遠程心電監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

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(dǎo)障礙的診斷具有決定性作用。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)、通信等相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，心電圖檢測技術(shù)也逐漸應(yīng)用到遠程醫(yī)療領(lǐng)域中來，使得醫(yī)院為心臟病患者的遠程保健服務(wù)成為可能。截至目前，國內(nèi)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(yīng)用于臨床。為此，本文將研究設(shè)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(wù)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(luò)、醫(yī)院監(jiān)護中心組成，結(jié)構(gòu)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(luò)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(luò)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(shè)計

為設(shè)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(dāng)工作在1 MHz，2.2 V活動模式狀態(tài)時，電流才為280μA；帶有內(nèi)部參考源、采樣保持、自動掃描特性的12位A／D轉(zhuǎn)換器；串行通信軟件有異步UART和同步SPI兩種模式可選。該單片機具有豐富的片內(nèi)外設(shè)和大容量的片內(nèi)工作寄存器和存儲器，為電路的設(shè)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(shè)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(diào)節(jié)1腳和8腳間電阻Rg阻值可設(shè)置增益為1～1 000，增益的計算公式為：G=49.4 kΩ／Rg+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(shè)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(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換和數(shù)字濾波起到良好的隔離效果。