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          遠程家庭心電監(jiān)護終端

          作者:高嵩 王鐵流 賽景波 北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院(100022) , 王者思 西北工業(yè)大學軟件與微軟學院(710072) 時間:2008-08-15 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

          摘要: 設(shè)計了一種新型的低成本的家用監(jiān)護終端,該終端采用B/S模式設(shè)計,基于處理器和嵌入式操作系統(tǒng),通過移植嵌入式Web服務器---boa,再配合信號采集處理等模塊,可實現(xiàn)對生理信號的實時采集、處理、存儲和顯示以及遠程監(jiān)護。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/87010.htm

          關(guān)鍵詞:;;

            是網(wǎng)絡科技與醫(yī)療技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展、科技的進步以及進入老齡化社會的需要,發(fā)展遠程醫(yī)療已成為一種必然趨勢。遠程醫(yī)療從使用對象上可分為:面向醫(yī)院的遠程醫(yī)療系統(tǒng)和面向家庭的遠程醫(yī)療系統(tǒng)。面向家庭的遠程醫(yī)療系統(tǒng)的功能包括:遠程“看醫(yī)生”、遠程監(jiān)護、遠程醫(yī)學信息查詢/咨詢等。

            國外的遠程家庭醫(yī)療更加注重遠程“看醫(yī)生”,個人/ 患者在家中就可與醫(yī)生進行實時語音、圖像信息交流,可實現(xiàn)在線檢測人體生理信號并給出診斷。這種系統(tǒng)是以視頻會議系統(tǒng)為核心,但目前還難以在我國普及,原因一是該系統(tǒng)的價格太貴,一般家庭承受不起;原因二是受到通信信道帶寬的限制,國外一般使用綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)(ISDN),而我國現(xiàn)在普及到家庭的是普通電話系統(tǒng)(POTS),盡管通過這也可實現(xiàn)雙向視頻傳輸,但在圖像分辨率、每秒傳輸圖像楨數(shù)等方面,難以達到遠程醫(yī)療的要求。作為遠程醫(yī)療的重要內(nèi)容之一的遠程監(jiān)護,其傳輸?shù)闹皇侨梭w生理信號,其所需的通信速度通過普通電話線就可以滿足。因此,考慮到我國互聯(lián)網(wǎng)用戶呈逐年增長趨勢,發(fā)展遠程監(jiān)護更加符合我國國情。

          系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

            系統(tǒng)采用B/S(Browser/Server,瀏覽器/服務器)模式設(shè)計,使用該模式的最大好處是減少開發(fā)工作量、運行維護比較簡便。將B/S模式引入嵌入式網(wǎng)絡設(shè)計,改變了過去需要同時開發(fā)上位機和下位機軟硬件的做法,現(xiàn)在只需要在下位機(服務器端)的嵌入式設(shè)備中集成一個微型服務器,利用HTML(超文本標記語言)設(shè)計網(wǎng)頁模塊,就可在上位機(瀏覽器端)使用IE等瀏覽器接收和解析此模板,從而為用戶提供一個視覺效果好、操作方便的工作界面。

            首先基于處理器A和嵌入式操作系統(tǒng),設(shè)計出支持嵌入式Web Server的開發(fā)平臺,再通過移植嵌入式Web Server—boa,配合數(shù)據(jù)采集和處理等模塊,構(gòu)造一套適用于家庭的便攜式遠程醫(yī)療監(jiān)護終端。在監(jiān)護終端,利用生物電引導電極采用標準三導聯(lián)方式將人體心電信號拾取出,經(jīng)導聯(lián)線傳輸?shù)叫盘栒{(diào)理模塊,經(jīng)該模塊的濾波、放大后得到初級的生物電信號,再經(jīng)由S3C2410自帶的ADC引腳送入Web服務器模塊,心電信號在此模塊中經(jīng)過各種運算分析后得到反映心臟特征的信號, LCD上實時的顯示心電波形和病人的個人信息,同時將心電信號存儲于片外Flash ROM中,終端通過以太網(wǎng)口接入以太網(wǎng),以實現(xiàn)與監(jiān)控中心的遠程交互。系統(tǒng)框圖如圖1所示。


          圖1  系統(tǒng)框圖

          硬件電路設(shè)計

            信號調(diào)理電路模塊

            心電信號的檢測是屬于強噪聲背景下的微弱信號檢測,信號具有微弱、低頻、高阻抗、不穩(wěn)定和隨機等特點。此信號的主要頻率范圍為0.05~100Hz, 幅值范圍為0.5~5mV。微弱的心電信號還受到多種干擾,其特征被淹沒在復雜的信號之中。又由于生物電引導電極在拾取人體電信號時與人體接觸會產(chǎn)生極化電壓。因此,為了滿足檢測要求,信號調(diào)理電路必須要較好的抑制各種干擾、不失真的放大心電信號。本設(shè)計中,信號調(diào)理電路模塊主要包括前端電路、信號放大電路和陷波電路。電路框圖如圖2。


          圖2  信號調(diào)理電路框圖

            前端電路
            前端電路作為信號調(diào)理電路的第一級,其功能主要是為了抑制環(huán)境中的干擾噪聲、提高前置放大器的共模抑制能力。緩沖放大器一般采用電壓跟隨器實現(xiàn),其緩沖隔離作用減小了生物信號源對放大器的過高要求,提高了電路的輸入阻抗,減少心電信號衰減和匹配失真。使用屏蔽層驅(qū)動電路可以較好的去除導聯(lián)線屏蔽層分布電容的不等量衰減造成對放大器總CMRR(共模抑制比)的影響。由于人體本身可通過各種渠道從環(huán)境中拾取工頻50Hz交流電壓,在心電測量中形成交流共模干擾,這種干擾常在幾伏以上,采用右腿驅(qū)動電路后能夠使50Hz共模干擾電壓降到1%以下 。電路圖如圖3。


          圖3  前端電路

            信號放大電路
            信號放大電路采用兩級放大,如圖4,差動放大U805為前置級,同相放大U809構(gòu)成第二級。根據(jù)心電信號檢測的特點,通常要求放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動態(tài)范圍的性能。前置放大器的輸入電阻一般要求>2兆歐,輸入電阻越大,因電極接觸電阻不同而引起的波形失真越小,共模抑制比就越高。由于極化電壓的存在, 為防止前置放大器工作于飽和或截止區(qū),前置級的增益不能太高,實驗表明放大10倍左右效果較好。因此選用儀表放大器MAX4196,該芯片可采用單電源供電,其功耗最低達到8mA,共模抑制比為115dB,輸入偏移電壓為50mV,-3dB帶寬可達250kHz,輸入阻抗為1000MW,增益固定為10(V/V)。

            前置放大器部分總的共模抑制比為:

            其中:放大器閉環(huán)差模增益,Ac:共模增益,CMRRD:運放本身的值;CMRRR:外電路電阻匹配精度限定的CMRR,d:電阻精度。因此在電路中,要精確匹配外電路電阻R812=R813,以使共模輸出變得更小。

            主放大器采用MAX4197(特性與MAX4196一樣),其增益固定為100(V/V)。信號調(diào)理電路的總放大倍數(shù)為1000倍。在圖4中,電容C805具有去除極化電壓功能,并與電阻R820構(gòu)成高通濾波電路,用于抑制直流漂移和放大器通帶外的低頻噪聲。


          圖4  兩極放大和濾波電路

            陷波電路
            工頻干擾是心電信號的主要干擾,雖然前端電路和前置放大器已對共模干擾具有較強的抑制作用,但有部分工頻于擾是以差模信號進入電路的,且頻率處于心電信號頻帶之內(nèi),加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因數(shù),前級電路輸出的心電信號仍然存在較強的工頻干擾,因此必須將其濾除。本設(shè)計采用的是無限增益多路反饋型二階陷波器,電路如圖5。


          圖5  陷波電路

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