（信号与信息处理专业论文）基于GPRS的远程心电监护系统研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 基于g p r s 的远程心电监护系统研究 摘要 随着社会的进步和科技的发展，人们对健康观念、健康方式和途径都发 生着深刻的变化。我国是心脑血管疾病的高发区，然而多数医院的心电监护 设备数量少、不宜移动、且成本高，无法满足市场的需求。为了满足对心电 监护设备的需求，本论文研究并设计了一套基于通用分组无线业务( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ，简称：g p r s ) 的远程心电监护系统。 文中在阐述了人体心电产生机理及对其进行远程检测的现实意义基础 上，深入分析了心电信号的特点及其主要干扰源，并对心电信号检测要求进 行了分析，确立基于g p r s 的远程心电监护系统方案。 针对心电信号及其干扰信号的特点，设计了心电信号检测硬件电路。通 过合理设计带通滤波器参数，并在对检测电路的仿真的基础上，实现了心电 信号的有效检测。本文通过对s i m 3 0 0g p r s 模块控制方法的探讨和分析， 设计了其相应的硬件控制电路。 通过s p c e 0 6 1 a 单片机底层程序的设计，完成了对心电数据的采集和 g p r s 模块的a t 指令控制，实现了对心电数据无线传输；并采用v b 6 0 和 s q ls e r v e r 2 0 0 0 开发工具，基于w i n s o c k 网络编程技术，设计并开发了远程 心电监护软件，实现了对心电信号的远程监护。 本文还针对心电数据量大的特点，对心电信号压缩方法进行了探讨，采 用小波变换结合自适应编码方法对心电信号进行了压缩，取得了较好的压缩 比，并具有重构信号失真小的特点。 所设计的远程心电监护系统实现了心脏病人在自由活动条件下的远程监 护，具有技术先进性和广泛的实际应用价值。 关键词通用分组无线业务；心电：小波变换；数据压缩 哈尔滨理工大学工学硕 学位论文 詈暑皇詈暑喜詈= 詈置鼍詈昌暑皇皇詈皇詈皇暑詈皇詈皇詈詈詈詈鼍= 暑詈詈搴l m i：! 喜暑詈毫詈宣詈置置目皇昌暑量皇葺詈詈詈穹 t h er e s e a r c ho nr e m o t ee c g m o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do ng p r s a b s t r a c t t h em o v e m e n to ft h es o c i a la n dt e c h n o l o g i c a lp r o g r e s s ，h e a l t h yc o n c e p t ， h e a l t h yf a s h i o na n da p p r o a c ho fp e o p l ea r ec h a n g i n gd e e p l y t h i si st h ea r e ao f c a u s i n gh e m a ld i s e a s eo fh e a r ta n db r a i nf r e q u e n t l yi no u rc o u n t r y b u tm o s t h o s p i t a l sh a v ef e wc a r d i o g r a md e t e c t i n ge q u i p m e n t s ，a n dt h e s ee q u i p m e n t sc a n n o tb em o v e de a s i l ya n da l et o oe x p e n s i v e ，s ot h a tt h ee q u i p m e n t sc a nn o ts a t i s f y n e e d so ft h em a r k e t t os a t i s f yt h en e e d sa n dd e p r e c i a t et h ei a t r i c a lc o s t ，t h e i n v e s t i g a t i o na n dd e s i g n a t i o nf o r as e to fr e m o t ee l e c t r o c a r d i o g r a m ( e c g ) m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng p r si sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i na d d i t i o nt os t u d yt h eh u m a ne c gp r o d u c i n gp r i n c i p l ea n dt h ep r a c t i c a l m e a n i n go fi t sr e m o t ed e t e c t i n g ，t h ea u t h o ra n a l y z e dt h ec h a r a c t e ro ft h ee c g s i g n a la n di t sm a i nd i s t u r bs b u r c ed e e p l y ，a n ds t u d i e dr e q u e s to fe c gs i g n a l d e t e c t i n g g p r st e c h n i c a li sc h o s e nf o rt h er e m o t ee c gm o n i t o r i n gs y s t e m c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r so fe c gs i g n a la n di t sd i s t u r b a n c e ，t h ee c g d e t e c t i n gh a r d w a r es y s t e mi sd e s i g n e di nt h i sw o r k t h ee f f e c to ft h eh a r d w a r e s y s t e mi s e n s u r e dt h r o u g ht h er e a s o n a b l ed e s i g n a t i o no fab a n d - p a s sf i l t e r c o e f f i c i e n t ，a n ds e v e r a ls i m u l a t i o n sf o rt h i sd e t e c t i n gc i r c u i t b a s e do nt h e a n a l y s e s o ft h es i m 30 0g p r sm o d u l ec o n t r o lm e t h o d ，t h e c o r r e s p o n d i n g h a r d w a r ec o n t r o lc i r c u i ti sd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i nt h es o f t w a r ep r o j e c t ，t h eb o t t o mp r o g r a mo fs p c e 0 61ai su s e dt oc o l l e c t t h ee c gd a t aa n dc o n t r o lt h ea ti n j u n c t i o nt ot h eg p r sm o d u l e ，w h i c ht h e w i r e l e s st r a n s m i s s i o ni ss u c c e s so nt h ee c gd a t a u s i n gt h ev b 6 0a n dt h es q l s e r v e r 2 0 0 0d e v e l o p i n gm e t h o d ，r e m o t em o n i t o r i n gs o f t w a r ef o re c gs i g n a li s d e s i g n e db a s e do nw i n s o c ks d f t w a r ep r o g r a m m i n gt e c h n i q u e ，w h i c hm a k e si tt o b ep o s s i b l e c o n s i d e r i n gt h el a r g en u m b e r so ft h ee c gd a t a ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h e m e t h o d so nc o m p r e s s i o no fe c g s i g n a l i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em e t h o di sb a s e d n o nw a v e l e tt r a n s f o r ma n d a d a p t i v ec o d i n g i tc a no b t a i nb e a e rc o m p r e s s i o nr a t i o a n dr e f l e c tt h ea c c u r a t ed e t a i lo f o r i g i n a ls i g n a l 。 t h er e m o t ee c g m o n i t o r i n gs y s t e mc a l lm o n i t o rt h ec a r d i op a t i e n ts u f f e r e r w h e nh ei su n d e rt h ef r e ec o n d i t i o n t h es y s t e mh a sa d v a n c e dt e c h n i c a la n d p r a c t i c ea p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ；e l e c t r o c a r d i o g r a m ；w a v e l e t t r a n s f o r m ：d a t ac o m p r e s s i o n - i i l - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于g p r s 的远程心电监 护系统研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：；岳彳孔 日期：2 0 0 8 年3 月3 1 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于g p r s 的远程心电监护系统研究系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工 大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或 部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：纯千b 导师签名： 魔乏劾 卜- i 日期：2 0 0 8 年3 月3 1 日 日期：2 0 0 8 年3 月3 1 日 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 第1 章绪论 随着生活水平的提高，人们对自身健康的重视程度在日益增加。为了满足 人们的需求，各种新的医疗手段不断出现，近年来随着科技发展和医疗技术的 进步，远程医疗n - 3 正在迅速发展，并已成为一个研究热点。远程医疗 ( t e l e m e d i c i n e ) 是计算机技术，通信技术与医学检测技术相结合的产物。现代科 技特别是通讯、计算机等高新技术的迅速发展，为远程医疗技术的发展提供了 先进的技术支持，使人们能享受到更好，更方便的医疗服务。随着社会的信息 化，人们的生活方式正在产生巨大的变革，医疗保健的观念和方式也随之发生 了很大的变化，远程医疗也越来越受到人们重视，目前在国际上得到重视和广 泛的关注。 远程监护( t e l e m o n i t o r ) 是一种通过对人体生理参数进行远程监测来研究远 端监护对象健康状况的方法。它是实现远程医疗的基础，近年来远程监护技术 在世界范围内已成为一个非常重要的研究领域。 1 1 课题背景及研究意义 伴随着人们生活水平的提高，营养过剩和运动减少，生活和工作节奏的加 快，社会老龄化的加剧，心脏病等心血管疾病的发病率明显上升。目前心脏病 的死亡率远远高于其他疾病，是威胁人类生命安全的主要疾病，心脏病己成为 威胁人类生命安全的“第一杀手”。由于心脏病具有病情隐蔽、发展缓慢、发 病危险性高等特点，因此它对心脏病患者、特别是中老年心脏病患者的危害性 极大，因此心脏系统疾病的防治和诊断己成为当今医学界面临的首要问题。 另外，一些特殊的心脏病患者，在正常工作生活时发病，而到医院检查时 症状消失，导致在医院无法检测到异常心电图，无法对病情做出诊断，耽误了 治疗的最佳时机，所以心电监护是有重要意义的。随着社会老龄化的加剧，解 决长期慢性病的监护目前已经是重要的社会问题。怎样才能使病人在家庭中得 到更好医疗保健，同时又减少病人家属及社会的负担，是现在摆在有关研究人 员及医生面前的一个重要课题。 心电信号是人类最早研究并应用于临床医学的生物电信号之一，与其它生 物电信号相比心电信号更易于检测并具有较直观的规律性。在医学发达的今 天，心电信号的监测与处理仍是生物医学领域重要的研究对象之一，是医学上 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 诊断心脏系统疾病十分重要的检测依据。因此及时通过心电信号来发现并预防 心脏病的发生是减少心脏病人发病和死亡率的一个有效途径。心电学自上世纪 初到现在已经发展了一百多年。在这期间心电图检测技术本身不断发展完善， 各种心电检测方法不断问世，到目前可以说心电检测已趋于成熟。以往的检测 手段基本上都需要到医院在庞大的心电图仪器上进行检测，而心脏病人不可能 每次发病时都具备到医院检测的条件，还有一点就是一些患者在发病时感到不 适，而到医院检查时症状消失，进行心电图检查时得不到明显异常的心电信 号，这将影响对患者的诊断和治疗。因此导致了许多心脏病人病情不能得到及 时诊断和治疗，延误了病情甚至导致死亡等严重后果n 1 。因此：开发一套携带 方便、低成本的远程心电监护系统具有深远的理论研究意义和实践应用价值。 其具体意义如下： ( 1 ) 使患者或医护人员减少了路途奔波，节省了时间和社会的医疗资源； ( 2 ) 把患者的监护在家中完成，即为患者节省了开支，又为医院节省了床 位； ( 3 ) 使患者在熟悉的环境中进行检测，减少了患者的心理压力，提高诊断 的准确性； ( 4 ) 对于自理能力较差的老年人和行动不便的病人的实施远程监护，可以 随时了解监护对象的健康状况在患者病情突变恶化时报警，为患者提供及时的 救助。 1 2 国内外研究现状及分析 远程医疗集多媒体通讯、视频和医疗技术为一体，已在全世界得到了广泛 的重视和应用。目前，在世界各地特别是欧美洲国家在远程医疗上达到了覆盖 面广，医疗服务项目全的阶段。 在国外，远程医疗的应用主要集中在两个方面： ( 1 ) 远程会诊和治疗利用各种通信线路( 如a t m ，i s d n ，p s t n 等) 借 助电视会议或其它的通信系统进行的医学服务。 ( 2 ) 医学资料的计算机管理和网络化以及医疗卡的发行和应用各种医学 图片存档和通信系统得到了飞速的发展，网络技术的发展使得医学数据可以共 享隋1 。在发达国家，医疗卡的发行和应用已经走进人民的生活。例如，欧盟从 1 9 9 6 开始发行包含基本医疗信息，如当前身体状况、家庭医生姓名、电话等内 容的i c 卡。美国在2 0 0 0 - 2 0 0 5 年期间投入1 5 0 亿美元用来进行远程医疗的研 哈尔滨理工大学下学硕一i ：学位论文 究工作，欧盟也在2 0 0 0 2 0 0 5 年期间投入1 7 5 亿美元( 不包括欧盟各国的单 独投入) 。 开展远程医疗较早的是欧美各国，欧共体在1 9 8 6 年设置的研究基金 a i m ( a d v a n c e di n f o r m a t i c si nm e d i c i n e ) 主要用于资助有关远程医疗的项目。已 经实施的有法国的流行病统计网、葡萄牙采用个人电脑开发的医院间脑电图传 输系统、西班牙的远程血压监测系统和危急报警系统等。英国的布法罗大学等 还成立了远程医疗系专门从事这方面研究。据2 0 0 0 年的统计数字，欧洲已有 5 0 多个国家建立了远程医疗系统。与此同时，欧美的许多公司也纷纷将远程医 疗作为其发展领域，其中包括h p ，i b m ，i n t e l 等大公司，也不乏一批中小公 司介入其中。 其它国家目前也在争相投入人力物力开发远程医疗系统。例如，澳大利亚 因其地广人稀而积极发展远程医疗，加拿大每年举办一次远程医疗的学术年会 ( t e l eh e a l t hi nc a n a d a ) ，俄罗斯与美国联手建立了为支持发展中国家医疗保健 的借助卫星的远程医疗计划( s a t e l i f e ) ，以色列推出一系列远程心脏监测产品 ( 如c a r d g u a r d ) ，拉丁美洲也和美国建立了远程医疗伙伴，通过一个称为 s t u d i o c l i n i c s 的远程医疗所将本地获取的检测信息发送至美国的医院以获得美 国专家的诊断意见。同时，日本、韩国、墨西哥、肯尼亚、纳米比亚也先后开 展了远程医疗的研究与应用，其中日本主要侧重于家庭健康检测管理和远程手 术等方面。 而在远程心电信号的传输领域，从上个世纪8 0 年代，国外已经开始建立 了电话传输的心电图t t e c g 监测中心佛1 。电话传输心电图监测系统 ( t r a n t e l e p h o n i ce l e c t r o c a r d i o g r a p h i cm o n i t o r i n g ，t r m ) 。又称院外心脏病集群监 护系统，其原理是应用心电记录仪将心电信号记录并转换成声频，通过电话将 其传递至监测中心，再经调制解调器转换成心电图信号，并由计算机处理后对 病人进行心电监护。以色列的s h a h a l 医疗服务公司的电话传输心电图监护 系统、c a r d g u a r d 公司的c a r d g u a r d 系列心电监护系统、t i e 公司的a e r o t e l 电 话传输心电图等系统、美国的c a r d i o g r a m f a x 、c a r d i o g r a m m i r r o r 、 c a r d i o g r a m v i e w 系列心电监护产品、瑞典的c a l i b e rt r i g g e rm o n i t o r 系统等均 属于这一系列产品。 随后又出现了将传统程控交换电话改换为数字式电话传输心电图信号的研 究h 1 。英国牛津大学的j o h n s o n 教授采用网际网络的方法远程监护方法让孕妇 和胎儿在放松的状态下在家中检测血压、血氧、心电图等重要生理指标。德国 的一个研究小组则通过宽带视频通信远程监护家中老人的各种生理参数，以便 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 在必要的时刻提供救治和帮助。 而在国内，从事远程的心电信号大规模传输和管理的机构还比较少，清华 大学在近年研制的家庭心电血压监护网系统是其中为数不多的运营比较完善 的网络。该系统的家庭端单元由一个便携式心电检测仪和一台智能心电实时监 护仪器构成。检测仪以无线电方式发送的心电图由智能心电监护仪接收并对接 收的心电图进行实时处理。当异常心电图超过报警阈值时自动拨号将当时的心 电图通过调制解调器实时送往医院。该系统在病人不适时具有手动按键报警功 能和类似h o l t e r 的心电图长时间记录发送功能嘎1 0 1 。 2 0 0 5 年6 月，亚洲第一家无线电通讯网络构建院外心脏远程监护系统：山 东大学齐鲁医院心脏远程监护中心正式投入运用。治疗中心是2 4 小时监护 的，只要患者端的微型发射机保持开机状态，心电的异常变化会自动地传输到 这个中心，中心就可以进行一定的处理和预警1 。 ， 目前国内使用的h o l t e r 产品，多为国外公司的产品，单台h o l t e r 价格高达 上千美元。一套心电回放及自动分析软件，价格超过数十万元。因此主要购买 者是大医院。国内厂商生产的多为采用国外公司的核心模块、在国内组装的 o e m 产品，价格不菲，且以医院临床分析及病房监护为主n 引。真正适用于家 庭监护，特别是具有远程传输功能的心电监护产品，还很少见。 近几年来我国发展了自己的心电信号电话传输系统。但价格较高，不适合 我国国情。为此我们讨论开发了一套便携式、成本低的心电传输系统。它可以 使患者随时将自己的心电信号传输到医院监护中心，实现实时监护，医护人员 也可以进行实时分析，对病人进行远程指导治疗，为及时抢救赢得宝贵时间。 亦可用于医院对心脏病患者出院后的随访诊断。该系统为远离医院的边远地区 或山区农村及去医院困难的患者提供方便的监护与服务，而且通过g s m 网络 传输廉价方便，加上成本低，有较高的性能价格比。 无论是国内还是国外对动态心电监护设备的研究都投入了相当的人力和物 力，其前景相当广阔，国内的特点是研究的起步较晚，但起点较高，可以吸收 国外的先进技术、经验。本文主要讨论关于远程心电监护设备的研究以及解决 方案。 1 3 本文主要研究内容 针对目前远程心电监护系统所存在的问题，本文采用较为普及的互联网为 基础，以g p r s 通信技术为平台，。设计一个远程心电信号监护系统。本课题主 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 要研究内容如下： ( 1 ) 对人体心电信号产生机理、心电信号特点及其干扰和心电信号检测要 求进行分析； ( 2 ) 针对心电信号特点及其干扰，对心电检测硬件电路进行设计；对 g p r s 无线模块的控制方法进行分析，设计其外围电路，实现数据的无线传 输； ( 3 ) 编写系统软件，完成数据底层采集及数据无线传输；编写远程服务器 监护软件，完成数据接收、显示及存储等功能； ( 4 ) 对心电信号压缩方法进行探讨，实现心电数据的压缩。 哈尔滨理工大学t 学硕卜学位论文 第2 章心电检测原理及系统方案设计 2 1 心电信号检测基础 心电信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，是一种复杂的自然信号，所 以对心电系统的设计有其特殊性，应区别于工业工程中的情况，对心电信号的 了解有助于系统整体方案的设计。 2 1 1 心电生理学基础 正常人体体表心电图如图2 - 1 所示n 羽 v ( m v ) 图2 1 心电图典型波形 f i g 2 - 1t y p i c a lw a v e f o r mo fe l e c t r o c a r d i o g r a m 心肌细胞的生物电变化是心电图的来源，心电图反映的是一次心动周期中 整个心脏的生物电变化，是很多心肌细胞电活动综合效应在体表的瞬时( 电位) 整体反映。通过心电图机将体表上这种电位差连续记录下来所得到的曲线，就 是常规心电图。心电图机就是由体表接触电极置于人体表面间接记录心脏生物 电变化的仪器。正常的人体心电图可以反映心脏激动电位的变化，是由一系列 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 重复出现的各波、段和间期组成，如图2 1 所示。 1 p 波代表左、右心房的电激动过程。窦房结发出的激动最先传导至心 房，使之发生激动，引起心房除极，心电图上最先出现的就是p 波。p 波的持 续时间为兴奋在左、右心房扩布的时间，一般不超过0 1 1s ，幅度小于o 2 5 m v 。 2 p r 段代表心房开始激动到心室受激动的时间，即p 波开始处到q r s 波群的开始处，p 波出现以后，心脏的激动沿结间束、房室结和房室束下传至 心室。由于激动在房室结及房室束中传导较慢，所以在p 波出现后稍有间隙才 发生心室的激动，这一段间隙称为p r 段。激动通过这段传导组织时所产生的 电位影响极为微弱，因此这一段时间的体表电位几乎没有变化。p r 段随年龄 的增大而有加长的趋势，成年人的p r 段约为o 1 2 o 2s 。 。 3 等电位线一般取p r 段作为等电位线，但有时p r 段也不在基线 上，欧共体心电图标准化小组推荐使用q r s 起始部作参考水平测量振幅。 4 q r s 波群代表左右两心室的电激动过程。典型的q r s 波群有三个相 连的波动：第一个向下的波为q 波，它反映了室间隔兴奋，并由左向右扩布； 随后向上的狭窄尖脉冲被称为r 彼，它反映了左右心室兴奋过程：第三个波是 向下的s 波，它反映了心室发生的兴奋。这三个波紧紧相连，而且反映的都是 心室的激动，所以合称q r s 群，其宽度一般小于0 1s ，最大振幅不超过5 m v 。 5 s t 段指q r s 波群终点到t 波开始一段，是自心室肌全部受到激动 ( 产生q r s 被群) 以后，至心室复原再度在体表产生明显的电位差( t 波) 之前 的一段平线。在正常范围的心电图中，s t 段可能较等位线稍高或略低。正常 s t 段压低( 即向下偏移) 不应超过0 0 5m v 。 6 j 点q r s 波群与s t 段的结合点，也可以说是q r s 波群的结束或s 波 的结束。大多在等电位线上通常随s t 段的偏移而发生移位；有时可因除极尚 未完全结束，部分心肌已开始复极致使j 点上移；也可由于心动过速等原因使 心室除极与心房复极并存，导致心房复极波重叠于q r s 波群的后段，从而发 生j 点下移。 7 t 波t 波表示心室复极波，它是继s t 段之后的一个幅度较低而占时 较长的波。t 波由基线慢慢上升达到顶点，随即较快速下降，故上下两肢不对 称，倒置的t 波也是如此，但t 波不应低于r 波的1 1 0 。 8 u 波在t 波之后有时可以看到一个很小的正向波，它表示心肌激动的 后继电位变化。 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 2 1 2 心电信号特征及干扰 一般电信号有三大特征：幅度、频谱、及信号源阻抗。作为生物电的心电 信号也是如此，它具有如下特征： 1 微弱性心电信号是自人体体表特定点处拾取的生物电信号，信号通 常十分微弱，其幅度一般不超过5 m v ，典型值为1 n l v ： 2 低频特性人体的心电信号十分微弱，频率较低，其频谱范围一般为 0 0 5 1 0 0 h z ，频谱能量主要集中在0 5 3 5 h z 之间n 劓； 3 高阻抗特性作为心电的信号源，人体源阻抗一般较大，可达几k q 到 几十k o ，它将给心电检测带来误差和失真； 4 不稳定性和随机性人体是在内环境与外环境相适应的条件下维持其 新陈代谢和生命的，为适应各种外环境的变化，人体内的各种系统的功能活动 都在相互影响中不同地变化调整着，以便在内环境中保持平衡。同时遗传等因 素也会造成人体的个体差异性。由于人体所处内外界环境在时空上的复杂多变 性和个体差异，使得人体心电信号表现出不稳定性和随机性。 由于心电信号具有微弱、低频、高阻抗和随机性等特性，极其容易受到干 扰，所以分析干扰的来源，以便采取相应的滤除措施，是数据采集重点考虑的 一个问题。人体处在各种纷繁复杂的电磁环境中，心电信号中不可避免地夹杂 着高强度的干扰。常见干扰有如下几种： 1 工频干扰由于供电网络无所不在，因此5 0 h z 的工频干扰是最普遍 的，也是心电信号的主要干扰来源。它主要通过人体和测量系统的输入导线的 电容性耦合，以位移电流的形式引入，其强度足以淹没有用的心电信号。 2 高频电磁场干扰随着无线电技术的发展，各种频段的无线电广播、 电视发射台、通讯设备、雷达等的工作使空中的电磁波大量增加。这些高频电 磁干扰也可通过测量系统与人体连接的导线引入，可能引起测量结果的不稳 定，严重时会使测量系统不能工作，必须加以抑制。 3 电极极化干扰心电的拾取是通过在人体体表放置电极来进行的。与 电极接触的是电解质溶液( 导电膏、汗液或组织液等) ，从而会构成一个金属一 电解质溶液界面，因电化学的作用，在二者之间会产生一定的电位差，称之为 极化电压。极化电压的幅度- 二般较高，在几毫伏到几百毫伏之间“5 1 。当两电极 状态不能保持对称时，极化电压就会产生干扰，特别是在电极与皮肤接触不良 以致脱落的情况下更为严重。同时电极在皮肤表面的移动也会引起电位差变 化。 哈尔滨理_ t 大学工学硕上学位论文 4 肌电干扰兴奋和收缩是肌肉的基本功能，在神经系统的控制下，肌 肉机械性活动并伴随有生物电活动。这些生物电活动产生的电位差随时间变化 的曲线即为肌电图。肌电通常是一种快速的电变化，其频率范围为 2 0 5 0 0 0 h z n 6 1 。 5 测量设备本身的干扰信号处理所采用的电子设备本身也会产生仪器 噪声。这类干扰一般具有较高的频率特性，容易通过低通滤波加以滤除。 2 i 3 心电信号检测要求 通过对心电信号的特征及其干扰分析，我们主要从增益、频率响应、输入 阻抗、共模抑制比、低噪声、低漂移几个方面进行分析，实现对微弱心电信号 检测。 1 增益由于心电信号非常微弱，只有0 0 5 5 m v ，典型值为i m v ，因 此心电放大器的放大倍数需要很高，一般为8 0 0 - 1 0 0 0 倍左右。 2 频率响应由于人体心电信号的频谱范围为o 0 5 i d o h z ，所以，要求 心电放大器在此频率范围内必须不失真地放大所检测的各种心电信号，为了减 少不需要的外噪声，心电信号用高通滤波器和低通滤波器来压缩通频带，同时 必须设计抗5 0 h z 工频干扰电路，这样经过心电放大器的心电信号才具有可靠 的诊断价值。 3 高输入阻抗心电信号的提取必须考虑到心电放大器的输入阻抗。心 电放大器通过电极连接到人体上。由放大器的输入端向人体方向看去，从电 极、导电膏、皮肤( 角质层、粒层、汗腺) 、组织液到心脏外壁形成了信号源阻 抗n7 1 。由于心电信号源阻抗具有高阻抗的特性，而心电信号是微弱的，若心电 放大器的输入阻抗不高，那么经过分压后，心电放大器输入端的信号就非常微 弱了。心电信号损失严重，而且信号源过负荷使心电信号产生畸变。 信号源阻抗不仅因人而异，因生理状态而异，而且在测量时，与电极的安 放位置、电极本身的物理状态都有密切的关系。源阻抗的不稳定，将使放大器 电压增益不稳定，从而造成难以修正的测量误差。所以只有较高的输入阻抗， 才能确保增益的稳定性。 此外，由于信号源阻抗一般不完全相等，这种不相等的结果就使得共模干 扰向差模干扰转化，从而造成共模干扰输出。信号源阻抗一般在数k f l 至数十 k q 之间，心电放大器的输入阻抗应该比源阻抗高两个数量级n 8 1 ，故心电检测 电路输入阻抗要求大于5 m r ) ，才能不失真地引出心电信号。 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 4 高共模抑制比电极与皮肤接触引起的极化电压可作为直流共模干扰 输入到心电放大器，其值可能达到数百毫伏的程度，远比心电信号大得多。而 且心电信号的检测要受到现场很多电气设备运行时的干扰，尤其是市电的共模 干扰，还有其他共模干扰常把微弱的心电信号淹没。为了防止心电信号的输出 被淹没在5 0 h z 的电压、电极极化电压或其他共模干扰电压之下，所以我们设 计的检测电路c m m r 应达到8 0 d b 以上。 5 。低噪声、低漂移在心电放大器中，由于增益较高，噪声和漂移是两 个较重要的参数，心电放大器运行过程中的噪声主要表现为电子线路的固有热 噪声和散粒噪声，这都属于白噪声，其幅值成正态分布。所以在设计心电放大 器时应尽量选用低噪声元件，以降低噪声并进一步提高输入阻抗。 另外，考虑到本监护仪的便携特性，所以在选择放大器时，同时要考虑到 其功耗及体积的特性，以便更好地降低整机的功耗和体积。 2 2 ，d 电信号检测原理 在心脏兴奋过程中出现生物电源，产生电流，它在周围组织里流动，所以 有可能通过心脏外的一对电极测得到它的时变电势差，即心电图。这对电极构 成了最简单的心电描记导联方式。临床上为了便于比较所获得的e c g 波形， 对测定e c g 的电极位置、引线与放大器的联接方式有严格的统一规定，称之 为心电图导联n 引。此线路装置包括电极与导联线。置于四肢的电极放在两腕， 两踝内上侧0 0 5 m 处。连接四肢的导联线的颜色也有统一的规定，红、黄、 绿、黑色导联线分别连于右上肢、左上肢、左下肢、右下肢上电极啪1 。根据电 极的放置位置及连接方法的不同，常用的有标准双极导联，加压单极肢体导 联，单极胸导联三种乜。而在心电监护仪的i 临床使用中，根据不同的要求可以 选择不同的导联，本文采用单极胸导联。 在心电信号检测中，摄取人体内的生物电的导体称之为电极。它的阻抗、 极化特性、稳定性等对测量的精确度影响很大托刳。为了准确、方便地记录心电 信号，要求电极( 传感器) 从离子导电变成电子导电的电化学半电池反应的可逆 性要好。目前国内外供临床广泛使用的电极为银一氯化银电极。它是用银粉和 氯化银粉压制而成的，是一种较为理想的体表心电信号检测电极。使用时，电 极片和皮肤之间充满导电膏，形成一薄层电解质来传递心电信号，从而有效的 减小了由于电极片与皮肤直接接触所造成的极化电压。 心电检测前端的电极及导联选择好后，检测电路将主要针对心电信号的特 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 点和干扰进行设计。由于心电信号是自人体体表特定点处拾取的生物电信号， 其是一个非常微弱的非正弦的低频信号，一般只有0 0 5 5 m v ，典型值为 l m v ，可低至几十微伏，频谱分布在0 0 5 1 0 0 h z ，主要频谱分量集中在 0 5 3 5 h z 。要采集这样的信号，首先必须设计合适的心电信号检测电路。 在心电放大器输入回路内，由于电极和与电极接触的电解质溶液( 导电 膏、汗液或组织液等) 之间存在着复杂的离子交换过程，在其接触面形成极化 电动势e p l 和e p 2 ，当e p l e p 2 时，其差值比心电信号大得多，能达到数百毫 伏幢3 。差值信号与心电信号一起，由心电放大器放大，势必造成前置放大器静 态工作点的偏离，甚至进入截止或饱和，引起心电放大器的阻塞，所以心电检 测电路的前置放大器的增益不能太大。我们设计的放大器前置放大增益为1 0 倍，再经过后置放大器放大后，达到心电信号的放大要求。 心电信号是低信噪比的周期性微弱信号，在e c g 信号采集过程中，易受 仪器、人体等方面的影响，并混有很强的工频干扰，因此放大后的信号还要经 过滤波处理以保证通带为o 0 5 1 0 0 h z ，并抑制5 0 h z 工频干扰。 单极胸导联接法是将胸部电极( 探测电极) 引出的电位经电阻接到前置放 大器的输入正极，r 、l 各电极( 中性电极) 经电阻汇接到中性点，再接到放 大器的输入端负极。 。 2 3 系统整体结构设计 远程心电信号监护系统是一个跨越地域较广的网络监测系统，它总体上 分为两大部分：( 1 ) 佩戴在各个患者身上的心电信号监护终端；( 2 ) 远程服务 器监护软件，系统框图如图2 2 所示。 心电信号监护终端 远程服务器监护软件 图2 2 远程心电信号监护系统框图 f i g 2 - 2f r a m ec h a r to fr e m o t ee c gm o n i t o r i n gs y s t e m - l l - 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 设计上采用上、下位机结构形式来实现远程心电信号监护系统，并在上、 下位机功能实现中采用模块化设计思想。该系统主要由以下几个模块组成：心 电数据拾取模块、m c u 控制模块、无线数据传输模块以及上位机处理模块。 其中心电信号监护终端由心电数据拾取模块、m c u 控制模块、无线数据传输 模块构成，而远程服务器监护软件则由上位机处理模块构成。 上、下位机的结构形式，给设计带来了极大的便利。下位机可以解放出来 进行心电信号提取和特征心电参数的监测，而不必进行十分复杂的心电信息综 合处理。这样就可以尽量把下位机模板做得小巧，便于患者佩戴。由于计算机 的数据处理能力比单片机要强大得多，所以上位机接收到下位机传送来的心电 数据，可以进行复杂的后期心电数据处理。如可以建立病人的心电信息数据 库，为以后治疗提供依据。 模块化设计的思想将比较复杂的系统分解为几个相对独立且容易实现的功 能模块，然后再通过中央控制器将各功能模块联系起来协调工作，最终实现整 个无线心电监测系统。可见这是一个由易到难的设计思路，各个功能模块相对 独立，这为实验调试带来方便，也有益于以后系统的维护与升级。 2 4 本章小结 本章简述了心电检测的生理学基础，并分析了心电信号的特点及其干扰， 针对心电信号的特点和干扰，分析心电信号检测要求；介绍了心电信号检测原 理，结合心电信号检测原理设计了系统整体结构方案，并根据此整体设计方案 进行下一阶段的硬件和软件设计。 哈尔滨理工人学工学硕。l 学位论文 第3 章系统硬件设计与实现 3 1 系统硬件组成 远程心电信号监护终端包括两个部分乜引：心电信号检测电路和数据传输电 路。心电检测电路主要包括电极、心电导联、前级保护、前置放大、二阶高通 滤波、5 0 h z 陷波、二阶低通滤波、后置放大及电位平移等几个部分。传输电 路主要由s p c e 0 6 1 a 单片机、g p r s 模块、s i m 卡电路、模块供电电路组成。 整个硬件组成如图3 1 所示。 前 后 级置 保 阶5 0 阶 放 ds g i m 吣3 0 0 邑极 护 高h z低入 大 s p c e 0 6 1 a il及 及-r 叫 通 叫 陷 叫 通 - - 电 - 1 单片机 d 电源| j - 昔 前 滤 波滤 置 位 放 波波 平 大移 图3 1 远程心电监护终端框图 f i g 3 1f r a m ec h a r to fr e m o t ee c gm o n i t o r i n gt e m i n a l 3 2 信号检测电路设计 3 2 1 输入保护电路与前置放大电路 输入端由一个保护电路组成，保护电路是由两个二极管组成的双向限幅电 路，其对来自人体或外部高压干扰进行限幅，防止因过度激励造成运放逆转而 失效。 由于心电信号很微弱，容易受到各种干扰，例如交流电磁干扰信号等，并 且干扰信号要比心电信号大很多，并且一般这些干扰信号对输入电路来说属于 共模信号，要求前置放大电路有较高的共模抑制比。所以前置放大器我们选用 。 哈尔滨理丁大学r t 学硕上学位论文 美国a n a l o gd e v i c e s 公司的a d 6 2 0 a n 模拟放大芯片，具体电路如图3 - 2 所 示。 图3 - 2 前级保护和前置放大电路 f i g 3 - 2c i r c u i to ft h ep r e c e d i n gp r o t e c t i o na n dp r e a m p l i f i e rm a g n i f y i n g a d 6 2 0 的主要性能指标：最大输入失调电压5 0 u v ，最大失调漂移 o 6 9 v c ，最大偏置电流l n a ，最小共模抑制比1 0 0 d b ( g = 1 0 ) ，低噪声： 9 n v x 瓦， l k h z ，输入电压噪声为0 2 8 b t vp - p 噪声( 0 1 h z - 1 0 h z ) 。a d 6 2 0 的增益通过l 脚和8 脚之间的电阻r 设置完成，公式为 r ：i 4 9 _ 4 k ( 3 - 1 ) r = 其中g 为放大倍数。这里为了使r 为整数，取g = 1 0 9 8 ，则r 6 = 5 k 。为防 止后级放大器工作点漂移，可以采用漏电很小的金属膜电阻。 由于心电信号是双极性交流信号，为保证负半周信号不被削波，采用双电 源供电才是比较行之有效的措施。 3 2 2 滤波电路 一 3 2 2 1 二阶高通滤波电路由前面对心电信号特点和干扰的分析可知，心电信 号大部分有用信息集中在0 0 5 - 1 0 0 h z 之间，而且在前级还存在由于测量电极 与人体皮肤表面接触形成的半电池而产生的直流电压影响，其幅值为几毫伏至 几百毫伏不等，加上人体表面各部位之间还存在一定的电位差，使得心电信号 哈尔滨理工人学工学硕：仁学位论文 检测放大器的输入端总会存在比心电信号大几十倍的直流信号，最大可达 3 0 0 m v 。所以我们设计了一个截止频率为o 0 5 h z 二阶高通滤波电路，以提取 有用的心电信息，有效的消除极化电压对心电信号的干扰。具体电路如图3 3 所示。 v= 图3 - 3 二阶高通滤波电路 f j g 3 。3c i r c u i to f t w or a n kh i g h - p a s sf i l t e r 其各个参数表达式如下： 传递函数：a 。，2 i ：毒j 至乏主芝兰乏善 截止频率：厂：芦一叩2 万民( 马+ 岛) c 6 c 7 品质因素： q = ( c 6 + c 7 + c g ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) 通过对电路的仿真和实验，实际电路中我们取截止频率为f e = o 0 5 h z ， r f 2