可以得到心電信號的原型。整個(gè)心電信號采集電路包括：輸入保護(hù)電路、前置放大電路、右腿驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、高低通濾波器、50Hz陷波器、后置放大電路、電極脫落和心電信號異常報(bào)警電路等。前置放大電路如圖3所示：

圖3 前置放大電路

2.3 數(shù)據(jù)采集發(fā)送過程

患者通過按鍵控制監(jiān)護(hù)終端，首先啟動(dòng)初始化處理，向數(shù)據(jù)處理平臺發(fā)送注冊信息，注冊包記錄了監(jiān)護(hù)終端的一些基本信息，包括：數(shù)據(jù)包頭（DYECG）、采樣位數(shù)、采樣頻率、數(shù)據(jù)編碼方式、ADC 高低電平等。經(jīng)確認(rèn)后，采集心電心號；單片機(jī)接收數(shù)據(jù)后，將需發(fā)送的數(shù)據(jù)(這里包括目標(biāo)設(shè)備地址和所要發(fā)送的數(shù)據(jù))通過SPI接口傳送至nRF905，nRF905將數(shù)據(jù)加前導(dǎo)碼和CRC碼，然后發(fā)送數(shù)據(jù)包[4]。

2.4 人機(jī)交換界面的設(shè)計(jì)

選用MG-12864-7單色圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，其點(diǎn)陣數(shù)128×64，8位數(shù)據(jù)線與ATmega128的I/O口相連，同串口鍵盤一起形成菜單方式的人機(jī)交換界面，控制相應(yīng)的采集模塊，設(shè)定具體的參數(shù)，顯示相應(yīng)生理數(shù)據(jù)，并附帶有報(bào)警按鍵，以供處理緊急情況。

2.5 監(jiān)護(hù)終端電源模塊

監(jiān)護(hù)終端需要兩種電源電壓，即單片機(jī)電路、濾波電路、顯示電路需要5V電壓，無線收發(fā)模塊需要3.3V電壓。為此，選用DC/DC芯片RT9278，其封裝尺寸小，轉(zhuǎn)換效率高，輸出電流高達(dá)2A，通過調(diào)整外圍電路可以輸出0～20V的多種電壓，可滿足多電壓混合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。電源供電選用可充電的2200mAh鋰電池。為了降低功耗，采集模塊和無線發(fā)送模塊均采用了低功耗設(shè)計(jì)，即工作狀態(tài)時(shí)上電、休閑狀態(tài)時(shí)掉電模式，該機(jī)正常工作時(shí)最大電流小于100mA。

3 數(shù)據(jù)接收處理平臺

3.1 組成與功能

數(shù)據(jù)接收處理平臺包括無線收發(fā)模塊、ATmega128單片機(jī)控制系統(tǒng)、監(jiān)護(hù)服務(wù)器，主要完成監(jiān)護(hù)終端心電信號的接收，心電心號數(shù)據(jù)的后期處理和計(jì)算，提取所需的心電信號參數(shù)并進(jìn)行分析診斷。其中無線收發(fā)模塊、ATmega128單片機(jī)控制系統(tǒng)與監(jiān)護(hù)終端設(shè)計(jì)選擇相同。

3.2 數(shù)據(jù)接收處理過程

當(dāng)nRF905接收到有效數(shù)據(jù)后，DR置高，ATmega128單片機(jī)控制系統(tǒng)檢測到DR為高電平后，復(fù)位TRX_CE引腳，使nRF905進(jìn)入空閑模式，并通過SPI接口從nRF905中讀出接收數(shù)據(jù)，然后由RS232串口傳送至監(jiān)護(hù)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析診斷，如出現(xiàn)異常情況及時(shí)向監(jiān)護(hù)終端發(fā)出報(bào)警信號。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 整體設(shè)計(jì)

圖4 系統(tǒng)主體程序流程圖

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為兩大部分：一個(gè)是基于單片機(jī)ATmega128的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，用C 語言編寫[5]；另一個(gè)是基于監(jiān)護(hù)服務(wù)器的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，用Visual C++ 6.0編寫[6]。系統(tǒng)終端的軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)初始化子程序、心電監(jiān)護(hù)子程序、顯示子程序、存儲子程序等幾個(gè)部分，其中系統(tǒng)的初始化用以完成系統(tǒng)的連接以及數(shù)據(jù)的采集處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換由ATmega128自帶的十位A/D轉(zhuǎn)換器完成。監(jiān)護(hù)服務(wù)器上位機(jī)軟件包括：主界面程序設(shè)計(jì)、信號參數(shù)選擇與功能設(shè)置模塊、串行口通信程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲與回放、多媒體功能和波形、數(shù)據(jù)顯示等，整個(gè)軟件使用菜單化操作，所有功能都可以在主界面進(jìn)行操作。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

4.2 心電信號預(yù)處理

我們通過體表電極采集的原始信息中不但含有心電信號，而且摻雜了基線漂移、工頻干擾等多種不同類型的噪聲信號。心電信號是很微弱的，它們的信號幅度基本處于mV甚至μV級，相對于噪聲信號，尤其是50Hz工頻干擾往往相差4～5個(gè)數(shù)量級。要在如此反差的強(qiáng)噪聲背景下提取、復(fù)原正常心電信號是一件非常困難的事情。為了增強(qiáng)正常人體生理信號，進(jìn)一步抑制原始信息中的噪聲和干擾，提高心電信號檢測的準(zhǔn)確率，除了在硬件電路中增加濾波電路外，還需要對A/D采樣轉(zhuǎn)換后的生理信號進(jìn)行軟件處理。

本文中，生物信號預(yù)處理是指應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)對噪聲信號加以消除或抑制，主要方法是在下位機(jī)軟件預(yù)處理中采用計(jì)算簡單、實(shí)時(shí)性好的自適應(yīng)相干模板法同時(shí)濾除基線漂移和50Hz工頻干擾。采用該方法可降低設(shè)計(jì)難度，適于單片機(jī)處理，并可保證心電信息的完整性，降低無線傳輸過程中的信息失真率。

自適應(yīng)相干模板法[7]根據(jù)工頻干擾的特點(diǎn)，從原始信號中獲取工頻干擾信號的模板，再從原始信號中減去干擾模板，從而實(shí)現(xiàn)濾除工頻干擾的目的。進(jìn)一步改進(jìn)其濾波器[8-9]，先利用50Hz和100Hz兩種頻率下的自適應(yīng)相干模板法濾波相結(jié)合，形成在0～100Hz頻率范圍內(nèi)只濾除50Hz工頻干擾的一種濾波器，然后與原自適應(yīng)相干模板法濾除工頻干擾的濾波器級聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)50Hz處的阻帶寬度與0Hz處的阻帶寬度無關(guān)的濾波器，再分別獲取相應(yīng)的濾波器帶寬，可以同時(shí)較好的濾除基線漂移和工頻干擾。該算法僅通過采樣數(shù)據(jù)的累加、移位及減法操作即可實(shí)現(xiàn)，較為簡便，適合于在單片機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)[10]。

經(jīng)過改進(jìn)的自適應(yīng)相干模板濾波法對基線漂移和工頻干擾具有較好的效果，并具有一定自適應(yīng)調(diào)整功能。

4.3 心電圖波形識別

心電圖波形包括P、Q、R、S、T及U波等，其中，在心電信號的分析中，最首要和最關(guān)鍵的問題是QRS波群的檢測。這是因?yàn)榭煽康腝RS波群檢測，不僅是診斷心律失常的重要依據(jù)，而且只有在確定QRS波群后，才有可能計(jì)算心率、心率變異性，并進(jìn)一步檢測和分析心電信號的其他重要信息[11]。

在心電波形中，R波具有波形陡峭、幅度大、寬度窄、變化趨勢明顯等顯著特點(diǎn)，因此，一般QRS波群檢測算法都是利用這一特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)對R波的識別采用兩階差分閾值判別法，即t(n)=x(n-2)-2x(n)+ x(n+2)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行10s的自學(xué)習(xí)過程，計(jì)算并記錄每秒鐘內(nèi)得到的差分的最大值，然后求其均值，再乘上一系數(shù)X作為以后判斷R波的依據(jù)。差分得到的新數(shù)組為t(n)，其中若某點(diǎn)滿足：① 大于自學(xué)習(xí)階段計(jì)算得到的閾值；② 大于其前后幾個(gè)點(diǎn)的數(shù)值。則t(n)對應(yīng)的x(n)點(diǎn)就是R波的峰值。檢測出R波之后，根據(jù)前、后兩個(gè)波的時(shí)間間隔就能很容易地計(jì)算出當(dāng)時(shí)的心率，并可進(jìn)一步計(jì)算出RR間期、QRS波寬等其他心電數(shù)據(jù)。由于差分運(yùn)算是前后兩值之間的相對差，而在較短時(shí)間內(nèi)信號中的干擾及基線漂移不會(huì)很快消失，所以上述干擾對差分值的影響很小，可見采用差分閾值法具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

5 結(jié)果與討論

本系統(tǒng)針對患者動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)方式的需求和特點(diǎn)，將無線通訊技術(shù)應(yīng)用到監(jiān)護(hù)終端，有針對性的設(shè)計(jì)了心電監(jiān)護(hù)模塊。初步進(jìn)行了分模塊和整機(jī)使用試驗(yàn)：由受試人員攜帶監(jiān)護(hù)終端在室內(nèi)有障礙及室外空曠條件下分別進(jìn)行最大通訊距離、性能可靠性等試驗(yàn)，結(jié)果表明在明視距離小于400m、室內(nèi)有障礙距離小于50m范圍內(nèi)，系統(tǒng)可穩(wěn)定工作[12-13]，其測量結(jié)果對比動(dòng)態(tài)心電圖（Holter）測量數(shù)據(jù)吻合度好。主要存在的問題是隨著距離的增加心電信號噪聲隨之增強(qiáng)，在條件不變的情況下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性較好。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的，具有便于攜帶、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。下一步的工作是繼續(xù)對整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和軟件功能完善。

圖5 實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)工作界面

監(jiān)護(hù)服務(wù)器實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)工作界面如圖5所示。

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Development of a Wireless ECG Monitoring System Based on ATmega128

MA Xin-jiang1, WANG Hong-fu1,LI Fang-fang2, ZHANG Yan1
1. Asset Management Department,Stateowned Assets Management Department,Affiliated Hospital of Binzhou Medical University, Binzhou Shandong 256603,China; 2. Testing and Photoelectrical Engineering Institute, Testing and photoelectrical Engineering Institute,Nanchang Hangkong University,Nanchang Jiangxi 330063, China

Objective To develop a suit of wireless real-time ECG monitoring system which can gather,transmit and deal with patient's ECG signal. Methods The system consisted of monitoring terminal and data management module. The monitoring terminal schlepped by patients consisted of data acquisition module and wireless transceiver module. It can gather and transmit ECG parameters. The data management module consisted of wireless transceiver module and embedded computer System. It can receive, deal with and display patient's ECG signal. Results The system met the requirement when it was located within the outdoor distance of 400 m or indoor distance of 50m. Conclusion The system is simplestructured,complete-functioned,and is suit to both hospital and home application.

wireless communication; embedded system; ATmega128; ECG monitoring system

TP277；R540.4+1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.07.006

1674-1633(2011)07-0034-04

2011-01-25

2011-03-02

本文作者：馬新江，碩士研究生。

王洪福，高級工程師。

作者郵箱：mxjyjs@163.com