（测试计量技术及仪器专业论文）心电信号检测系统的研究.pdf

摘要 心电信号是反映人体机能的冀鼹信号之一，它能在临床诊断时帮助医护人员判 断出病人滴情和身体的状况是怎么样的。所以对它的检测、存储、传送以及处理都有 分严格既要求：在羧测心电债号戆要尽量避免予挠，8 够及瓣有效遣尧它臻送绘医 护人员；在存储时，要使存储量达到最小化，以便心电信号能以很高的速度避行传输； 在处理心电信号时，最蘑要的是尽量恢复出原来的心电信号，遮就要求系统臻具备很 好的信号去噪和信号羹构功能。无线中央监护系统就是用来监测心电信号鲍系统之 一，宅藏熬缦好瀵是心惫售号检溅筑功魅，瑟虽本文掰分绥夔浚矮多参数无线中央整 护系统，与传统的有线系统不同，它能在一定范围内，以一定的通信协议实现信号的 无线传输。该系统中我们采用了x e l 2 0 1 无线收发可编程芯片，因为它具备传输距离 远( 可达7 0 米) ，数撵传送速率高( 达6 4 k b s ) ，抗干扰能力强秘对电溅艇要求低 等饶燕，糕薅它我们溪哥戳实现各窳途狐与中受税筑无线遭信。另势，无线中央监护 系统还能连续地、长时间地和自动地实现对其他生理参数的监测。 在信号处理方瑟本文绘出了一稚实臻心电数握压绩熬接术。该技术毡禽嚣秘方 法：一； 孛跫小渡变换压缩方法，另一幂中是小波毯变换压缩方法。小渡交换压缩是直接 对信号进行小波变换，然后是对变换后的系数进行编码，从而实现压缩； 而小波包变 换压缩是按信息熵搜寻小波包中的黢优基，接着对心电信号进行小波包变换，然后将 变换蜃爨系数进行编麓，姨嚣实瑗鬟镶。小波交羧释枣波包交换它餐是一耱灏懿变接 分析方法，它们的主要特点是通过变换能够充分突出问题某些方面的特征，而心电信 号就是个突变的信号，如果用传统的f o u r i e r 分析有很大的不便，一是得不到很高 的压缩比，二是信号的损失也很大，而小波变换和，j 、波包变换程对心电信号聪滚时就 不一群，继镅不覆翼褥缀离瑟压缩魄，嚣盈遣佼褥心毫蔫号豹援失缀少。在瓣心电信 号得压缩道程中，必然会涉及到阈假的选择，以前的一些数据愿缩方法中的阀值选择 是基本不变的，在我们这个压缩方法中阂值的选择是自适应的。另外，利用小波变换 轻小波包变换的优点，我们还实现了心电信号的丧噪功能。 随糟现代微电子披术的发展，獗线中央监护系统必将得到更深入的研究和广泛 的应用，比如应用在无线网络的医疗信息资源共攀、野外考察和军队急救等这些场合 中。目时系绞中戆信号毽必将褥到燹为完善夔憝璇。 关键词：凭线中央监护系统；小波变换；小波包变换；心电信号；压缭 a b s t r a c t e e gi so n eo f 凌ei m p o r t a n ts i g n a l sw h i c hc a l lr e f l e c t 氆ep h y s i o t o g i c a ls i g n a l so f p a t i e n t s e c gc a nh e t pal o tw h e n d o c t o r sd i a g n o s e 。s ot h e r e r em a n y r e q u i r e m e n t sf o r 镬e d e t e c t i o n ，s a v i n g ，t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n go f e c g f o re x a m p l e ，w h e nw ed e t e c tt h e e c g ，t h es i g n a ls h o u l dn o tb ed i s t u r b e d a n ds h o u l db et r a n s p o r t e dt oe x p e r t se f f e c t i v e l y a n di nt i m e w h e nw es a v et h ee c g 山es m a l l e rt h ec a p a c i t yi s t h ef a s t e rs h ee c g t r a n s p o r t s ，i t sv e r yi m p o r t a n tt h a tw ec a ng e tb a c kt h eo r i g i n a ls i g n a l s oi tr e q u i r e st h e s y s t e mi sa b l et oe l i m i n a t en o i s ea n dr e p e a tt h es i g n a l t h ew i r e l e s sc e n t r a lm o n i t o r i n g s y s t e m i so n eo f t h e s y s t e m s w h i c he 强d e t e c te c 毽、a n di tc a r ls a r i s t h ea b o v ec o n d i t i o n s 。 i nt h i sp a p o r , t h em u l t i p a r a m e t r i cm o r t i t o r i n gs y s t o m 。d i f f e r e n t 蠡o mt r a d i t i o n a ll i n e a t e s y s t e m c a nr 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 f e c gi nac e r t a i nr a n g e t h i ss y s t e mr i s e s w i r e l e s sp r o g r a m m a b l em i c r o * t r a n s c e i v e rx e l 2 0 1 f o ri tc a nh a st h e 1 0 n gd i s t a n c eo f t r a n s m i s s i o n ( a b o u t7 0 r e ) ，f a s ts p e e d ( 6 4 k b s ) ，ag o o dc a p a b i l i t ya v o i d i n gd i s t u r b a n c e ， a n d1 0 w r e q u i r e m e n tf o rp o w e rs u p p l y , s ow e c a nt h e nr e a l i z et h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nb e d s i d em a c h i n ea n dt h ec e n t e rs y s t e m ，f u r l h e r m o r e 。i tc a n c o n t i n u o u s l yw o r k f o r a l o n g t i m eb yi t s e l f a tr e a lt i m e ， f o r s i g n a lp r o c e s s i n g ，t h i sp a p e ro f f e r sat e c h n i q u ew h i c h i su s e dt oc o m p r e s st h ed a t a o fe c g t w om e t h o d sa r ei n c l u d e d ：o n ei sw a v e l e t ，t h eo t h e ri sw a v e l e tp a c k e t t h e w a v e l e ti st ot r a n s f o r n lt h es i g n a l sb yw a v e l e td i r e c t l y , a n dt h e nm a k e 也et r a n s f o r m e d c o e f f i c i e n t sc o d e d ，也u st h ed a t aa r ec o m p r e s s e d 。w a v e l e tp a c k e ti st os e a r c ht h eo p f i m a l w a v e l e t p a c k e ta c c o r d i n g t ot h ee n t r o p y , t h e ne c q i st r a n s l a t e db yw a v e l e t t h e o r y , a n dt h e t r a n s l a t e dc o o 箍c i e n t sa r ec o d e d ，t h u st h ed a t aa r ea l s oc o m p r e s s e d + w a v e l e tp a c k e ta n d w a v e l e ta r en e wm e t h o d so f t r a n s f o r m a t i o na n d a n a l y s i s ，t h e yc a n s h o ws o m ec h a r a c t e r so f s i g n a l sb yt r a n s f o r m a t i o n e c gi sam u t a t i v es i g n a l i fw ea n a l y s ei tb yt r a d i t i o n a lf o u r i e r , t h er e s u l ti sw eo b t a i nl o wr a t i oo f c o m p r e s s i n ga n dt h eh e a v yl o s so fe c g h o w e v e r , w a v e l e tp a c k e ta n dw a v e l e th a sav e r yh i g hr a t i oo f c o m p r e s s i n g ，a n dt h el o s so f e c gi s l i g h t + d u r i n g t h e p r o c e s so f c o m p r e s s i n g ，t h ec h o i c eo f t h e t h r e s h o l dv a l u ei si n v o l v e d ，i n t h ef o r m e rm e t h o d ，t h et h r e s h o l dv a l u ei sf i x e d ，b u t 证o u rm e t h o d ，t h r e s h o l dv a l u ei s a d a p t i v e f u r t h e r m o r e ，w e c a l le l i m i n a t en o i s eb yw a v e l e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mm i c r o - e l e c t r o n i c st e c h n i q u e f u r t h e rr e s e a r c h e sa n d c o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o n sw i l lc a r r yo u ti nt h ew i r e l e s sc e n t r a lm o n i t o r i n gs y s t e m f o r e x a m p l e ，i tc a nb ee m p l o y e di nr e s o u r c es h a r eo f m e d i c i n em e s s a g ei nw i r e l e s sn e t i nf i e l d e x p l o r a t i o na n df i r s ta i da n ds oo n 。m e a n w h i l e ，s i g n a l si nt h es y s t e mc a nb ep r o c e s s e d b o t 专e t k e yw o r d s ：t h ew i r e l e s sc e n t r a lm o n i t o r i n gs y s t e m ；w a v e l e t ；w a v e l e tp a c k e t ；e c g c o m p r e s s i o n 南京靛空靛天大学磺士学位论文 第一章绪论 逐年来，隧罄我嚣教落开敖瓣不繇深入，嚣琵经济懿稳步发爨，大窦生活承乎 翡提高，人们也越来越清楚豹认识到，生活矮爨与人们的身体健藤密切相关，生念对 他们也越来越重要了。所以，现代先进的科学技术对生命体征监护就发挥着举足轻重 的作用。特别是在全世界备地的大中型医院，臁疗设备成为医生临床诊断必不可少的 帮手，它们准确的判断能力肖时比医生的临床经验都更管用。而我们研究的医疗监护t 仪器就楚其中的一种， 通常监护仪可以分两种”9 1 ，一种是床边监护仪，另一种是中央监护系统。床边 监护仪主要用来对病人的生理或生化参数进行逐续地、长时间地、自动地和实时地监 测，并在经过分析和处理这些参数后，实现多类别自动报警、自动记录和对结果综台 判断的功能，从而有利于聪护人员或医生可以及时地发现病人的瘸情变化情况：一旦 发瑷浚嚣变曩二，瞧鬣便霹淤聚敬必要黪护理与慧教嫠楚，避免一般瘸入懿痰。蓦来不及 诊治和危重病人的死亡。中央监护系统瓣是将缀多床边监护仪联系在一起，集多床病 人的生理或生化参数监护和状态监护于一身的大型系统，它主要负责监视病人行为状 况，将各个床位病人的状杰、监护波形和数据同时显示在大屏幕嫩视器上，从而协助 医务人员可以不用查房就可以对病人实施有效的诊断和治疗。在实际应用中，中央监 护系统可以通过r s 2 3 2 窜抒总线、u s b 总线秘专线建立医院计舞搬联机管理系统， 这簌德涎院之淹零蘧浣肉鄂懿各个嫠 j 兹数攒蘩惠秽图像信惑可良鞠互转递帮交互， 从丽实现了信息资源的必攀。 传统的监护系统主鬻鼹通过各种电缆、光纤等工具来实现网络化的，这不仅增 加了实际中监护系统的施工难度，而且也给系统的携带或移动带浓校大的不便。因此， 中央麓毫牟系统鹣无线嘲终傀【l s 】阂，已经戒必嚣疗薤护设冬发震豹璺然趋势。纛量， 臻在豳内辨懿许多有关厂豢都在对该领域邈杼慧广泛深入的磺究。中央益护系统两络 的无线化实现，必将给病人和医护人员带来极大的便利，为病人和医护人员提供宽松 的医疗环境。 狂中夹监护系统中，逶常有缀多需要孵鼗输取处理生理数攒，心电售号就是其 中之。我爱翔遂，。0 邀臻号是爱袭天薅心黢撬戆豹蘧号，遣是天体掰有秘麓中最为 重要静信号。在实际应用中，有时医院可能需嚣对病人的心电信号进行长时间( 阮如 三天三夜) 地检测和记录，并把这些心电信号以适当的方式存储越来，用以作为病人 的病史资料：又或者将这炊数据通过中央监护系统进行相互传输，以便实时地将心电 南京航空航天大学硕士学位论文 信号传送给医护人员，让医护人员能够及时地掌握各病人的病情。然而，这些心电数 据的信息量是相当大的，有时有可能存储一个病人的心电信号就会高达到几十个g ， 这给监护系统在存储和传送心电信号都带来了极大的不便。所以，我们需要将这些大 量的心电数据信息进行压缩，以便节约系统的数据存储空间和提高系统的数据传输速 度。 1 1 研究背景 八十年代以来，中央监护系统逐渐趋向普及，各个城市的大中型医院都相继建 立起危重病人监护病房和冠心病监护病房。然而，对中央监护系统的研制和生产方面， 欧美发达国家的历史较长，他们不仅有先进的电子设备，而且他们还把大量的资会投 入到临床应用中，这些使他们具备了丰富的临床经验和积累了许多临床测量方法及理 论。因此，他们的产品具有技术先进、测量准确、功能强大、抗干扰能力强、性能稳 定以及外形设计合理等优点。目前，从国外进口的监护设备在医院监护设备中仍占很 大比重，中央监护系统的情况更是如此，其中使用较多的国外产品有美国惠普公司、 太空实验室，日本光电、福田，德国西门子等公司生产的各种监护系统。但是，由于 国外监护系统产品价格昂贵、操作界面不符合国情和产品容易损坏且更换不便等一些 不利因素，从而限制了其在国内的普及。随着我国科学技术的发展和提高，国产中央 监护系统己逐渐进入到国内大中型医院。国产的有北京精博电子仪器研究所的j b 一 9 1 0 0 、泰安市医学仪器研究所的c c u - 4 0 0 0 和d j 一4 2 0 0 以及合肥金脑人中央监护系 统等产品，但这些产品与国外同类产品相比，在测量的准确性、性能的稳定性和抗干 扰能力上仍有一定的差距。 从七十年代，人们就开始了无线网的研究【lj ，到1 9 9 7 年6 月，i e e e 通过了8 0 2 1 1 无线网络标准，后来又推出了i e e e8 0 2 1 1 b 和i e e e8 0 2 1 1 a 两个新标准；近几年国 内厂商，如华为、中兴和大唐等公司也都开发了自己的网络产品。这些标准和产品的 出现，给中央监护系统的网络无线化提供了解决方案。国外的n e c 、s u n 等大公司 和国内的东软等厂家都投入了大量的财力和精力来研究和开发无线中央监护系统，而 它也必将成为监护系统发展的重中之重。 整个监护系统最终的目的是用来实现对生理信号的监测的，这其中就必然涉及 到对这些信号的处理，信号数据的压缩和去噪就是其中的两种。 数据压缩方法种类繁多，可以分为无损压缩和有损压缩两大类。无损压缩是利 用数据的统计冗余进行压缩，可完全恢复原始数据而不引入任何失真，但压缩率受到 南京航空航天大学硕士学位论文 数据统计冗余度的理论限制；有损愿缩方法利用了数据某些成分不是很重要的特性， 竞诲压筑避疆中撰失一定豹信惑，罴然不麓完全恢复器始数据，毽是爨撰失豹部分对 理解原始信号的影响较小，却抉米了大得多的压缩眈，有损趱缩广泛瘟孺予语音、图 像和视频数据的压缩。在多媒体应用中常用的臌缩方法有：p c m ( 脉冲编码调制) 、预 测编码、变换编码、插值和外推法、统计编码、矢量量化和子港编码等；混合编码是 近年寒广泛采覆熬方法。瑟薪一代黪数撂基竣方法，妊基予摸麓镌压缩方法、分影压 缩和小波变换方法等墩已经接近实用化水平，他们给心电信号提供很好的压缩工具。 在压缩前，还可以利用小波分析先对心电信号进行去噪，以获得更好的心电波形图。 1 2 研究目的、内容昶关键技术以及获得的成果 我匿的医疗信感化现在不是缀发达，监护系统的应用还不是摄广泛，艇是它是 良嚣发袋的必然趋势。间对，我国怒一个发震中黼家，久日扶多，寻致了医疗服务体 系结构十分庞大而又复杂。因此，我灏的医疗信息化之路不能够照搬发达国家的模式， 也不能够完全依赖国外进口技术或服务。通过细致的需求调研，在明白了市场的真正 翥要后，浆用理实可括晨套一定蔻瓣瞧翁系绞设计策路，立足麓莛点，紧夔嚣舔溪透， 研究、开发适合我国熬体国情的和商性能的无线中央监护系统，这必将给我嗣的医疗 系统带来艇大的现实意义。 嚣该系统中蹙毽簸为鬻觅霸激蒸要兹痞号皴罴心电莛号。掰致，在实鼯中对心 电信号的处理受到高魔重视。 心电数据在实际聚集中，不可避免的是信号中会混入缀多的噪声，加上我们要 楚理心魄谂号数据羹缀丈。辑鼓我们在寻我一令缒去噪声的嚣臻方法翡两辩，还褥诖 这个压缩方法有很高的压缩比。随着压缩理论和方法的不断涌现，我们寻找这样的压 缩方法是w 能的，小波压缩以及小波包压缩就是其中的两种，它们给心电信号的处理 带来了极大的便剥。 本课题是南京航窝航天大学自幼化学院生物工程系新专姚建设的重点课题。在 有线中央般护系统的撼础上，经过年多的研究和开发，我们对中央监护系统的无线 讫帮心魄数据熬压续掇壅了褪步戆瓣凌方案。瘊豁，这蔫论文骢主要垂舅究逡密毽摇辇主 下几个方面： 深入研究了炙线收发芯片x e l 2 0 1 的工佟原理，并对蔟性能进行了测试： 在x e l 2 0 1 的麓爨上设诗署发了无线牧发模块，著对熬个系统逶行了调试和 - 3 - 南京靛空航天大学硕士举位论文 第二章无线中央监护系统的工作原理 2 1 中央监护系统的发展历程 提蓟燕轳系统，我稍通常会戆戮靛是心电整护仪。的确，在过去熬西卡多年里， 心电监护仪的应用，为临床诊断和治疗心脏疾病提供了确切的依据，从中医护人员也 发现了许移常规心电图检查所不能发现的问题，从而极大地改鬻了心脏病的梭查过程 纛滚疗襞爨，减少了。j l 壅疾痪，将别是惫睦心聪疆塞疾病懿嚣亡搴，挽救了秃数心麓 疾病患者的生命。 随着电子技术的突飞猛进和新的医疗检测技术与手段的e j 新月异，医疗嫩护系统 也从单一生理参数的检测发展到对人体心率、体滠、呼吸、血氧和血压等多参数的检 测。最必獒墼静魏是孛央薤护系统，它幢裁辜越+ 够墨瘦连续进毒亍多寐位添时整轳， 实时地检铡临床病人生理参数的变化，并在危重情况下及时提供报警信号，它的这些 优点给人们带来了极大的好处。所以。无论在国内还是在国外，中央监护系统都得到 了广泛的应鼹和迅速的发展。 餮井秘医疗器援公蠲以及一些大型静电气公镯，晓如g e 、s i m e n s 等，早在二十 世纪六十年代就提出了开发“一切以病人为中心”的全功能、大综台的医疗信息系统， 中央监护系统就是其中一个重要的组成部分。但媳，当时由予技术尚未成熟，特别是 徽电子、徽处理嚣以及嚣络诧等关键技术发展懿逐不够竞善，鼓霞影响了中央整护系 统的应用帮普及。但怒，进入七十年代以焉，徽处理器技术快速发展，使褥p c 机的 应用在人们生活中得到了普及，监护仪就是在此撼础上得到了广泛的发展和成用，当 时主要的产品有美国惠酱的h p 7 8 3 5 2 c 、芬兰的a g m l 2 3 + c h s 等。同时，近年来， 诗粪援潮缭技术馥建立萋翼浃速发葳，绘整轳坟熬蛰及豢寒了摹鑫毪懿交纯。爨予两络 技术具有传输信息量大、高波特率、高效率等优点，所以，监护仪与之相结台，使得 医疗信息化发展有了质的飞跃，间期出现的产品有p a c s ( p i c t u r ea r c h i v i n g & c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 系统、h i s ( h o s p i t a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 系统等，这绘临床 瘸天、送鬟三撬摸了缀大貔方便。丽中夹整护系统筵| j 楚这些医疗系统豹基稿耩在，产箍 有英国的o x f o r d a x i s c a n 系列、翻本光电的w e p 3 2 0 4 k 等，仇们在实际应用中都 取得很好效果。 ，十年代以来，在改革开放大潮中，我国医疗器壤垒监驮我国国请出发，紧疆时 代翡前邋步伐，充分发挥自身潜力，怒过了一条扶代理到仿利，露刭自主开发的道路。 期间，涌现了以北京精博电子仪器研究所产生的鹏- - 9 1 0 0 等为代表的优良中央监护 系统。 信惑瓣鼹络伲、全球纯是露 弋发矮的丈趋势。毽绩惑接术蕊套豹突飞猛逡，又为 南京航空航天大学硕士学位论文 医院信息化建设带米了许许多多的机遇和挑战，如何使医院信息和全球信息接轨，形 成一个有孝几的整体，将成为今后很长一段时阀医疗技术发展敬方囱。我国里生罄已予 1 9 8 9 年着手筹建全国医学文献资源共享网络，最i 琏，我国又在美国中华医学基金会 的资助下，启动了建立包括中国协和医科大学、西藏医专等1 1 所医学院校在内的中 蓄激学信怠阚络，为我国医疗“信惠高速公路”的建立奠定了坚实的基础。 2 2 中央监护系统的特点 经过长期的临床检验，中央监护系统技术已趋于成熟，与其他的一些医疗仪器相 比，中央监护系统主要具有以下的些特点： 模块化结构 闲羚有许多生产专焉模壤静公司，萁专门从事浆一领域的探索与研究，因此，其 生产的产品质量、性能都很好。模块化结构设计充分利用了这些现有的资源，也简化 了产赫兹结构，缠愆了产鑫瓣牙发溺襄，这麓都舂利于产鑫鹣更耨羧代窝系列纯。戳 此，许多生产高性能监护仪的大公司均采用这种结构。 瘫度集袋铯 采用或臼行设计高度集成化的专用器件，如专用的心电信号放大器、隔离放大器 积滤波器。 产品的数字化 大量采用计算机分析技术，d s p 数字滤波技术等。 强大豹分析功能 躁示及记录各项嫩理数据，实时脏测，对超出设定范围的参数提出警示，具有强 大赘趋势分辑、波形嚣教帮二次楚瀵葫能。 联机通讯 绝大多数监护仪垮酝有与诗算穰交换数撂麴接鹭，充分利用诗算疆载运冀、努耩、 打印、制表、网络等功能，方便用户扩展。 携带方便及合理鲍暴露与铃形设计 圜外产品的界面清晰美观、外形设计精美实用，其小型化便于携带，扩大了仪器 的使用范围。 生动灵滔的显示方式 彩色大屏幕连续滚动式波形显示，采用硬件图形加速，能快速、清曦、准确、圊 对圭| 亟遂示4 8 床数疆( 多参数、多波形组念。 液晶技术 鬻夕 产茹在鉴护仪强髟鬣示方甏逶常采蠲液鑫显示技术。 6 - 南京簸空靛天大学硬士学位论文 2 3 秃线中央监护系统的发展及其特点 中央监护系统主要分为京线中央监护系统积无线中央监护系统瓣罩申。前者不允 许患者穆凑，只l 速行定点簸测；岳者委g 可驻龛诲惠者在一定莲蓬内移羲。有线中央 夔护系蔬壹予技零残熟辩链髓稳定瑟在实舔中褥委了广泛魏塞爝，侮箕缭瘸天驭及藏 工带来了诸多的不便，比如病人无法在一定范围内自由移动、布线成本太高等，这些 都影响了有线中央监护系统的进一步推广和发展。而无线中央监护漂统恰好能够很好 地解决这些问题。 无线中央监护系统又可努蕊模投无线孛失鲶护系统帮数字秃线中央监护系统。模 数燹线皆爽蕊势系统建将备耱医震黄藩释累装劐懿模瓠售号意接避季亍幅度或频率璃 制，然爝通过无线收发以及解调来实现信号传输静。但是，传统的模拟式监护系统有 抗干扰能力低、基漂大以殿难以和现代数字化融合等缺点，给疾病的诊断带来了许多 不利的影响。而数字无线中央监护系统是将模拟信号先进行数字化，接着再进行调制、 无线按收与发送和解调，从丽保证了数据无线蠛讯的可靠性和抗干扰性。 单在三、器卡年找，n o r m a n j h o l t e r 藏麸誊囊耪信号遥测按零辩磷究，莠予1 9 4 9 年研制了遥i 贝0 心电图( r e c g ) 装置，接着又将r e c g 改成了幽个袖珍式发射器和 一个使于携带的接收器磁带记录仪( 在黼人附近) 组成的系缆。1 9 6 1 年又将发 射器帮接收器合并，终于制成了用磁带作为e c g 传递媒介的动态心电遥测系统。此 螽，捻又避孳亍了一些改避。由一道e c g 增鸯器翔疆遒等。1 9 6 5 年嚣台商、监诧h o l t e r 系统终予淹藿。了0 年代氏罨三量 e l 挽f 系统弱避遮饕及痤瘸，等l 越了嚣疗燕嚣系凌豹飞 速发菇，又困为计算税藏术在生瑾信号分擀中褥到应雳，默蔼大大降低了揉 车者长时 间工作精神疲劳造成的漏梭几率。进入8 0 年代，现代微电子技术的快速发展使得a d 采样举与数据传输率大大撼高，模块匹配技术憾得信号识别功能得划了加强，数字滤 波、鼹造应滤波等信号处理技术晦应用使得信母的稳定性得到了掇瀛，而高集成度大 容鬟静态障撬存键器( r a m ) 帮羝凄耗c m o s 祭成亳路匏应爝，佼褥记录簸鼗十薰 数蠢令段式生理售号窝舔缝：信惠实霹2 4 蠢、瓣记录方襄发震，这些秘在无线孛夹鼗轳 系统中得到了体现。 与宵线中央监护仪相比，无线中央监护岽缆主要有以下几个特点： 不需要架设网络线路，组网成本低； 由于系统的镣输奔震为空闻的彀磁波，个囊溅控点靛赦障不会导鼗系统 瓣疆塞或瘫痪，毽我系统哥靠髓窝： 结橡篱蕈，馕翘灵活，操作方便，特别适台医生等菲计算飘专业入员豹 应用： 使用安全，宽频监护，抗干扰能力强，中央机与床边机可交互式操作； 蠢京靛空靛天大学蝼士学挝论文 选用不同频率的副载波，实现柱同一病房内多套遥测系统同时工作。 2 4 无线中央监护系统的组成 无线中央监护系绞主强国三部分组戏，它们分剐是：臻边枫部分、无线通讯卡、 中央控制台部分。 2 4 1 床边机部分 凑透梳主要受责垒懑参鼗数据豹采集、发送双及会令戆袋浚处理等，买有独立 的驻示和控制系统，能将数据以波形和数慎的方式显示出来。 该系统中，床边机采用兼容型p c 电脑作为平台，其中含有多种特殊功能的模块， 每个模块都集成有一片微处理器，实现相应生瑷信号的处理。处理厢的信息再通过无 线邋讯书传送给中央控制螽，然后再实时地鼹示在中央监护屏幕上。由于在床边枫中 采瓣了模块化设诗，掰苏大大选提裹了系统懿兼容毪，遣为蛰泰产熙鳃暑缓露特定雾 户静瑕务留下了空蔺。 床边机的模块框图如图2 4 1 1 所示： 测2 4 ，1 。l寐边巍模块强 模块中集成微处理器( 主鼹运用的是单片机系统) 是由事先固化在内部的程序来驱动， 同时遮熄程序也对传感嚣、各主，从运算放大器、滤波器以及刖d 、d a 转换器进行 控制，以这到对信号的处溅。系统中骺处理的傧号，有蛉是透过传感器壹接提取出来 嚣玺臻壤号，懿心电售弩蹩霪l 露定在太傣上懿宅裰壹接撬致出寒；蠢蕊爨是薅生瑾蕊 号通过模数转换变成电信号，如盘氧饱和瞧鹩测量。为了防止电檄脱落或传感器松 脱，模块中设计了相应的煅测电路，一旦有故障发生，模块中就会给出相应的报警信 号。迸有，模块在处理微弱信号时，将采集得到的信号进行多级放大，放大到标准的 褒哀羲空簸天大学臻擎袋论文 幅值范潮，然后经滤波、信号基线电平转换和啦赢流分量等处理艏，得到可供徽处理 器匙邋静实际有用信号。娥邂焉斡数据秀送嚣努壤，然嚣逶过窜强姆送到无线收发揆 块，实瓒与中央监护控制念进杼数攒通信和传送。在这个过程中，滚一生蠼参数出现 异常或廉迭桃本身工作不正常时，聚统将自动发滋声、光、魄等掇蛰信号，溺以提示 医护入爨避嚣必要懿楚瀵。 2 4 2 巾兜机部分 中央枧主要负黉蹩个系统盼靛控，不器燮熬侮分橱菜静特定鹣生理僚号。实现 酌方式魑：通过无线收发援块，泰逑祝与中央辍实蕊数据懿双舄赞辕，诖套令褒位痰 入赘跃惫、篮护波形耪数掇可戳弱时遣显示程大掰幕蓝褫器上，璁可戬实璐中央税对 床边机的控制。通常一台中央机一般可以连接4 8 台床边监护仪。 皆蹙簸护系统愆结梅糕濯如圈2 4 2 。l 黪示； l 藤遗壤季l 卜叫无线牧发卡高= = = 参 中 中 爽爽 | 廉逸援# 2 一蠢线蔽发卡霉= = 令 集蔽 成系 卡 _ 统 鐾望垫兰! h 笼线段发母p 2 , 4 。3 瓣线逶谖模块 图2 4 2 1 中央般护窳统结构框图 燹线遗讽模块多趣事因，受责将微捉蠹抟并行鼓耀转换娥串行数据，鄄褥床边掇 懿拳行数蠢逶遗无线奔蕊赞送给中央爨，然麓中痰辍挺馕号姣羹国策。黧爨2 4 ，2 。i 嚣示。该攥浃是采焉x e l 2 0 1 无线浚发苍片秘肇泞辘稳缭含戆方法窳实褒翁。霖逮瓿 部分和中央机部分也就鼹通过它“避接”的。邋个模块是我们无线通讯的核心部件， 所以该模块性能必须稳定，即要有抗干扰能力暇、数据传送速率高和传送距离远等优 点。 嶷钵鼗识褥在蘩三鼙教述。 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 4 2 1 无线中央监护系统结构图 南京航空航天大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章无线中央监护系统 在现代医疗系统中，多参数中央监护系统占有十分重要的地位，它可以协助医 生及时、方便和准确地了解临床瘸人的病情。传统的多参数中央监护系统是通过 r s 2 3 2 串行总线实现床边机与中央机之间地道傣舱，由于在实际应用中存在许多缺 点，瑟以这绘医疗系绞带来了诲多不霞。然恧，麓着信惠纯羧术静发震，多参数整护 系统的觅线化已逐渐成为国内外生物医学仪器领域争相发展的藿点。在讨论该系统以 前，我们先看看与它桐关的无线通讯技术。 现代通讯技术发鼹很快，尤其怒无线透信鼓术l l h 【2 ，它已残隽堍代鼷络发震的 趋势，因为它将绘入 】豹生活带来檄大静便剩帮澎蛹。现代无线通讯系统翡魏型结构 框图如图3 1 1 所示： 赣入镫号 ( 基带信号) 发瓣傣号 ( 己调信号) 接毂傣号 ( 己调信号) 簸辫绩号 ( 基带信号) 图3 1 。1 无线通信系统柢图 该结构辫绘出了我们将簧传送戆数援在系统中楚热俺传递懿：第一步是将数攥转换戏 发莉设备可以识剜静信号，然后发射设备对该信号进行调翎，调带好了的信蛩通过无 线信道传送给接收设嵇；接收设备将接收到的信号进行解调、去噪等处理，处理好后， 送给输出变换器，以得到可供其它设备可使用的傣号。 我钠巍磅究弱圭溪内容藏是穗蠢线逶该按零豹理论移中央整护系统缝合莛来， 建立可供临床使用的獭线中央监护系统网络。 该系统网络的核心部件是x e l 2 0 1 微型无线收发芯片。该：毽：片不仅是中央机和床 边机的“连接”口，述是数据处理鄹竭日控制的关键郏l 牛，通i 逢它，便可以实现对各 释蘧璃生壤参数静无线耀络实薅麓控。 毫束靛空靛天大学鞭学证论文 3 2 微型无线收发芯片x e l 2 0 1 的工作原理 壤圭x e m i c s 公裁生产翁x e l 2 0 1 ，不毽犊麓稳定、可靠， 嚣最其调裁静镶蓼频 率可调。所以我们把它佟为我们设计的无线随络的核心部件。 x e l 2 0 1 是一种工作在4 3 3 m h z 国际公用频段( i s m - - i n d u s t r ys c i e n c em e d i c a l ) 即工业科学医疗频段内的单片无线收发芯片，宗可以在3 7 0 m h z 4 7 0 m h z 频段内以 6 4 k b i t s 的传送速率传送数据。这个频段是在生理信号自然频率撼围之外的，所以， 它黠叟毽绩号戆港在于撬楚穰绦黎。 3 2 1 x e l 2 0 1 的特点 与藏她芯片相比，x e l 2 0 1 主要的特点为： 1 )数据转送速率寒，最褰可鞋达至l6 4 k b i t s ，毪藐稳定； 2 )电压可低可商，澈强为2 4 5 5 v ，德祝时的电流小于l u a ，非常适合予移 动和便携式数据通信 3 )应用简便，可以赢接与单片机串口进行通信，且无需太复杂的编码，软件实 现较为容易； 4 )可以实现点对点、点对多点的逶售，这让监护系统的无线联网交为可戆； 黔多额点，应瘸灵瀑，钵莰夺， # 鬻逡念嵌入式移手疆式终端的应焉。 3 2 2 x e l 2 0 1 的相位连续二进制频移键控( c p f s k ) 我稻知道瑷代逶信系统露分鸯摸毅逶结系统露数字透信系统嚣大类。摸投递信 瑟绞中，模羧信号浆髑裁分为三类：柩发调翻、裙位淫割窥频率调铡。与模援通信系 统相似，数字通信系统的数字信号调制方式也分为三类：幅度键控( a s k ) 、相位键 控( p s k ) 和频移键控( f s k ) 。不同的是：数字通信系统是用数字信号对高频正弦 载波进行调制，且系统中深用数字键控的方法求实现数字调制。巍医疗网络中，应用 最为广泛的是数字通信系绕。数字通信系统的蠢种调制方式如下： 1 ) 裙纛键控( a m p l i t u d e s h i f tk e y i n g ) 一a s k 幅度键控又称为通一断键控( o n o f f k e y i n g ) ，其载波的幅度鼹到数字基带信号 控制，溺基带信号为“1 ”时，载波保持原来懈度；当基带信号为“0 ”时，载波幅度 痿衷靛空蕊天大学磷士学位论文 为零。波形如图3 2 2 1 ( c ) 所示。图中( a ) 、( b ) 分别为载波和数字揍带信号。 2 、棚位键控( p h a s e s h i f tk e y i n g ) - - p s k 鞠位键控中载滚静稳健受裂鼗字基豢信号麓控割。当基带绩号为“1 ”霹，载波 越始栩位为零：当基带倍譬为“0 ”对，载波起始相位为x 。波形如图3 2 ，2 1 ( d ) 所示。 3 ) 频移键控( f r e q u e n c y - - s h i f tk e y i n g ) - - f s k 频穆键控中载波的额察受裂数字基带信号涎整裁。当基豢镄号为“l ”时，载波 频率为z ：当基带信号为“0 ”对，载波频率为五。波形如图3 2 2 1 ( e ) 所示。 胂f 寸f = 声母一 刿锇卜嘲铡锕争斗幽妊 l l ，( g ) 1 f b 饥h 叫镊融m 砧触黼艄阳础 1 出。 ii !i d ) l l 强矗沪s 判氓黼砖铲v 妒妒寸赫 图3 , 2 ，2 ，1 数字调制波形豳 幽然，在上述各种数字调制方式中，数字撼带信号可以是二= j 麸制的，也可以是 多进制的。被调制的信号为= 进制序列的数字频带调制称为二进制数字调制。而载波 有攥度、频率和相位三个独立鲍可控参量，当我稍矮二进剑信号分期调翻这三静参鳖 对，藏形成了二进裁柩度键控( 2 a s k ) 、二滋鹱秀频移键控( 2 f s k ) 和二遗裁程移键 控( 2 p s k ) 三种最基本的数字频带调制方式。二进制频移键控又可以分为相位离散 和相饶连续两种：若在倍母分别为“0 ”、“l ”状态时的载波是由两个独立的振荡器掇 供的，那么这两个载波怒飘不相关的，我们就称为相位离散的= 进制频移键控调制； 若程傣号分别为“0 ”、“l ”状态时的载波是由间一个的振荡器提供的，只是对其中游 载波送露分频，我饲裁稼麓稳位连续戆二逡裁簇移穗控调翻。 在我们这个系统中，x e l 2 0 1 采簿的是捅健连续的二迸制鞭移键控( c p 一2 f s k ) 调制，解调方式。c p 2 f s k 信号是用载波频率的变化表征被传递的数据信息状态的， 所以被调制后的载波频率媳随二进制序列“l ”、“0 ”的状态的变化丽变化的。x e l 2 0 1 南京航空航天大学硕士举位论文 芯片的信想状态表征如下： 鲡聚数据d 越a = 0 ，那么载波灏率磊= f o 一厶，；( 3 2 2 1 ) 如果数据d a t a = 1 ，那么载波频率厶= f o + 厶，；( 3 2 2 2 ) 式中磊巍系统撵供熬载波中心频率，嚣歹如是人为对x e l 2 0 1 设定兹稿移频率。 c p 一2 f s k 信号的媳型时域波形如图3 2 2 2 所示： 塑3 2 ，2 。2c p 2 f s k 馕号熬典墅野域波形 其在时域上的数学表达式为： s c e 一2 m = 【g ( 卜”c ) c o s q f + 【孺( 卜n t ) c o s c 0 2 t ( 3 223 ) hn 式中，强= 2 葫，缝= 2 叛；a n 为符合下捌关系豹二避裁序舞静第n 个数据获条，三。是a 。 的反状态，l 为数据间的时间间隔；g ( r ) 为持续时间 t , 2 ，瓦2 】内任意波形形状的 躲 孛( 分辑时一般设必烬一芘矩形躲渖) 。 c p - 2 f s k 信号鹬躲调分为穗子解调和菲稿予解调两种方式。在x e l 2 0 1 芯片中， 由于该芯片带有具有撩频功能的锁桐环路，所以眩通过位同步器实现的是非相干解 调。其原璎如图3 2 2 3 所示： 调 强3 2 。2 3 c p ，2 f s k 信弩自解调方式 南京靛黧航天大学硕士学位论文 3 2 3 带锁相环的位同步器 在本系统中，微型无线收发芯片x e l 2 0 1 使用了带锁相琊的位同步技术。 锁栩环路p l l ( p h a s el o c kl o o p ) 是一种允许用外部参考信号控制环路内部振 荡器熬频率和提位匏魄路。它是一个糖霞反镶控袁宅路。其缝残藤理框图热鬻3 2 。3 1 所示： 嚣3 2 。3 1 镂鞠环路翁缓藏壤隧 锁棚环路是由相位检波器( p d ) 、环路滤波器( l f ) 和联控振荡器( v c o ) 组 成的闭合环路。 鉴翱器魄较输入谂号打。鹃籀键谚与压控振溺器输密信号“。的穗位以，超窝相位 误差灵敏元件的作用，艇相器的输出“。经过低通环路滤波器滤波后，除去了系统不 需要数黢分，褥妥信号甜。，然螽穆u 。送给歪获搬荡嚣，褥羁瓣壅信号“。箕中输出 信号“。的频率受到“。的控制，具体袭达式如3 2 3 1 式： c g ( t ) = 瓯申k o u 。( 3 ，2 3 ，1 ) 在环路锁定时，输出信号的频率和输入信号的频率是相等的，只是两个信号的相 位是不相簿的，即在一般情况下环路是有一定的稳态相位差，这个相位差的存在使得 鉴相器输溅一壹流售鸯，该信号便霹鞋控毒输入傣号弱频率积聪蓉振荡器懿输出售号 频率嗣步。 值得声明的是，在噪声作用下，锁相环路在撩频时和一般浆频电路一样存在门 限效应，但是，它的门限要比一般鉴频电路要低4 5 d b 。因此，它在数字通信中得 到了广泛憨痘鼹。 而位同步是同步通信技术的一种。通常，间步通信技术包括三种：载波同步、 位同步和帧同步。所谓的位同步是指从接收信号中设法恢复出与发送端频率相同的信 惑时钟信号，保证解调时在最佳时袤进彳亍取样判决，以消除噪声干扰所导致的解调基 荣售号懿失真，驮焉使接； 芟臻憩戳较低豹错误穰率滚复窭被传输静数字信惑。位浸步 南京航空航天大学硕士学位论文 是数字通信系统中特有的技术问题，位同步信号的稳定性将直接影响到整个数字通信 系统的工作性能。 位同步的方法分插入导频法( 外同步法) 和直接法( 自同步法) 两种。插入导频法 是在发送有用信号的同时，在适当频率位置插入一个( 或多个) 称为导频的正弦波； 直接法则不需要专门的导频，而是设法在接收信号中直接提取同步信号。直接法又分 为滤波法和锁相法两种，数字通信中常使用数字锁相法。x e l 2 0 1 中也是使用的这种 位同步方法。 带锁相环的位同步器原理框图如图3 2 3 - 2 所示： 图3 , 2 3 2 位同步器原理框图 该框图中的位同步的实现是这样的：先整形晶体振荡器产生的振荡信号，得到两个周 期都为瓦，但相位相差瓦2 的脉冲序列，该脉冲序列经过n 次分频后，得到本地位 同步信号。为了与发送端的时钟同步，分频器输出序列与接收到的信息序列同时加到 相位比较器上进