張晶如，邵建華，于篤發(fā)

(南京師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 200046)

0 引言

隨著社會(huì)進(jìn)步人們生活水平的提高，心血管疾病已成為當(dāng)代社會(huì)的頭號(hào)問(wèn)題，據(jù)統(tǒng)計(jì)心血管病已成為頭號(hào)殺手，每年有約300萬(wàn)人死于心血管疾病，換言之每4例人就有一人死于心血管疾病。

現(xiàn)有技術(shù)中提供了一種便攜式心電儀，該儀器包括一個(gè)腕式主機(jī)以及探頭前端。主機(jī)負(fù)責(zé)信號(hào)的處理以及顯示，探頭前端可以按在胸口實(shí)現(xiàn)手與胸口心電的采集。另外，還有一種手機(jī)式樣的三電極心電手機(jī)[1]，該儀器是在一個(gè)手機(jī)樣式的設(shè)備上集成三個(gè)電極，測(cè)試心電時(shí)需要用手握住設(shè)備上端并且把下端貼緊胸口。 這兩種裝置，可以方便地實(shí)現(xiàn)心電采集。但是利用胸口采集不適用于冬天使用，而且利用手胸導(dǎo)聯(lián)的心電不是標(biāo)準(zhǔn)模式，其診斷價(jià)值未知。

本文提出的智能心電診斷方案，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種只要使用雙手操作，不受環(huán)境限制，及時(shí)對(duì)患者心電進(jìn)行監(jiān)控，捕捉發(fā)現(xiàn)異常的信息的智能心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

1 心電數(shù)據(jù)采集客戶端的總體結(jié)構(gòu)

本方案所設(shè)計(jì)的心電數(shù)據(jù)采集用戶終端設(shè)備包括采樣電路、濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、微處理器、存儲(chǔ)器、人機(jī)接口和通訊接口，采樣電路與濾波電路連接，將采集的心電數(shù)據(jù)傳送到濾波電路；濾波電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路連接；微處理器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)器、人機(jī)接口和通訊接口連接。用戶終端設(shè)計(jì)模塊框圖如圖1所示。

圖1 用戶終端設(shè)計(jì)模塊框

2 心電數(shù)據(jù)采集客戶端的硬件設(shè)計(jì)

2.1 前置放大電路設(shè)計(jì)

采樣電極采用的是現(xiàn)在醫(yī)用心電監(jiān)護(hù)儀常用的銀鎳合金電極[1-2]，它具有低接觸阻抗，不易氧化等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微弱信號(hào)采集領(lǐng)域。將用戶的心電數(shù)據(jù)采集到后，首先進(jìn)行的步驟是模擬放大。由于人體的心電信號(hào)的電壓范圍為1～10 mV，而單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換的參考電壓是2.5 V，因此必須對(duì)原始采樣信號(hào)進(jìn)行放大，從而獲得更加精確的采樣值。在這里，本客戶端選用AD公司的一款儀用差分運(yùn)算放大器AD8223作為前置放大電路。該放大器的突出優(yōu)點(diǎn)是其優(yōu)異的共模抑制性能和良好的頻率響應(yīng)性能。當(dāng)增益為5時(shí)，AD8223能夠在各級(jí)保持最小100 dB的共模抑制比，直至頻率達(dá)到10 kHz，因此，它能夠很好的抑制寬帶共模干擾，從而可有效的抑制共模干擾，同時(shí)確保信號(hào)不失真。

電路原理圖如2所示，該電路的放大倍數(shù)由反饋電阻RG即R83控制。

圖2 前置放大電路

2.2 主放大電路設(shè)計(jì)

主運(yùn)放采用AD8607，它是一款精密JFET輸入放大器，具有真單電源供電、低功耗和軌到軌輸出等特性。當(dāng)容性負(fù)載超過(guò)500 pF時(shí)，輸出仍能保持穩(wěn)定；每個(gè)運(yùn)放的電源電流小于630 μA。如圖4所示，該電路主要實(shí)現(xiàn)四個(gè)功能。

①二級(jí)放大:運(yùn)放U6A和電阻R85，R68共同構(gòu)成放大電路，放大倍數(shù)為15.4倍；②低通濾波:由于C41的存在，使得該電路的頻率響應(yīng)特征為低通濾波，將高頻噪聲信號(hào)初步濾除；③高通濾波:當(dāng)信號(hào)頻率 f小于1/(2πRC)時(shí)，在放大器 AD8607的作用下，AD8223的輸出為0；而當(dāng)信號(hào)頻率超過(guò)f時(shí)，信號(hào)將通過(guò)AD8223放大輸出；④電位抬高，電路如圖3所示，由于單片機(jī)內(nèi)部ADC模塊使用的是2.5 V參考電源，則中心電壓為1.25 V，因此需要將放大的結(jié)果抬高1.25 V，然后才能輸出給單片機(jī)的ADC模塊，由圖中R67,R66,U6A共同完成這一功能。

圖3 主放大電路

2.3 處理器的選擇

本客戶端嵌入式處理器選用的是 TI(德州儀器)公司 MSP430系列單片機(jī)最新推出的F5系列中的MSP430F5418A單片機(jī)。該單片機(jī)使用 RISC(精簡(jiǎn)指令集)，工作頻率可以達(dá)到25 MHz，滿足本系統(tǒng)的應(yīng)用要求。它的工作電壓可低至1.8 V，運(yùn)行時(shí)單片機(jī)工作電流為165 uA/MHz，在低功耗模式下根可以達(dá)到0.1 uA的極限待機(jī)電流。非常適合應(yīng)用在手持式低功耗設(shè)備中。

3 心電數(shù)據(jù)采集客戶端的軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分為5個(gè)模塊:A/D采樣模塊、GPRS通信模塊、RTC模塊、EEPROM模塊和顯示模塊。

采樣濾波模塊將模擬心電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并對(duì)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，得到有用波形數(shù)據(jù)；GPRS通信模塊用來(lái)與指定服務(wù)器建立 TCP/IP連接；RTC模塊用來(lái)作為附帶時(shí)鐘顯示功能使用；EEPROM模塊對(duì)A/D采樣濾波結(jié)果進(jìn)行暫時(shí)存儲(chǔ)。顯示模塊用來(lái)顯示使用者的即時(shí)心電波形、時(shí)間、心率等信息。

各模塊之間的關(guān)系如圖4所示，由于篇幅的關(guān)系，本章只詳細(xì)介紹采樣濾波模塊和GPRS通信模塊這兩個(gè)模塊。

圖4 系統(tǒng)軟件程序結(jié)構(gòu)

3.1 ADC采樣濾波模塊設(shè)計(jì)

MSP4305418A內(nèi)部自帶一個(gè)12路通道的12位高精度ADC采樣模塊，再加上本文設(shè)計(jì)的高精度基準(zhǔn)電壓參考源，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的精確采樣。本文所述客戶端中，使用了四路差分輸入的方式，采樣數(shù)據(jù)通過(guò)DMA方式傳輸。

由于硬件設(shè)計(jì)中所涉及的濾波器都是一階濾波器，濾波效果不能達(dá)到診斷級(jí)別要求，因此，需要對(duì)其進(jìn)行軟件濾波。軟件濾波分為三個(gè)步驟:①低通濾波:使用簡(jiǎn)化后的二階Butterworth低通濾波器；②工頻濾波:設(shè)計(jì)了一個(gè)50Hz帶阻 FIR濾波器，來(lái)濾除工頻分量；③心電信號(hào)恢復(fù)濾波器:本客戶端是一個(gè)便攜可佩帶式產(chǎn)品，要求其對(duì)人體的輕微抖動(dòng)具備一定的消除作用，在硬件上本設(shè)計(jì)做了消除抖動(dòng)的電路設(shè)計(jì)，但其副作用是具備心電診斷意義的ST段波形被消弱了。在軟件中設(shè)計(jì)了一個(gè)恢復(fù)濾波器，將 ST段波形恢復(fù)出來(lái)，使得該設(shè)備更具有診斷價(jià)值。

3.2 通用分組無(wú)線服務(wù)(GPRS)模塊TCP/IP通信的實(shí)現(xiàn)

SIM900A模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴(kuò)展的TCP/IP命令讓用戶能夠很容易使用 TCP/IP協(xié)議[3]。對(duì)SIM900A的TCP/IP連接以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟僮魇褂肁T指令，表1中是本客戶端中所用到的部分AT指令[2,4]及其意義。

表1 部分AT指令及其意義

建立連接過(guò)程如下:首先啟動(dòng)SIM900A模塊，將其進(jìn)行復(fù)位，然后啟動(dòng) TCP/IP任務(wù)，并設(shè)置接入點(diǎn)APN為CMNET式網(wǎng)絡(luò)連接，接著發(fā)起一系列AT指令，與目標(biāo)服務(wù)器建立可靠連接。接下來(lái)將AD采樣模塊輸出的心電波形數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。SIM900A一次最大發(fā)送1360 Byte數(shù)據(jù)，因此十秒鐘的心電數(shù)據(jù)將會(huì)被分成十段，每次發(fā)送1 kB的數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

在本系統(tǒng)中，服務(wù)器端使用的是使用 Redis協(xié)議[5-6]來(lái)實(shí)現(xiàn) TCP/IP遠(yuǎn)程通信的，為了避免數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，本文在ADC采樣的基礎(chǔ)之上，增加了起始位，結(jié)束位和校驗(yàn)位，用來(lái)做數(shù)據(jù)檢驗(yàn)。本系統(tǒng)使用和校驗(yàn)的方法，便于單片機(jī)運(yùn)算，也易于實(shí)現(xiàn)。

定長(zhǎng)方式發(fā)送的數(shù)據(jù)通信協(xié)議如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本文所述客戶端用于顯示和發(fā)送用戶的實(shí)時(shí)心電波形，經(jīng)過(guò)實(shí)際心電信號(hào)測(cè)試，結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 心電波形顯示和發(fā)送

圖6 心電數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程

圖7 心電數(shù)據(jù)發(fā)送成功

服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲得，經(jīng)過(guò)整理，服務(wù)器端獲得的數(shù)據(jù)整合成的波形如圖8所示。通過(guò)測(cè)試可以看出，本客戶端所采集的數(shù)據(jù)符合儀用診斷要求。

圖8 服務(wù)器端數(shù)據(jù)波形

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款新型遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)客戶端電路及其軟件系統(tǒng)，由于本系統(tǒng)的器件選型較為合理，使得本客戶端成文市面同類產(chǎn)品中體積最小，便攜性最好。同時(shí)也不失其功能性和實(shí)用性。人們可以對(duì)其加以改進(jìn)，可以使其成為一個(gè)集心電監(jiān)護(hù)，運(yùn)動(dòng)計(jì)步，GPS定位等功能于一體的便攜式健康管理客戶端。隨著醫(yī)療信息化的發(fā)展，及人口老齡化的趨勢(shì)，這種網(wǎng)絡(luò)化的便攜式健康管理設(shè)備將會(huì)有很大的社會(huì)需求。

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