（控制理论与控制工程专业论文）心电信号远程监测系统的研究与设计.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着生活节奏的加快和老龄化社会的到来，心血管疾病已经成为严重威 胁人类健康和生命的主要疾病，而现有的医疗系统无法满足人们对心血管疾 病的及时发现和诊治。为解决这个问题，本文研究设计了一种基于g p r s 无 线通讯的远程心电监测系统。该监测系统可方便地监测患者的心电信号并通 过g p r s 网络将信号传输到远程医院监护中心，由医护人员及时诊治和救助。 本文在阐述了人体心电产生机理的基础上，深入分析了心电信号的特点 及其主要干扰源，并根据远程心电监测系统的设计要求，提出了基于g p r s 无线传输技术的远程心电监测方案。 针对心电信号及其干扰信号的特点，设计了心电信号的硬件检测电路。 该检测电路通过心电导联采集患者的心电信号并对其进行两级放大、高低通 滤波、5 0 h z 陷波器和电平抬升等模拟处理，然后送入以m s p 4 3 0 f 4 4 9 超低 功耗单片机作为微处理器的处理单元，进行进一步的数字处理。 为进一步去除心电信号中的噪声，本文探讨了心电信号的数字滤波方 法，采用基于小波变化的m a l l a t 快速算法对心电信号进行去噪处理，滤除心 电信号中的噪声干扰。小波去噪方法采用汇编语言编程，并在m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机上实现。 本系统的g p r s 无线模块m c 5 5 采用r s 2 3 2 串口通信的方式与 m s p 4 3 0 f 4 4 9 相连接，通过单片机底层的软件设计，完成了对m c 5 5 模块的 a t 指令控制，实现了对心电数据的无线传输。 本文所研究的心电信号远程监测系统实现了用户在自由活动条件下的 远程监护，并为下一步多生理参数远程监测系统的功能扩充打好基础。 关键词：心电信号远程监测m s p 4 3 0 单片机 m a l l a t 算法 g p r s a b s tr a c t w i t ht h ea c c e l e f a t e d p a c eo fs o c i a l 1 i f 宅a n dt h e c o m i n go fa g e i n g s o c i e t y ，c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s eh a sb e c o m eam a j o rd i s e a s et h a ts e r i o u s l yt h r e a t t op e o p l e sh e a l t ha n dl i f e t h ec u r r e n tm e d i c a lc a r ea p p l i c a t i o n sa r ef a c e dw i t h t h ep r o b l e mo fc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e sd e t e c t i o na n dt r e a t m e n tt i m e l v i no r d e r t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h ei 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 ras e to ft e l e m e d i c i n e e c gd e t e c t i n gs y s t e mb a s eo ng p r si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r i tc a nm o n i t o r t h ep a t i e n t se c ga n ds e n db o gd a t at ot h eh e a l t hc a r ec e n t e r t h ed o c t o ro ft h e c e n t e rw i l lq u i c k l ym a k es o m ed i a g n o s i s ，a n d 西v es o m er e s c u et ot h e p a t i e n t i na d d i t i o nt os t u d yt h eh u m a ne c g p r o d u c i n gp r i n c i p i e ，id e e p i ya n a i y z e d t 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 o u r c e a tt h ei n s t a n c eo f e c g s i g n a ld e t e c t i n gd e s i g nr e q u i r e m e n t ，t h eg p r st e c h n i c a li sc h o s e nf 0 rt h e t e l e m e d i c i n ee c g d e t e c t 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 ro fe c gs i g n a l ，t h ee c gd e t e c t i n gh a r d w a r e s y s t e mi sd e s i g n e di nt h i sw o r k t h i sd e t e c t i n gc i r c u i tc o l l e c te c gs i g n a la n d m a k es o m es i m u l a t i o n m a n i p u l a t i o n ， s u c ha s t w o s t a g em a g n i f y i n g ， h i g h p a s s l o w p a s sf i l t e r i n g ，5 0 h zb a n dt r a pa n de l e c t r i c i t ys m o o t hc h a n g i n g t h ec o n e c t e de c gs i g n a lw i ub es e n t t o s i g n a lp r o c e s s i n gu n i t ， w h o s e m i c r o p r o c e s s o ri sm s p 4 3 0 f 4 4 9s i n 9 1 e c h i pw i t h1 0 wp o w e rc o n s u m i n g t h e e c g s i g n a lw i l lb ed i g i t a l l yp r o c e s s e dw i t ht h em i c r o p r o c e s s o r i no r d e rt od e n o i s et h ee c g sn o i s ed e e p l y ；t h i sp a p e ra n a l y z e s d i g i t a l f i l t e r i n gm e t h o d so fe c gs i g n a l ，a n da d o p t sm a l l a ta l g o r i t h mo fw a v e l e t t r a n s f o 册t od e n o i s et h ee c g sn o i s e t h es y s t e mu s e sa s s e m b l el a n g u a g e p r o g r a m m et h ew a v e l e td e n o i s i n g ，a n dr e a l i z e st h ef u n c t i o no nm s p 4 3 0c h i p t h es y s t e ma d o p t sr s 2 3 2s e r i a ii n t e r f a c et oi i n kt h eg p r sm o d u l a ra n d m s p 4 3 0 f 4 4 9c h i p m s p 4 3 0b o t t o mp r o g r a mu s e st h ea tc o m m a n dt oc o n t r o l t h eg p r sm o d u l e ，w h i c hr e a l i z et h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o no fe c gd a t a t h et e l e m e d i c i n ee c g d e t e c t i n gs y s t e mc a nm o n i t o rt h eu s e r ，ss t a t ew h e n h ei su n d e rt h ef r e ec o n d i t i o n f u r t h e r i i l o r e ，t h i sp a p e rd ot h eg r o u n d w 0 1 kf i o r n e x tt h em u l t i p a r a m e t e rd e t e c t i n gs y s t e m 如n c t i o ne x p a n s i o n k e yw o r d s ：e c gs i g n a l ； l o n g - r a n g em o n i t o r i n g ；m s p 4 3 0s i n g l e c h i p ； m a l l a ta l g o r i t h m ；g p r s ， - _ - - 一一。 。独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 孝嫱 日期：b 口轳，厶 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：鸯嫱 日期：沙乎 西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 1 绪论 1 1 引言 随着社会的进步，科技的发展，人类的健康观念、健康方式和途径都发 生了深刻的变化，科学技术的革命必然推动医疗领域的变革。为了满足群众 的需求，我国的医疗体制不断的改革创新，传统的以医院为中心的医疗模式 正逐步转变为以家庭为单元的社区医疗模式，远程医疗作为医疗领域的一个 新模式，正在迅速发展壮大。 远程医疗是医学和家庭保健在互联网和计算机技术广泛应用下出现的 一门新兴技术，是本世纪生物信息技术的产物。它以计算机和网络为基础， 针对医疗资料( 包括数据、文本、图片和声像资料) ，进行远距离视频、音 频信息传输、存储、查询及显示，实现远程诊断、信息服务、远程教育等多 种功能。 远程医疗最早应用于航天事业，用于监测宇航员在航天飞行器上的生命 指标。我国从上世纪8 0 年代才开始远程医疗的探索：1 9 8 8 年解放军总医院 通过卫星与德国一家医院进行了神经外科远程病例讨论；解放军总后勤部卫 生部也提出了国家“金卫工程”军字2 号工程，即建设全军医药卫生信息网络 和远程医疗会诊系统；清华大学曾开发了采用程控电话网的家庭心电血压 远程监护系统；第四军医大研制出一套军用的野地远程监护系统；上海大学 正在研制车载监护系统。 家庭医疗保健工程( h o m eh e a l t hc a r ee n g i n e e r i n g ，简称h h c e ) 是远程 医疗的一个具体实现，是目前国际上公认的一种较为理想的卫生服务模式， 也是我国卫生体制改革的重要方式。通过对远程对象生理功能的监测，为其 提供适当的护理与医疗服务。远程监护中最重要的一个生理参数就是心电信 号，因此心电信号的远程监测即成为家庭医疗保健工程的一个重要环节。 1 2 课题背景及研究意义 心脏病是威胁人类生命的严重疾病之一，随着人们生活节奏的加快以及 工作压力的加大，心脏病的发病率不断提高。在美国、日本和欧洲，心脏疾 病居人口疾病死亡率的第一位，在我国居第三位。根据统计学显示，大约有 6 0 的心脏病死亡发生在病人家中。我国心脏病患者约有七千万人，死亡原 因主要是致命性心率失常和急性心梗。据北京急救中心统计，7 1 以上病发 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 于家中或工作现场，大部分人因失去抢救时间死于医院外。此外，多数人 的心脏病发作往往是短暂与随机的，患者难以及时赶到医院进行心电图描 述，从而影响诊断。临床资料显示：猝死的原因以心血管疾病居首位，约占 一半以上。这些病人如果能够获得及时的抢救与护理，是极有可能避免死亡 的。由于心脏病发作带有很大的偶然性和突发性，将心电监护从床边、医院 扩展到社区、家庭，利用当前日益普及的网络技术对心脏病人实施远程监护， 不论是从减轻患者的经济负担，提高对病情的早期预防能力，还是从增强医 院的服务能力来说，都具有非常重要的现实意义和推广价值。 随着社会老龄化趋势的加剧，解决长期慢性病的监护特别是心脑血管疾 病的监护已经成为重要的社会问题。因此，我们需要开发一套携带方便、成 本低的远程心电监测系统，该系统可以实时监测患者的心电信号，并通过网 络将监测到的心电信号传输到医院监护中心，由医生对心电信号进行分析、 处理和诊断，及时提醒患者服药或者入院检查，最大限度提高突发心脏病救 治成功率，为患者和医生架起沟通的桥梁，真正实现远程医疗监护功能。 综上所述，运用远程监测技术对患有心脏病的患者进行远程监护，具有 非常好的现实意义： ( 1 ) 缩短医生和患者之间的距离，节省了时间和社会的医疗资源； ( 2 ) 可以对病人进行远程诊断，减小病情偶然性和突发性带来的危险， 既节省患者的医疗开支，提高患者的健康水平，还可评估监测对象健康状况； ( 3 ) 远程监护可以在患者熟悉的环境中进行，减轻了患者的心理压力， 提高了诊断的准确性； ( 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 时的救治： ( 5 ) 对健康人群的远程监护，可以发现疾病的早期症状，从而达到保健 和预防疾病的目的。 1 3 远程心电监测系统的发展状况 心电研究的起源可追溯到1 8 9 3 年，e i n t h o v e n 研制出了以“弦线型放大 器 为核心的心电图机，并于1 9 0 5 年正式应用和推广到临床。随着先进的 电子技术的不断发展，心电图机的发展经历了弦线型电流计、电子管放大式、 小规模集成电路、大规模集成电路的时代。心电监测系统从原来庞大的心电 图机逐渐演变成现在精巧、美观、实用的心电仪器，实现心电监测的便携性。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 131 便携式心电监测系统 现在各个医院普遍应用的便携式心电监测系统是由美国人h o l 缸于 1 9 6 1 年发明的h o l t e r 系统。即磁带记录式心电监测系统。h o l t e r 系统由两 部分组成：心电磁带记录器和心电磁带回放仪。h o l t e r 系统利用磁带记录器 将心电数据记录在磁带上，病人把磁带记录器带在身上后。可以l 叫家正常地 生活1 二作，期目j 可记录f2 4 小时的心电图，然后再送回医院由专用计算 机控制的回放仪进行回放分析和诊断n 。 h o l t e r 型监护设备具有连续记录、记录时间长的优点。然而心电h o l t e r 只能记录心电信号，没有任何分析功能，更不具备远程传输能力，使用者在 使用后，必须每天回到医院，由专用设备读取和分析。 2 0 0 6 年，香港力康集团推出了我国第一台快速心电检测仪“爱心 宝p r i n c e1 8 0 ”如图1 - 1 。爱心宝足我国目前体积最小的心电检测仪，独 有的芯片集成内核，通过手掌礴应电极或胸感应电极提取心电信号，摆脱了 以往有线电极的束缚，3 0 秒轻松完成一次心脏监测，并且能耗低只需2 节7 号电池，可连续检测5 0 0 次以上，还具有存储记录功能真正实现了心 电检测的便携性n ，。 图卜1爱心宝p r l n c e1 8 0 f l g 卜1 p o r t a b lee c gm o n l t orp r ln c e1 8 0 132 便携式远程心电监测系统 远程心电监测系统是心电检测技术在远程医疗中的应用，也是目前心电 监测方面的研究热点，由h o l t e r ( 动态心电监测) 技术与现代电子计算机及 通信技术相结合形成的，同时实现了心电监测设备的小巧性、便携性和可传 输性，为远程医疗做出了巨大的贡献。 心脏b p 机系统是便携式远程心电监测系统的一个早期应用。该系统 的远程终端一般包括一个类似b p 机大小的心电图监护记录单元和通信单 元。监护记录单元的功能是对佩带者的心电国进行监护。当发现心电异常或 佩带者感到不适时按下按钮可l 己录一定时间长度的心电图，然后使用者可以 将此心电上传给p c 机，由p c 机上网传送到医院。也可以将监护电录单 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 元放在通信单元卜，将记录的心电图通过接口转换经电话线送往医院的监护 中心。随着f 1 a s h 存储器容量的增大，价格的卜降，存储时间己经可以达到 2 4 小时。这种方式的缺点是显而易见的，实时性太差，信息量有限。 心电宴时监护系统是通信技术在心电监测方面的进一步麻用。它又分为 电话心电遥测系统和无线心电遥测系统h 一。电话心电遥测是通过声耦台把心 电信号传输送到医院，它较心脏b p 系统在实时性上有所改进，但仍然会限 制病人的活动，且难以做到长时期的监护。无线心电遥测系统的用户终端单 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。无线心电遥 测可以让瞒人在一定范同内自由活动，其心电信号能实时地反映在遥测分析 系统中。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。心电实时监护系统较好地解决了心电信号 的实时监测问题，但它不具备移动性其应用范围和推j 1 都受到很大限制”1 。 随着蓝牙无线通讯技术的问世和快速发展，国内外又出现了无线短距离 的心电监测系统，例如广州青量医疗科技有限公司生产的口袋式心电图机， 如图1 2 所示。 兰蓟j 围卜2口袋式心电图机 f 。g1 2 t h ep lc t ur e 。fd o c k e te c g 该系统采川的是蓝牙无线通讯技术，以掌上电脑和p c 作为操作平台， 具有手持化、移动化、刚络化、数字化、无线化等特点，相当丁台数字“口 袋式”的心电图机，使用携带方便。心电图机可通过i n t e r n e t 网络和院内局 域网接入医院服务器，实现高质量的远程及院内心电会诊。其心电采集器和 p c 、p d a 之间通过蓝牙技术传输心电数据。 由于蓝牙无线通讯技术只能进行近距离的传输，若需要远距离数据传 ，7西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 输，就要将检测的数据信号传输到p c 机，再由p c 机通过i n t e m e t 网络和院 内局域网接入医院服务器，在一定程度上限制了使用范围。 移动通信技术从模拟移动通信发展到数字移动通信g s m ，到目前比较 流行的2 5 代的c d m a 和g p r s ，正在向第三代移动通信发展。与此同时， 移动通信在覆盖范围、传输速度以及通信质量等方面都有了日新月异的进 展。利用移动通信可以使用户在心电监护中不受活动限制，而且在高山、野 外及移动过程中都能得到监护，在急救过程中依然是无法替代的最佳通信方 法之一。此外，数字移动通信在抗干扰、安全性、大容量信息传递上都具有 其它通信方式无法比拟的优越性。这些技术特点使得移动通信技术逐渐成为 远程心电监护中最主要的通信载体之一，。 鉴于移动通信技术的种种优点以及通讯手机的普遍应用，我们可以运用 c d m a 或g p r s 通信技术作为无线传输的载体，来实现心电信号的远程传 输，研究开发一种新型的远程心电监测系统，增强远程监护系统的实时性、 交互性和通用性，扩大应用范围。 1 4 课题来源和论文主要研究内容 1 4 1 课题的来源 本课题来源于四川省科技厅科技攻关项目： 生理参数远程实时监测系统研究与开发 该项目研究的目的就是能够设计出一套可行的生理参数远程移动监护 系统。该系统能够准确地检测人体的生理参数( 包括心电、血压、体温等) ， 并通过g p r s g s m 无线网络远程传输到社区医疗监护中心，由社区医疗服 务中心管理生理参数信息，并做出准确的诊断和及时的救治，实现对病人的 远程实时监护。 科技攻关项目的主要设计思路： ( 1 )随身便携式检测终端其功能是对医学监测人员的心电、体温和血压 等指定生理参数通过随身检测模块进行监测，对获取数据通过g s m 短信息 或g p r s 无线网络方式与中心信息处理服务系统进行数据交换，使监测数据 实时地送往社区或医院监护中心交医生处理，能够及时得到医生诊断结果和 治疗意见。 ( 2 )中心信息服务系统： g s m g p r s 无线接收系统，能够通过g s m 网络接收终端机发送来 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 的参数，保证参数接受的准确性。 中心数据库系统，采用成熟的数据库开发工具，如p o w e r b u i l d e r ，s q l s e v e r 等，建立一个对应每一终端用户信息的数据库。 用户信息分析、报警和解决方案系统。在数据库的基础上，开发一 个基于现代医疗技术的数据分析子系统，定期对用户的资料进行遍历，对生 理参数出现危险的用户发出警报( 该警报由终端接收并直接告之用户) 。同 时，该系统根据当前的情况自动给出建议应急方案，也由终端告之用户。 1 4 2 论文主要研究内容 本文主要负责生理参数远程实时监测系统研究与开发项目中心电信 号的实时检测和远程传输任务的研究。因此，提出了一种基于g p r s 无线通 信、超低功耗、体积小巧的便携式远程心电监测系统的实现方案。该系统能 随时随地地监测人体的心电信号，并通过g p r s 无线网络传输到医院监护中 心，供医生及时诊断和救治。 本论文研究的工作内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 系统的整体设计方案。本文在分析现有心电信号检测方法的基础上， 深入研究心电信号的检测技术和无限传输技术，进而提出一种基于g p r s 无 线网络传输的心电远程监测系统的可行性方案。 ( 2 ) 系统的硬件设计部分。在本论文中，通过研究心电检测技术和无线 传输技术，选择合适的参数，确定具体的模拟放大芯片和微处理芯片来完成 心电信号检测电路、单片机处理电路、无线传输电路和电源电路的硬件设计， 并针对各部分硬件电路进行实验调试。这是论文的一个重要研究内容。 ( 3 ) 心电信号的数字滤波方面。在数字滤波方面，分析了心电信号检测 过程中噪声产生的原因，通过比较现有的各种心电检测的数字滤波方法，选 用基于小波变换的m a l l a t 快速算法来滤除信号中的噪声干扰。因此如何利用 小波去噪算法滤除心电信号中的干扰噪声是本文研究的重点之一。 ( 4 ) 系统的软件设计部分。本文选用t i 公司的m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机作 为系统的微处理器，通过编写控制程序实现对心电信号的数字处理和g p r s 模块的无线通信功能。软件部分的编程也是本论文的一个工作重点。 ( 5 ) 心电信号的无线传输部分。为了将心电信号传输到远程医疗监护中 心，本文采用何西门子公司的无线传输模块m c 5 5 作为传输平台，运用g p r s 无线网络通信技术，将检测到的心电数据传输到远程医院监护中心。如何运 用g p r s 技术来传输心电数据同样也是本文的一个研究重点。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 1 5 论文的结构安排一 - 第一章为绪论，主要介绍了课题的背景和意义，心电信号远程监测系统 的国内外发展现状，以及本课题的主要完成工作内容。 第二章介绍了远程心电监测系统的整体设计方案。首先介绍了心电学的 基础知识，包括心电信号的特征、心电导联体系和心电信号中的噪声干扰； 其次对g p r s 无线传输技术做了简单的概述；最后根据心电远程监测系统的 设计要求和无线传输技术的特点，提出了远程心电监测系统的整体结构。远 程心电监测系统主要由心电检测模块、单片机处理模块和g p r s 无线传输模 块组成，并对各个部分的设计方法及实现方案做出了概括性的阐述。 第三章为心电信号远程监测系统的硬件设计研究。首先介绍了该监测系 统的硬件组成，然后对心电信号的检测、单片机数字处理、无线传输和电源 模块等各个硬件组成部分作了详细的介绍。心电信号的检测部分采用 t l c 2 2 5 4 2 芯片作为主放大器；单片机处理部分采用t i 公司生产的 m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机作为心电信号的处理器和控制器；信号传输部分采用西 门子公司的m c 5 5 模块通过无线传输方式连接i n t e r n e t ，把心电数据发送到 医院监护中心。 第四章研究设计心电信号的数字滤波方法。本章采用小波变换方法对心 电信号中的噪声进行去除。首先对小波变换的基本理论连续小波变换、离散 小波变换、多分辨率分析及m a l l a t 算法进行了分析研究；然后采用m a l l a t 快速算法对心电信号进行滤波处理，m a l l a t 算法滤波过程中，采用阈值去噪 法，对分解后的心电信号进行阈值处理；最后利用监测终端采集的心电信号 对m a l l a t 算法进行实验仿真。 第五章是本系统的软件设计部分。本章设计远程心电监测终端的心电数 据处理软件和g p r s 无线传输软件，最终实现心电数据的远程传输。单片机 处理部分是对心电信号的采集、a d 转换、数字滤波和外部存储功能的实现。 m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机低功耗、高速度、超大处理功能等特点，对于心电信号 的检测和实时处理有很好的帮助。g p r s 无线传输软件设计实现单片机对 m c 5 5 模块的初始化和与g p r s 网络的通信连接，并通过a t 指令控制m c 5 5 模块实现对心电数据的无线网络传输。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 系统整体设计方案 2 1 心电学基础 2 1 1心电图介绍 心电是心脏有规律收缩和舒张过程中心肌细胞产生的动作电位综合而 成的心电信号。正常人体内，由窦房结发出的次兴奋，按一定的途径和时 程，依次传向心房和心室，引起整个心脏的兴奋。因此，每一个心动周期中， 心脏各部分兴奋过程中出现的电位变化的方向、途径、次序和时间都有一定 的规律。这种生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液反映到身体表面上 来，使身体各部位在每一个心动周期中也都发生有规律的电变化。将电极放 置在人体表面的一定部位，记录出来的心肌细胞生物电变化曲线即为临床常 规心电图( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，e c g ) ，它反映心脏兴奋的产生、传导和恢复 过程中的生物电变化h ，。 常规心电图是由一系列波组构成的曲线图如图2 1 所示。 图2 1 心电波形图 f i g 。2 1 t h eo s c ili o g r a mo fe c g 上述波形的具体含义如下： p 波：反映左右两心房的电激动过程。前一半主要由右心房产生，后一 半主要由左心房产生。正常人的p 波宽度不超过o 1 1 s ，最高幅度不超过2 5 m v 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 p r 段：反映激动由心房传至心室的过程。p 波出现以后，心脏的激动 沿心房肌传至贯通心房与心室的传导系统，下传至心室。激动通过这段传导 组织时所产生的电位影响极为微弱，因此在p 波以后、心室激动以前，有一 段时间不产生电位影响。这一段称为p r 段。 q r s 波群：反映左右心室的电激动过程整个q r s 波群的宽度被称为 q r s 时限，它代表了全部心室肌激动过程所需要的时间，正常人最多不超过 0 1 s 。 s t 段：是从q r s 波群的终点到t 波起点的一段。正常人的s t 段是 接近基线的，通常不超过o 1 s 。 t 波：代表心室激动后复原时产生的电位影响。在以r 波为主的心电图 上，t 波不应低于r 波的十分之一。 u 波：代表激动的心室回到静止期的过程。正常人体的u 波是很小的n m ，。 由于心脏的生理功能与心电图之间存在着密切的对应关系，当心脏生理 功能发生失常时，均可从心电图的波形变化上反映出来。通过用肉眼观察或 用波形分析技术判读，诊断出心脏生理功能失常的情况与变化趋势，这对医 学研究和临床都有重要的意义。 2 1 2心电信号的特征 心电信号属于强噪声背景下的生物电信号，它具有以下特征阳，： ( 1 ) 微弱性：心电信号是一种微弱信号，它的幅度一般在0 0 5 m v 5 m v 之间。 ( 2 ) 不稳定性：人体在内、外环境下适应过程中，为保持动态平衡，造 成生物信息多变，心电信号也处于不停的动态变化当中。 ( 3 ) 低频性：心电信号的频率比较低，频率多集中在o 0 5 l0 0 h z 之间， 能量主要集中在o 5 2 0 h z 。 ( 4 ) 随机性：人体心电信号反映了人体的生理技能，是人体信号系统的 一部分，由于人体的不均匀性，且容易接收外来信号的影响，信号容易随着 外界干扰的变化而变化，具有一定的随机性。 2 1 3 心电导联体系 、 心电导联指在记录体表心电信号时，放置在身体特定部分的电极和输入 导线之间的连接方式。截至目前，共有1 2 种导联方式被推荐为国际通用导 联方式，即常规导联方式。 西南科技大学硕士研究生学位论文第l o 页 ( 1 ) 标准肢体导联 此套导联方法是e i n t h o v e n 于1 9 0 3 年提出标准i 、i i 、i 导联。e i n t h o v e n 把人的躯体简单地看作为一个导电性能均匀的圆形平面，他根据这个假说选 用了人体的三个肢体( 左、右上肢和左下肢) 作为安装电极的位置，从而形 成了这三个导联： i 导联：正极接左上肢，负极接右上肢。 i i 导联：正极接左下肢，负极接右上肢。 导联：正极接左下肢，负极接左上肢。 ( 2 ) 单极胸导联 w i l s o n 于2 0 世纪3 0 年代提出v 1 v 6 单极胸导联，即v i v 6 ，这类导联 的探查电极距离心脏很近，能从不同角度反映心肌的电激动。 v l ：胸骨右缘第四肋间。 v 2 ：胸骨左缘第四肋间。 v 3 ：v 2 及v 4 之中点。 v 4 ：左锁骨中线与第五肋间相交点。 v 5 ：左腋前线与v 4 同一水平线相交处。 v 6 ：左腋中线与v 4 同一水平线相交处。 ( 3 ) 加压单极肢体导联 2 0 世纪4 0 年代，w i l s o n 又发明了“单极导联 ，后经改进形成了单极 肢体导联，即使左、右上肢和左下肢的三个电极各通过一个电阻并联接到一 个点上，该点成为中心点端，电位接近于零，与心电图机的负极相连，将右 上肢、左上肢和左下肢分别连接于心电图机的正极上，就得到了单极肢体导 联v r 、v l 、v f 。但是这样得到的电位幅度较低，不利于观察，g o l d b e r g e r 改良了中心电端，提出加压单极肢体导联a v r 、a v l 、a v f 。其中探查电极 ( e x p l o r i n ge l e c t r o d e ) 接于正极，无干电极( i n d i f f e r e n te l e c t r o d e ) 接于负极。 a v r 探查电极与右上肢连接，无干电极连接左上肢与左下肢。 a v l 探查电极与左上肢连接，无干电极连接右上肢与左下肢。 a v f 探查电极与左下肢连接，无干电极连接左上肢与右上肢n ”。 2 1 4 心电信号的噪声来源 心电信号不可避免地受到各种类型的噪声干扰，抑制和排除噪声是信号 处理的重要内容。心电信号的噪声来源主要有：工频干扰、肌电干扰和基线 漂移，。 西南科技大学硕士研究生学位论文第l l 页 ( 1 ) 工频干扰：表现为心电图上呈规律性的细小波纹，这种干扰往往掩 盖了原有心电图中的细小转折，影响心电图诊断。频率成分包括5 0 h z 及其 谐波，幅度不大于e c g 峰值的5 0 。 ( 2 )肌电干扰：肌肉收缩会产生毫伏级的肌电干扰，表现为心电信号中 不规则的细小波纹，使心电图模糊不清或产生失真。一般认为，肌电干扰信 号是一种有限带宽的白噪声，频率成分从5 到2 k h z ，辅度一般为e c g 峰值 的1 0 ，持续时间短，约5 0 毫秒。 ( 3 ) 基线漂移：呼吸引起的基线漂移和心电幅度变化，人体呼吸时胸腔 内器官和组织会发生一定程度的变化，当电极固定不好时，会对体表记录到 的心电图波形幅度和形态有所影响，表现为基线随呼吸产生周期性漂移。心 电波形的幅度随着呼气和吸气而分别上抬和下移，频率成分为o 5 h z 以下， 幅度较大n ”。 除了上述三种干扰信号，由于受人体状态的影响，心电信号还具有非平 稳性，基于这些原因心电信号的处理往往十分复杂。 2 2 g p r s 无线传输技术 g p r s ( g e n e 豫lp a c k e tr a d i os e r 、，i c e ) 是通用无线分组业务的简称，是在 现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务n ”，目的是为g s m 用户提供 分组形式的数据业务。 g p r s 是g s mp h a s e2 1 规范实现的内容之一，能提供比现有的g s m 网络9 6 k b i t s 更高的数据传输速率，是g s m 网络向第三代移动通信演进 的第一步。它的意义就是：一是在g s m 网络中引入分组交换能力，二是将 速率提高到1 0 0 k b p s 以上。作为第二代移动通信向第三代移动通信的过渡技 术，它是一种基于g s m 的移动分组数据业务，支持i p 协议和x 2 5 协议。 和g s m 网络相比，g p r s 主要有以下特点q “”。 ( 1 ) 支持中、高速率数据传输，可提供9 0 5 1 7 1 2 k b i t s 的数据传输速 率，采用了与g s m 不同的信道编码方案，定义了c s 1 、c s 2 、c s 3 和 c s 4 四种编码方案。 ( 2 ) g p r s 的核心网络层采用i p 技术，底层还可以使用多种传输技 术，很方便的实现与高速发展的i p 网无缝连接，支持特定的点到点和点到 多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理。 ( 3 ) g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( q o s ) 的 计费功能，计费方式更加合理，用户使用更加方便。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 4 )采用分组交换方式，用户只有在数据传输时才占用无线信道，无线 资源可以同时被若干用户共享，大大提高了频段利用率，避免了资源的浪费。 ( 5 )g p r s 兼容短消息，允许短消息业务( s m s ) 经g p r s 无线信道传 输( 需要运营商支持) 。 ( 6 ) 业务丰富。g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输， 又能支持偶尔的大量数据的传输。它支持四种不同的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，服务质量) 级别，能在0 5 1 秒之内恢复数据的重新传输。计费方 式更加合理，用户使用更加方便。 基于g p r s 的种种优点，决定采用g p r s 无线分组数据通信作为远程 心电监测系统终端的无线数据传输方案。用g p r s 分组数据通信的最主要 原因是g p r s 网络既能满足当前通信需求，又具有良好的扩充能力。g p r s 系统能够直接采用t c p i p 数据包格式接入i n t e r n e t ，这样为远程心电监测 系统中大数据量通信提供了可能，而且这便于医院监护控制中心向患者以及 i n t e r n e t 同步发布诊断信息。 2 3 系统设计的基本要求 本论文设计的远程心电监测系统是面向市场和用户的。因此，在系统设 计的整个过程中需满足以下几方面的要求： ( 1 ) 微型化：心电监测系统设计应趋于小型化和便携化，才能方便患者 随时随地使用，从而对自己的健康有所了解。 ( 2 )无线化：无线传输技术的发展能够促使心电检测的无线化，从而摆 脱传统心脏检测的繁琐程序，同时能减轻病人的心理紧张程度，实现心电检 测的方便性。 ( 3 ) 智能化：由于使用者多为疾病患者，因此，系统的设计应简单明了， 具有一定的智能性。 ( 4 ) 低功耗：心电监测系统应使用电池供电，同时也增加安全性。电池 供电时，需要考虑低功耗，因此，硬件上首先选用低功耗元器件。 ( 5 ) 低成本：监测系统的设计趋向低成本，才能受到人们的青睐，从而 更具有市场竞争力。 ( 6 ) 可靠性：家庭应用环境会受到更多的电磁干扰，抗干扰性是系统可 靠的保证。系统设计时，应尽量避免硬件电路的电磁干扰以及软件应用的可 靠性。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 4 系统整体结构及各部分设计方案 2 4 1系统整体结构 本论文主要利用单片机和嵌入式系统，研究设计一款能够准确测量人体 心电信号的便携式装置，该监测仪能够由患者自己检测并在显示设备上显示 心电波形，也能通过g p r s 无线传输模块，将心电数据传输到社区医疗监护 中心，供医务人员查看与诊治，实现心电信号的远程实时监控功能。系统框 架如图2 2 所示。 ， 该系统主要组成部分包括：心电检测模块、单片机处理模块、g p r s 传 输模块和电源模块。 心模掣 电 数 m s p 4 3 0 一g p r s 。 采 l 转 l ，r 单片机 无线模块 集 换 r s 2 3 2 司1 。w “i 图2 2远程心电监测系统框图 f i g 2 2 b i o c kd ia g r a mo fs y s t e m 2 4 2 各部分设计方案 心电信号远程监测系统各个部分的构成与功能如下： 心电信号检测部分：本系统采用了三导联方式采集心电信号，并将其进 行放大、模拟滤波，然后送入单片机进行a d 转换。心电放大电路采用成熟 的差动放大电路进行两级放大，前置放大电路采用低功耗高精度仪用放大器 a d 6 2 0 ，并附加右腿驱动电路来提高共模抑制比；滤波电路设计了有源二阶 高通低通滤波器滤除心电信号中的高频和低频噪声，以及5 0 h z 的双t 型带 阻滤波器对工频干扰进行过滤。由于心电信号是双极性的电信号，因此模拟 滤波后需要用电平抬升电路将其抬升到一定电位，消除心电信号的负电压。 单片机处理模块：该部分采用t i 公司生产的1 6 位m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机 作为主要的处理芯片，运用其超低功耗、强大的数据处理和高效的开发环境， 适合对心电信号的准确处理。m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机自带的1 2 位高精度a d 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 转换模块，可以对采集到的模拟心电信号进行模数转换。此外，单片机系统 还需对g p r s 模块编程控制，实现其连接网关和数据传输功能。本模块主要 完成的任务是：心电信号的a d 转换、数字滤波、数据存储、串口的设计和 转换以及g p r s 模块的控制传输等等。 g p r s 传输模块：g p r s 传输部分为远程监护终端无线上网提供了硬件 平台，是心电数据从用户终端到监护中心的传输通道。本文采用西门子公司 内嵌t c p i p 协议栈的m c 5 5 模块，通过使用专用的网络服务a t 指令接入 i n t e r n e t 无线网络，进而将心电数据从监测终端传输到远程医院监护中心的 计算机上。g p r s 模块还具有发送报警短消息，接听来电等功能。 电源模块：本系统的设计要趋于微型化和低功耗，因此电源模块采用电 池供电，为心电检测电路、单片机模块和g p r s 模块提供工作电压。该模块 采用l m l l l 7 和m a x 6 6 0 电压转换模块实现5 v 电压、3 3 v 和3 5 v 电压。 2 5本章小结 本章首先介绍了心电学的基本原理，包括心电图的检测方法、心电信号 的特征、心电采集的导联方式以及心电信号检测过程中所夹杂的干扰信号。 然后对g p r s 无线传输技术做了简要的阐述，最后根据系统设计要求，提出 了基于g p r s 无线传输技术的远程心电监测系统的设计方案，对于系统的整 体设计方案做出了概括性的介绍，并对各个部分的软硬件设计进行了具体的 阐述。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 3 系统的硬件设计 3 1硬件整体结构 该系统硬件的总体框图3 1 所示： 图3 1系统硬件电路框图 f ig 3 1t h ebio c kdia g r a mo fh a r d w a r ecir c ui t 整个系统的硬件电路包括四个部分：心电检测模块、单片机系统、数据 传输模块和电源模块。心电检测电路主要包括心电电极、前级缓冲保护电路、 前置放大、二阶高通滤波、二阶低通滤波、5 0 h z 陷波、后置放大及电平抬 升电路；单片机系统包括a d 转换、液晶显示和串口通信电路；传输电路主 要由g p r s 模块、s i m 卡电路组成；电源电路由5 v 电压、3 3 v 和3 5 v 电 压电路组成。 3 2心电