蘇維嘉 ，李 鑫 ，阮彬鑫

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 研究生學(xué)院，遼寧 阜新123000）

心電圖是診斷心臟疾病的重要工具之一，傳統(tǒng)的心電儀雖能有效地監(jiān)測(cè)心電、降低心臟病患者的死亡率，但不能對(duì)患者進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，且存在體積大、功耗高、攜帶不便等缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠的便攜式遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)儀，能夠在家庭、戶外等場(chǎng)所對(duì)心電進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)概述

遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由心電采集電路、控制芯片、顯示模塊、射頻模塊、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心的計(jì)算機(jī)組成[1-2]，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

本文設(shè)計(jì)的心電監(jiān)護(hù)終端主要用來(lái)完成對(duì)病人心電信號(hào)的采集、處理、顯示并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)结t(yī)院監(jiān)護(hù)中心的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)病人的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。醫(yī)生根據(jù)傳輸回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷并及時(shí)對(duì)病人提供診斷結(jié)果。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)體積小、處理速度快、滿足嵌入式系統(tǒng)Linux對(duì)硬件要求的心電監(jiān)測(cè)終端，該系統(tǒng)采用三星公司生產(chǎn)的S3C2440單片機(jī)作為微處理器。該單片機(jī)為32 bit RISC微處理器，具有低價(jià)格、低功耗、體積小、精簡(jiǎn)指令集、高性能、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。而且S3C2440片內(nèi)資源十分豐富，片內(nèi)含有A/D轉(zhuǎn)換通道，從而可以省去專門(mén)的A/D芯片，因此簡(jiǎn)化了外圍電路，為電路設(shè)計(jì)節(jié)省了空間，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1 心電采集電路設(shè)計(jì)

心電信號(hào)的采集電路是該系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一，其功能主要包括前置放大、50 Hz陷波、高通濾波、低通濾波和后級(jí)放大，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。因?yàn)轶w表ECG信號(hào)一般在0.05 mV～5 mV之間，信號(hào)非常微弱，并且易受到肌電、呼吸、電磁等干擾。所以采用高輸入阻抗、高共模抑制比的差分放大電路進(jìn)行前置放大，以增大輸入阻抗、減少共模信號(hào)干擾。50 Hz陷波電路的作用是濾除50 Hz工頻對(duì)心電信號(hào)的干擾。前置放大電路與50 Hz陷波電路如圖3所示(放大器型號(hào)為T(mén)LC2254CD)。帶通濾波電路主要由高通濾波器和低通濾波器組成，通頻帶為0.5 Hz～100 Hz，用于濾除心電頻率范圍以外的干擾信號(hào)。后級(jí)放大器將ECG信號(hào)進(jìn)一步放大100倍左右(0 V～3.3 V之間)后，將采集信號(hào)輸入到控制芯片S3C2440的A/D轉(zhuǎn)換模塊中。

2.2 GPRS模塊的外圍接口電路

控制芯片S3C2440通過(guò)控制GPRS模塊實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，通過(guò)串口對(duì)GPRS模塊發(fā)送控制指令，使其完成對(duì)心電數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。GPRS模塊的功能：實(shí)現(xiàn)與S3C2440之間的數(shù)據(jù)交換和通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。GPRS模塊選擇索尼愛(ài)立信公司生產(chǎn)的GM47。GM47具有性價(jià)比高、使用簡(jiǎn)便、模塊內(nèi)嵌 TCP/IP協(xié)議棧、有很好的技術(shù)支持等優(yōu)點(diǎn)。GM47串口采用2.75 V的CMOS電平，而S3C2440串口是TTL電平，因此兩者互相連接時(shí)需要電平轉(zhuǎn)換。GM47的外圍接口電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大部分。系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)啟動(dòng)代碼Bootloader、Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核、yaffs2根文件系統(tǒng)和 ADC、GPRS的驅(qū)動(dòng)程序組成。應(yīng)用軟件主要由心電數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、LCD顯示和GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送5部分組成，應(yīng)用軟件流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)軟件的組建過(guò)程：

(1)制作 Bootloader、Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)。其中，Linux內(nèi)核中要添加ADC和GPRS的驅(qū)動(dòng)文件，并在.config文件中進(jìn)行相應(yīng)的配置,最后make生成Linux內(nèi)核；向Nand Flash中依次燒寫(xiě)制作好的 Bootloader、Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)[3]。

(2)移植Web服務(wù)器 Boa。通過(guò)修改 boa.conf文件，設(shè)定默認(rèn)網(wǎng)頁(yè)名稱和網(wǎng)頁(yè)文件、cgi-bin文件的存放路徑。通過(guò)修改rcS文件，使Linux啟動(dòng)后自動(dòng)設(shè)置IP地址并啟動(dòng)Boa服務(wù)器。

(3)用HTML語(yǔ)言編寫(xiě)登錄頁(yè)面[4]并將其存放到boa.conf文件設(shè)定的/home/boa/www文件夾中。

(4)把用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)的腳本文件 login.c、main.c、adc.c、gprs.c和.h頭文件放到Linux系統(tǒng)中，用交叉編譯器armlinux-gcc編譯成 login.cgi和 main.cgi文件。 把 login.cgi、main.cgi兩個(gè)腳本文件和心電監(jiān)測(cè)頁(yè)面內(nèi)容文件main_html一起存放到/home/boa/www/cgi-bin文件夾中。

(5)打開(kāi)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，輸入在rcS文件中設(shè)置的IP地址就可以進(jìn)入遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的登錄界面，輸入合法的用戶名和密碼就可以進(jìn)入遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)頁(yè)面，如圖6所示。在監(jiān)測(cè)頁(yè)面上，醫(yī)生可以看見(jiàn)心電監(jiān)測(cè)終端傳送來(lái)的心電波形、心率、QRS波振幅和時(shí)限、P波振幅和時(shí)限、T波振幅和時(shí)限、P-R間期和Q-T間期等指標(biāo)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)采集處理心電信號(hào)的準(zhǔn)確性，采用遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的心電監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)。用心電信號(hào)模擬發(fā)生器產(chǎn)生各種監(jiān)測(cè)信號(hào)，把相同的監(jiān)測(cè)信號(hào)輸入到遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的心電監(jiān)測(cè)儀，統(tǒng)計(jì)并對(duì)比兩個(gè)儀器分析的QRS波振幅和時(shí)限、P波振幅和時(shí)限、T波振幅和時(shí)限、P-R間期和Q-T間期等指標(biāo)，對(duì)比結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，該系統(tǒng)能夠保證心電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 兩種儀器心電圖波形對(duì)比

[1]張亞群，于龍飛，王坤林.網(wǎng)絡(luò)控制中心的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng).計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用[J].2011，20(4)：1-5.

[2]張石，董建威，王軍輝，等.便攜式無(wú)線心電監(jiān)護(hù)儀的低功耗設(shè)計(jì)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2006(7).

[3]王曉寧，王振臣，張少兵，等.Linux操作系統(tǒng)在 ARM9處理器上的移植[J].化工自動(dòng)化及儀表，2010，37(02)：67-69.

[4]強(qiáng)鋒科技.HTML+CSS網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)指南[M].趙輝譯.北京：清華大學(xué)出版社，2010.