（生物医学工程专业论文）基于蓝牙通信的心电采集系统的设计.pdf

北京邮电大学硕士研究生学位论文 e c gd e t e c t i o ns y s t e m b a s e do nb l u e t o o t h a b s t r a c t w i t ht h er e q u e s ti ni m p r o v e m e n to fn e wm e d i c a lt r e a t m e n t t h e d e f i n i t i o na n dt e c h n o l o g i e so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dw i r e l e s s n e t w o r kw i l lb eb r o u g h ti nt h ed e f i n i t i o no ft e l e m e d i c i n c es y s t e m a n d t h et e l e m e d i c i n c es y s t e mc o u l ds a t i s f yt h en e e do fp u b l i co n l yw h e ni th a s t h ec h a r a c t e r i s t i co f “m o b i l i t y h o w e v e rw ef o u n do u tt h a tt h e r ei sn o s u c ht e l e m e d i c i n es y s t e mw h e nw es e a r c h i n gf o rt h er e l a t e dp a p a e r sa n d m a g a z i n e s b a s e do nt h i st h o u g h t ，w ei m p r o v e dt h ed e f i n i t i o na n dg o a lo f t h em o b i l et e l e m e d i c i n es y s t e m t h em o b i l et e l e m e d i c i n es y s t e mw h i c hi sb a s e do nb l u e t o o t ha n d w l a ni sd e v e l o p e df o rl o n g d i s t a n c ef i r s ta i do rh o m eh e a l t h c a r e t h i s s y s t e mi sc o m p o s e do fm o b i l ed e t e c t i o np a r t ( e c gd e t e c t i o ns y s t e m ) ， m o b i l em o n i t o r i n gp a r ta n dc o n t r o lc e n t e r 砀i st h e s i ss t a t e st h ed e s i g no f s o f t w a r es y s t e mi nm o b i l ed e t e c t i o n ，e c gs i g n a lp r o c e s s i n g ，a sw e l la s t h eb l u e t o o t hc o m m u n i c a t i o n e c gd e t e c t i o ns y s t e mw ed e s i g n e ds e l e c t st h em s p 4 3 0 f 1 4 9a st h e c p ua n dc o l l e c t st h ee c gd a t at h r o u g hf o r m e ra m p l i f i e rc i r c u i t b e s i d e s i tc a nt r a n s m i te c gd a t at ot h em o b i l em o n i t o d n g p a r tt h r o u g hb l u e t o o t h i n t e r f a c e t h e nw ep r o c e s st h ee c gd a t aa tt h ec e n t e rc o n t r o ls ot h a ti t c o u l de l i m i n a t et h en o i s ea n dd e t e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe c gs i g n a l 。 c o u l da l s oc o m p r e s st h ee c gd a t aa tt h ec e n t e rc o n t r 0 1 i nt h ef i r s t c h a p t e r , w ef i r s t l yp r o v i d ea ni n t r o d u c t i o n t oe c g t e l e m e d i c i n es y s t e ma n de x p l a i nt h eg o a lo fo u rm o b i l et e l e m e d i c i n e s y s t e m i nt h es e c o n dc h a p t e r , w ei n t r o d u c et h es c h e m eo ft h eh a r d w a r ea n d 北京邮电大学硕士研究生学位论文 s o f t w a r eo ft h i sm o b i l et e l e m e d i c i n es y s t e m t h ew h o l es y s t e mi s d e s i g n e dw i t hm e t h o do fm o d u l e t h ef u n c t i o na n dc i r c u i to fe a c h m o d u l ew e r eb r i e f l yi n t r o d u c e d i nt h ee n d ，w ea n a l y z ea n dd e s i g nt h e w h o l es o f t w a r es t r u c t u r eo ft h i ss y s t e m t h et h i r dc h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e st h ep r o g r a m m i n go fe c g d e t e c t i o ns o f t w a r ei nt h em o b i l ed e t e c t i o np a r t i nt h ef o u r t hc h a p t e r , i tm a i n l ys t a t e st h ee c g s i g n a lp r o c e s s i n g a t t h eb e g i n n i n g ，w eb r i e f l ya n a y l i z e dt h ee c g s i g n a l t h e nt h et e c h n o l o g y o fe c gf i l t e r , c h a r a c t e rd e t e c t i o no fe c ga n de c gd a t ac o m p r e s s i o na r e d e s c r i b e ds e p a r a t e l y w et h e ne x p l a i n e dt h ew o r kw h i c hi sd e s i g n i n gt w o f i rf i l t e r st or e m o v et h e5 0 h za n dd ci n t e r f e r e n c e i nt h ef i f t h c h a p t e r , w et a l k a b o u tt h ew o r ko f d e v e l o p i n g c o m m u n i c a t i o nb yb l u t e t o o t hi n t e r f a c e f i r s t l y , w ee x p l a i nt h eb l u e t o o t h a r c h i t e c t u r e t h e nw ed e s c r i b et h es t r u c t u r ea n dm a i np r i n c i p l eo f b l u e t o o t hp r o t o c 0 1 a f t e rt h i sw ei n t r o d u c et h eb l u e t o o t hm o d u l e ( b t s 3 8 0 2 c i h ) ，w h i c hi su s e di no u rs y s t e m a tl a s t ，w ei l l u s t r a t et h e w o r kp r o c e s so ft h eh c ii n t e r f a c e k e yw o r d s ：e c g m o n i t o r i n g b l u e t o o t ht e l e m e d i c i n em s p 4 3 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签字：堡缓丝日期：一坦仝：三：f 垒 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释；本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签字： 导师签字， 日期：丛仝! 垄鱼 日期勘删 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论弟一早三；百下匕 据统计，全世界死亡人数中，死于心血管疾病的人约占l 3 ，是现代工业社 会中人类生命威胁最大的疾病之一。随着人们生活节奏的加快以及工作压力的增 加，心脏病的发病率不断增加。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。在中国，心血管病的患病率、发病率及死亡率呈 不断上升趋势，其死亡人数约占总死亡人数的4 0 0 , 6 ，可见，心血管疾病的预防与 诊断具有重要的意义。 与此同时，中国人口老龄化危机相当严重，而且心血管疾病多发病于中老年 人人群中，并且心脏病是慢性病，具有长期带病，急性发病的特点。心脏病患者 具有很大的分散性和移动性，大部分患者分布在社会上( 家中或工作场所) ，处 在日常的工作和生活中，具有较大的活动范围。据我国卫生部数据中心统计，7 0 * , 6 以上的心脏病患者是在社会上或家中突然发生冠心病急性事件，大部分人因失去 抢救时间死于医院外。这些病人如果能够获得及时的抢救与护理，是很有可能避 免死亡的。因此，对心脏病人进行长期甚至是终生的心脏监测是非常必要的，可 以预先发现异常征兆并及时给予救治，可以大大降低死亡率和致残率，同时降低 医疗费用。 而对于亚健康人群来说，心脏监测也是必要的。统计数据显示，由于心理或 生理上的压力，有相当一部分病人在医院测量的数据与在他熟悉的环境中所测量 的数据有着本质的差别，影响疾病的诊断。 运用远程监护技术对心脏病患者进行远程监护，具有显著的显示意义：可 以对病人进行远程诊断，为病人争取治疗时间，减小病情偶然性和突发性带来的 危险；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；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。 近年来，随着医疗体质改革的深入，社区医疗、家庭护理模式正逐步兴起， 迫切需要大量适用于家庭、社区诊所实用的医疗设备，而具有远程通信能力是这 类设备的共同特征。本课题提出的以心脏心电信号为监护内容的移动远程医疗系 统实现对心脏病人的远程监护，很好适应了这一发展的需求。而该系统具有的移 动性和自主组网能力使其具备了传统的远程医疗系统所不具备的特点。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 2 心电远程监护系统的发展及研究现状 心电远程监护是远程医疗中的远程监护( t c l e m o n i t o d n g ) 和家庭护理( h o m e h e a l t hc a r e ) 技术的一个应用领域，这两项技术是近年来远程医疗非常重要的一 个研究领域，但在远程医疗中又是相对薄弱的研究领域。远程监护提供了一种通 过对生理参数进行连续监测来研究远地对象生理功能的方法。早在1 9 4 9 年，美 国理学博士n o r m a nj h o l t e r 成功研制了遥测心电图装置，于二十世纪六十年代 研制出集收发于一体的心电监护系统( h o l t c r 系统) 。这项技术的发展为监测心 律失常、心肌缺血提供了一个有效的诊断方法，同时也成为了家庭心电监护系统 得以发展的重要基础。 早期的家庭监护不具有实时性，对于突发情况难以处理。但随着为电子技术 的发展，对于信号的识别、采集、放大滤波、数据传输率等信号处理技术的不断 提高，使得家庭心电监护系统能够实时显示心电波形，但存在存储量太小以及不 能远程操作等缺点。随着现代通信技术、计算机技术的发展及其在医疗领域的应 用，目前家庭心电监护系统向着采用数字信号进行无线传输、应用p c 机进行心 电数据存储、处理及实时显示多路e c g 波形等方面发展。 目前，在国内外研究的家庭心电远程监护和报警系统有以下几种类型【1 】： 1 基于b p 机的家庭心电监护系统 基于b p 机心电监护家庭监护端的核心是一个类似b p 机大小的心电图监护 单元和一个通信单元。监护记录单元的功能是对佩戴者的心电图进行监护，当发 现心电异常或佩戴者感到不适时按下按钮，可以记录几秒到几分钟的心电图，然 后将监护记录单元放在通信单元上，将记录的心电图通过接口转换经电话线送往 医院。位于医院中心端的计算机将完成一对一的心电图接收、显示、归档等管理 功能。显然这种方式的实时性太差，而且信息量极其有限。 通常心脏b p 机根据发送装置的不同具有不同的功能： 实时发送，有症状时通过电话直接向中心发送，这种方式要求病情比较稳 定，并且有足够的时间去打电话。 具有记忆功能的发送装置，当有症状时患者可按下记录器上的记录按钮， 心电数据将被记录存储下来，然后通过电话再发送到监护中心端。 追记心电发送，有症状时患者可按下按钮，发送装置能够记录前后若干时 间的心电数据，该方式对于诊断具有重要的意义。 智能循环记忆发送，是将心电监护的报警功能和电话传送结合在一起，当 有明显心电异常，即使患者感觉不到症状时也能进行报警并自动记录。当患者感 觉到有症状时按下按钮进行循环记录。 目前国内外市场上的心脏b p 机已有很多，如以色列s h a h a l 医疗服务公司 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 的电话传输心电监护系统、美国的h e a r t f a x ，h e a r t m i r r o r ，h e a r t v i e w 系列心电 监护产品、瑞典的c a l i b e r t r i g g e r m o n i t o r 系统和国内珠海中立电子公司生产的院 外心脏病集群监护系统等。 2 基于p c 机的家庭心电监护系统 该系统以p c 机为平台( 如图1 - 1 ) ，将患者的心电信号经过a d 转换为数 字信号后进入p c 机，再利用各种家用电脑心电监护软件和硬件，对心电数据进 行显示、分析、网络通信和存储。目前软件能对心电图做出初步诊断，提出简单 的治疗防护建议，如遇危急心电图，可发出警告，提醒患者要紧急处理或将具体 情况通过电话线传递到医院进行处理。 电话网 图卜1 以p c 机为平台的家庭心电监护系统 基于p c 机的心电监护系统是利用p c 机强大的功能来对大量的心电信号进 行处理。在利用计算机软件对心电图进行的自动分析中，常按顺序分析处理方法 对各个信息进行分析，速度很慢，人们往往在分析算法上进行改进以提高速度。 目前大部分上位机与下位机之间采用串口通信，若要求一台计算机能同时处理几 台心电监护仪发来的心电信号，资源的有效利用显得尤为重要。 基于p c 机的心电监护具有较高的实时性，具有强大的病案存储和查询功能， 且能充分利用各种医疗诊断软件，具有可观的高效性及诊断性。但心电传输存储 量较大，因此该p c 机不能再做其他用，所以功耗及成本都较高。 3 基于i n t e m e t 的远程心电监护 基于i n t e m e t 的远程心电监护系统是利用心电监护仪在家中采集患者心电信 号，然后通过互联网将心电信号传输至医疗中心进行处理，医护人员根据患者心 电图做出相应服务。 根据因特网不同的接入方式有不同的系统设计方案，因特网的接入方式有普 通m o d e m 拨号、p s t n 、i s d n 、以太网等几种。成都英创公司的e t r 2 3 2 网络 转换控制模块即可作为系统中数据接收发器的核心，心电信号通过单片机送入 e t r 2 3 2 模块，由e t r 2 3 2 模块作协议打包处理，通过因特网发送到监护中心。 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文 通过互联网技术，可将心电图监护仪从病房延伸到了家庭，医患双向互动数据交 换，可使监护中心的医护人员及时分析患者的心电数据，并可根据需要随时将医 嘱或服药指令发送到患者的监护仪上。 4 无线心电监护系统 伴随无线城市和3 g 牌照的发放等通信网络事业的发展，无线通信和无线网 络系统必将深入远程医疗系统，而且，只有采用无线网络技术才能让远程医疗系 统“移动起来 ，才能真正服务于公众的健康。但是迄今为止，在公开文献上并 没有看到有关的技术出现。基于这些考虑，我们提出了移动远程医疗系统的理念 和目标。 移动远程医疗系统与基于有线通信和网络的远程医疗系统有很大的区别，不 仅仅是加入了移动网络的元素，更重要的是改变了整个远程医疗系统的结构和医 疗平台，使得医疗和医疗监护获得了对于挽救生命最为宝贵的实时性和人们企盼 多年的预防为主的医疗保健理念的真正的实现。 将快速发展的通信技术与实际的应用相结合，可以为人们提供更高效的服 务。心电无线监护系统是使患者随身携带一个很小的可实时监控心电信号的监护 仪，利用无线通信技术与监护中心进行数据通讯。目前主要运用g s m 、g p r s 、 蓝牙等无线移动通信技术实现心电无线监护。 基于蓝牙技术的监护系统是将家庭心电监护系统通过蓝牙模块与中心工作 站进行无线通讯而组成的监护网络。蓝牙模块通常是由两个芯片构成一个芯片 组，一块是射频芯片，另一个是基带控制芯片，再加上外加的f l a s h 、天线和电 源芯片就可以构成一个蓝牙模块。心电信号经过a d 转换后经蓝牙射频发送给 固定接入端，再将接收到的心电数据转换成i p 数据包，并送到i n t e m e t 。有些系 统中利用具有蓝牙技术的无线射频收发芯片进行心电无线遥测，例如以m c s 一5 1 单片机和射频无线收发模块n r f 9 0 5 为核心的数字心电无线遥测系统；利用 a d u c 8 1 2 控制芯片和n r f 4 0 1 无线收发芯片所设计的无线心电信号采集与收发 系统：以m s p 4 3 0 超低功耗微控制器、单片无线发送器t r f 4 4 0 0 和接收器 t r f 6 9 0 0 为核心的心电无线传输系统 2 1 。这些系统中都要考虑到收发模块间的距 离问题，一般在1 0 m 1 0 0 m ，因此它适用于小范围内的数据传递，具有无需电缆、 组网灵活、语音传递方便等特点。 基于移动通讯g s m 网的心电监护系统，不管患者在何处，只要g s m 网覆 盖的地方，患者都会得到监护。g p r s 是现有g s m 系统上发展出来的一种新的 承载业务，目的是为g s m 用户提供分组形式的数据业务。g p r s 允许用户在端 到端分组转移模式下发送和接收数据，不需要利用电路交换模式的网络资源，从 而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的、 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 频繁少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。g p r s 可以发挥永远在线、 快速登陆、按流量计费等优势，无线心电监护系统无须使用信号电缆，因而简化 了结构，降低了成本，具有一定的市场潜力。 1 3 课题特点及优势 本课题是无线远程心电监护系统的一个子系统。无线远程心电监护系统主要 基于g p r s c d m a 和l i l t e m e t 网络进行通讯，相对于普通的心电床头监护仪和 h o l t e r 系统，在数据传输技术上和监控手段上具有先进性；心电床头监护仪体积 庞大，只能在床头进行监护；在目前h o l t e r 系统虽然有便携式的产品设计，但是 只有数据存储的功能，不具备实时传输数据的功能，因此h o l t e r 只能对患者的历 史心电数据进行回放分析。 而我们设计的移动远程医疗系统中，移动心电监护仪是类似于手机的便携式 产品，患者可以不受地域和时间限制携带。由于患者要长时间的携带该设备，要 最大程度地减小设备对人体的电磁辐射效应，因此，我们在数据传输方式中采用 了蓝牙技术。但此技术存在一个敝端：由于蓝牙技术的通信范围是限制在1 0 m ， 心电监护范围被局限在1 0 m 左右，无法做到远程监护。为了解决这一问题，我 们在移动远程医疗系统中添加了移动监控端。心电监护端和移动监控端之间采用 蓝牙技术作为数据传输模式。而移动监控端与固定的监控中心之间以采用 8 0 2 1 l g 技术为数据传输模式。由于8 0 2 1 l g 技术的传输范围是1 0 0 m ，并且有灵 活的组网能力，因此能够实现在更为广泛的范围内对病人进行监护。除了扩大心 电监护范围以外，我们在移动监控端的设计中又增加了视频和音频信号的采集模 块，同时实现了对患者周边环境的监控以及与患者与控制端的交互。通过增加这 一监控功能，使得患者和医生之间的交互更加人性化、便利化。这个移动远程医 疗系统的总体结构如图1 - 2 所示。 豁抄，终端随挖终端 妊羟t | l j 心 心i 毡 f 言 聚臻 睡夕己 髓牙 通 者 湃冗 格鸳 嚣 篮鸳： 通僻 瓤死 躇频采浆：j 插 放m 庀 狲频采集小， 扮渊躺1 收发 m 亡 图卜2 移动远程医疗系统的总体结构 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 4 本人工作 在移动远程医疗系统的设计过程中，我的研究工作主要集中在移动远程系统 的移动监护终端的软件设计、监护终端和监控终端之间的蓝牙通信部分的实现， 以及监控中心的心电信号处理部分的软件设计。具体工作如下： 移动监控终端的软件部分的设计中，我们与硬件电路想结合，软件编程对 主芯片m s p 4 3 0 进行了控制，这一控制包括心电信号的采集、放大倍数的选择、 心电导联通道的选择。 在实现监护终端和监控终端之间通信的部分中，我们通过两片蓝牙模块 b t s 3 8 0 2 c 1 h 为建立了监护终端和监控终端之间的蓝牙通信链路。首先，设置了 两片蓝牙模块的参数，再通过对监护终端和监控终端的串口进行编程控制，实现 了两个蓝牙模块之间的通信。 控制中心的软件系统部分的设计中，我们负责为接收到的心电信号数据进 行滤波除噪处理，为其消除了工频干扰，解决了基频漂移的问题。我们利用 m a t l a b 设计了一个5 0 h z 陷波滤波器和一个高通滤波器，并通过仿真为受到干 扰的心电数据进行了滤波处理，证实了我们所设计的滤波器具有实际的应用价 值。 1 5 本章小结 这一章，我们首先从实际的应用角度出发提出了本篇论文研究工作的课题背 景，接下来对心电远程监护系统的发展现状进行了综述，再根据我们所设计的移 动远程医疗系统的特点，陈述了我们的系统在实际生活中的应用价值和优势。最 后，对本人在整个系统设计中所做的主要工作进行了简单的介绍。 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章系统总体设计与实现 2 1 系统设计指标分析 移动便携式心电监护仪具有明显的现代化医疗仪器的特点和家用仪器的特 点，除了具有科学性、先进性之外，最重要的是工作可靠、操作简单，在体积、 重量、价格、维护、安全等方面能满足家庭的需要。便携式心电监护仪作为家庭 使用电子仪器，要能由非专业人士操作；作为医生对病人诊断、治疗、观察监护 的辅助性设备，需和医院、医生保持良好的通信联系。因此归纳起来对便携式心 电监护仪的主要要求如下： 家庭诊断与检测设备应无创伤、无专业性很强的测试条件要求； 自动化、智能化程度高，操作简单、安全、可靠、容错能力强，操作失误 不产生严重后果； 轻便、小型，便于存放；具有通信、联网功能。 同时根据心电信号特征、生物信号处理系统和现代心电监护技术发展要求， 本心电采集系统需实现的功能如下： 系统前置放大电路可方便准确地提取使用者的心电信号，并实现心电信号 的放大、低通滤波以及5 0 h z 工频滤波； 能对前置放大电路采集的心电信号进行1 2 位a d 转换，并对数字心电信 号进行相应的数字滤波以及心电特征信号的提取。 1 2 导联心电数据同步采集，能实时、准确、动态地显示心电信号波形， 采样频率为5 0 0 h z ； m i c r o s d 卡能够长时间地本地存储使用者的心电数据； 能将所存储心电数据快速、可靠地传至监控中心，以供医生做准确的判断； 由于监控中心和移动端之间是无线通信，两者之间的相对位置不固定。无 线通信距离要求达到1 0 0 米以上； 室内实验干扰因素多，如移动电话、各种电子设备等电磁干扰，加之短距 离无线技术部分均采用2 4 g h zi s m 频段。要保证数据的正确传输，就要求设备 抗干扰能力强； 仪器尽可能做到紧凑小巧，便于携带，需采用低功耗设计。 2 2 移动远程医疗系统总体架构 基于蓝牙技术的心电采集系统是整个移动远程医疗系统的一个子系统，因 7 北京邮电大学碰研究生学位论立 此，有必要先对整个移动远程医疗系统做一个介绍。移动远程医疗系统的整体拓 扑结构如图2 一l 所示。 月p l 黟蠢卧。 氅髟”零a 吖 ：茹黜罨聂m “ 图2 - 1 穆动远程医疗系统的总体拓扑结构 整个系统分为三个部分；移动监护端( 心电采集系统) 、移动监控端与控制 中心。移动监护端是用于患者病人的心电数据采集与发送，心电信息的简易处理； 移动监控端对周围环境的视频、音频信号进行采集、压缩与发送，并且负责中转 心电信号及控制信号；控制中心则负责对多个移动端( 包括监护端和监控端) 进 行调度，接收患者的心电信号数据，对心电信息进行一些必要的处理，并对心电 信息实时显示及监控。另外，还要接收、解压缩、实时显示( 播放) 移动端的现 场信息( 视频、音频) 。 系统工作流程：控制中心选择需要启动监护的移动端，将控制信号以广播方 式通过w l a n 发送；移动监控端在收到该广播信号以后，启动监控端的视频及 音频信号的采集，并将通过蓝牙，告知对应的移动监护端，该监护端开始采集心 电信号；移动监护端将采集到的心电信号通过蓝牙，发回对应的移动监控端；移 动监控端将经过压缩处理之后的视频、音频信号以及收到的心电信号一起通过 w e a n 传送到控制中心；控制中心收到视频、音频、心电信号以后，对视、音频 信号进行解压缩，显示在控制中心的界面中，收到的心电信号则先进行一定的信 号处理，再以心电图形式进行画图，也同显示在界面中。 23 移动远程医疗系统的硬件设计 移动远程医疗系统中硬件电路的设计包括移动监护端的硬件电路设计和移 黧懈黑燃 北京邮电大学硕士研究生学位论文 动监控端的硬件电路设计。下面分别对这两个子系统的硬件设计进行介绍。由于 本人完成的工作更多是与移动监护端的硬件电路相关，因此更为详细地介绍移动 监护端部分的设计。 2 3 1 移动监护端 移动监护端采集的心电信号是极其微弱的生理信号，易受外界信号干扰，在 进行a d 转换之前，要对其进行放大和滤波。除此之外，在电路设计中要引入电 磁兼容的理念，尽量减少电路自身对心电信号产生的干扰。同时，由于移动监护 端需用于患者随身携带，因此在硬件电路的设计中必须要考虑到低功耗的问题， 这一点通过选择低功耗的器件可以得到实现。 移动监护端的分为三个主要功能模块：心电信号采集模块、处理模块以及蓝 牙通信模块。 移动监护端的硬件电路结构框图如图2 - 2 所示。 图2 - 2 移动监护端硬件电路结构框图 1 心电信号采集模块 由于心电信号由皮肤电极取自于人体表面，具有信号源阻抗大( 约1 0 0 k q ) ， 信号弱( 卜2 m v ) ，加上周围的电磁干扰( 特别是5 0 h z 的工频干扰) 大，要求 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 放大电路具有高增益、高输入阻抗和高共模抑制比；为保持信号的稳定，还要求 输入失调电压和偏置电流小、温漂小；为了便于随身携带，还要求体积小、电源 电压低、耗电少。根据这些特点，我们选用了一些新技术、性能好的元器件，设 计了一种性能较高的心电采集电路。 常规的心电信号放大主要由前级放大、主放大、5 0 h z 陷波电路、低通滤波 器等电路构成。图2 - 3 是心电放大器的整体框图。 静麓5 0 1 i ki f l 透离嫒h卜 氍翅 一 咐 l 乜板茁分 z r滤波y豫护rr彦； 犬 rr滤浚1赫嚣 砍天 繇波 图2 - 3 心电放大器整体框图 实际设计中，我们在遵循常规心电放大电路设计的方法的前提下，通过阅读 大量相应的科技文献，采用了较为新颖的硬件电路。并且，在选择器件的时候， 根据芯片的技术参数，选择了较为理想的低功耗器件。图2 4 为我们的心电采集 电路的总体框图。 图2 4 心电采集电路总体框图 缓冲放大电路：该部分使用m a x 4 0 4 4 运放芯片，起到了一个低通滤波器 的作用，截止频率为3 2 k h z ，抑制了由人体的高频治疗、超声测量等装置以及 无线电波产生的干扰。另外，这部分电路还具有限流保护作用，它限制流入人体 的最大电流为3 m a 。 导联选择电路：测量心电信号时，共有l o 个电极安放在人体的固定部位， 通过威尔逊网络完成1 2 个导联心电波形的记录。该部分电路使用4 片双向四选 一多路开关芯片c d 4 0 5 2 实现1 2 导联的切换。而对c d 4 0 5 2 的控制是通过软件 方式来进行的，这一部分将在第三章具体介绍。 1 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文 前置放大电路：该部分实现对微小的心电信号的第一次放大。由于前置放 大的噪声系数对总噪声系数的影响最大，因此为了实现低噪声设计，电路中选择 了具有高输入阻抗、高共模抑制比、高精度、低漂移的差分放大器a d 6 2 0 为前 置放大器。电路中的信号放大倍数设计为1 5 ，共模抑制比达到了1 1 0 d b 。 导联切换复零电路：在切换心电导联时，由于每个电极的极化电压不相等， 心电基线恢复到零的时间有差异，而且该复位时间需要较长时间，影响心电信号 的正常显示和记录。因此，为了保证放大器的正常工作，应在放大器输入端增加 导联切换复零电路，使得导联切换的瞬间，就能将心电基线复零。 二级放大电路：该部分电路对心电信号进行2 次放大，运放器仍为 m a x 4 0 4 4 ，二级放大倍数为2 3 。 滤波电路：心电信号由于其微弱的特性，在检测、提取过程中，受人体自 身以及外接的干扰，使得系统的信噪比下降，甚至提取的心电信号被噪声埋没， 没有实际意义。因此，为了消除这些干扰，不仅要从硬件电路的设计上采用必要 的抗干扰技术以外，通常结合数字信号处理技术，设计一些数字滤波器，对心电 信号进行处理。滤波电路设计了一个高通滤波器和低通滤波器，滤除了工频、呼 吸引起的基线漂移造成的干扰。高通滤波器的截止频率为0 0 5 h z ，低通滤波器 的截止频率则为1 5 9 h z 。数字滤波器的软件设计将在第四章具体介绍。 三级放大电路、增益选择电路：心电信号经过前置放大器和二级放大器以 后，信号幅度由l m v 变为几百m v ，但其幅度仍不能满足高精度的a d 转换。 因此在进入a d 转换器之前有必要对心电信号进行第三次放大。本电路中采用 m a x 4 0 4 4 运放芯片，可选放大倍数分别为2 、3 2 、5 7 及l l 。通过控制增益选 择电路中的双向四选一开关芯片4 0 5 2 来选择用户需要的放大倍数。该部分控制 是由软件方式实现的，这一部分也将在第三章中具体说明。 右腿驱动电路：右腿驱动电路是用于去除人体携带的交流共模干扰的常用 方法。采用右腿驱动电路，能够使5 0 h z 共模干扰降低到1 一下，而且对于5 0 h z 干扰的抑制并不损失心电图的频率成分。 2 处理模块 处理器的选择 移动监护端采用了超低功耗1 6 位r i s c 微处理器m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为系统终 端设备的中央处理器。t i 公司的m s p 4 3 0 系列是一个特别强调超低功耗的单片 机品种，很适合应用在各种功率消耗要求特别低的场合。它具有一定的技术特点， 在这个系列中有多个型号，它们是由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而 成的。耵公司的m s p 4 3 0 系列又可分为几个分支，例如1l x 、3 1 x 、3 2 x 、3 3 x 等。 m s p 4 3 0 系列在2 0 0 0 年增加了m s p 4 3 0 f l x 系列。这系列具有f l a s h 存储器， 北京邮电大学硕士研究生学位论文 在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点嘲。 低功耗：m s p 4 3 0 f 1 4 x 运行在1 m h z 时钟条件下时，工作电流视工作模 式不同为0 1 a ，工作电压为1 8 - 3 6 v 。 强大的处理能力：m s p 4 3 0 f 1 4 x 具有丰富的寻址方式( 源操作数7 种， 目的操作数4 种) ，但只需简洁的2 7 条指令；片内寄存器数量多，存储器可实现 多种运算；有高效的查表处理方法。这些特点保证了可以编制出高效的程序。 m s p 4 3 0 f 1 4 x 的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于 省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只需6 s 。 丰富的片上外围模块：m s p 4 3 0 f 1 4 x 中的各个成员集成了较多的片上外 围资源。有几个型号的片上外围模块功能相当丰富，本系统使用的m s p 4 3 0 f 1 4 9 就包含：1 2 位a d ，精密模拟比较器，硬件乘法器，2 组频率可达到8 m h z 的时 钟模块，2 个带有大量捕获、比较寄存器的1 6 位定时器，看门狗，2 个可实现异 步、同步及多址访问的串行通信接口，数十个可实现方向设置及中断功能的并行 输入、输出端口等。 方便高效的开发方式：m s p 4 3 0 f 1 4 x 具有f l a s h 存储器，这一特点使得 它的开发工具相当简便。利用单片机本身具有的j t a g 接口或片内b o o tr o m ， 可以在一台p c 及一个结构小巧的j t a g 控制器的帮助下实现程序的下载，完成 程序调试。本文利用调试器i a r 进行程序的调试及开发，这一部分在第三章再 具体介绍。 多种存储器形式：m s p 4 3 0 f 1 4 x 的各种型号大多有性能相同而存储器不 同的r o m 型、o t p 型，以适应产品在设计、开发、生产的各个不同阶段的需要。 适应工业级运行环境：m s p 4 3 0 f 1 4 x 的运行环境温度范围为一4 0 到 + 8 5o c ，所设计的产品适合运行于工业环境下。 蓬) a d c l 2 心电信号处理中，模数转换是不可缺少的部分，一般来讲，1 2 位a d 转换 能够满足系统要求，常用的采样率为1 0 0 - 1 0 0 0 h z ，本系统中采用5 0 0 h z 采样。 a d 转换是通过m s p 4 3 0 f 1 4 9 处理器内部自带的a d c l 2 模块。另外，我们需要 利用加法器电路，使得采集到的心电信号电压幅度提高到a d c 模块能够处理的 电压范围。 存储电路 为了能够本地存储心电信号，我们选用了m i c r o s d 卡。m i c r o s d 卡凭借高 性能、小体积、大容量、适中的价格迅速在数码市场普及开来，目前已成为手机 中最流行的扩展卡类型。m i c r o s d 支持串行数据传输协议模式。 电源电路 1 2 北京邮屯大学项十研究生学位论文 本系统中供电形式分为两种；外部电源供电、电池供电。因此相应的电路设 计分为固定电源输入电路和电池供电电路。两种工作方式通过电压转换以后，为 单片机提供3 3 v 的工作电压。另外，由于电路中的一些芯片( 如a d 6 2 0 、 m a x 4 0 4 4 ) 需要对其提供负电压，系统中还设计了负压提供电路。 3 蓝牙通信模块 移动监护端和移动监控端之自j 的通信是通过两个蓝牙模块之间的通信来实 现的。移动端将采集到的心电信号通过h c i 接口发送给蓝牙子系统，蓝牙子系 统在内置蓝牙协议栈的控制下，接收数据并通过射频芯片和天线将数据发送出 去。我们采用了重庆台瓯公司生产的蓝牙串u 适配器( b t s 3 8 0 2 c 1 h ) ，外形见 图25 。 图2 - 5 金瓯蓝牙串口适配器外形 232 移动监控端 移动监控端采用a r m + l i n u x 的嵌入式结构在整个移动远程医疗系统作为 移动监护端和控制中心的中转站，完成心电信号和控制信号的传输。并且，负责 采集现场的视音频多媒体信号，将其传送至控制中心。移动监控端的硬件电路结 构框图如图2 - f i 所示。 l 处理器的选择 终端c p u 采用e p 9 3 0 1 ，它是一款高度集成的、基于a r m 9 2 0 t 内核、最高 主频为1 6 6 m h z 、具有众多外设接门的s o c ( 片p 系统) 处理器，由c i r r u s l o g i c 公司出品。e p 9 3 0 1 的特点如下： 1 6 6 m h z 的a r m 9 2 0 t 处理器 1 6 k 字节的数据高速缓存( c a c h e ) 和1 6 k 字节的指令高速缓存 具有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ，内存管理单元) 功能：支持嵌 入式l i n u x 和w i n d o w sc e 北京邮电大学硕士研究生学位论文 6 6 m h z 系统总线 集成的外设接口 1 l o l o o m b p s 以太网媒体访问控制器( m a c ) 2 个u s b 2 0 的全速主机端口( o h c i ) 2 个1 6 5 5 0 类型的通用异步串口接口( u a r t ) 红外( h 1 ) a ) 接口：慢速模式、快速模式 模数转换器( a d c ) 串行外设接口s p i ( s e f i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) a c 9 7 接口 i s 接口 三种外部存储器选项 片上外设 实时时钟r 陀( r e a l - t i m ec l o c k ) 1 2 个用于数据传输的d m a 通道，提升系统性能 b o o tr o m ( 启动的固件) 2 个锁相环( p p l ) 控制所有的时钟域 看门狗定时器 2 个通用的1 6 位定时器；1 个通用的3 2 位定时器 通用i o 端口( g p l 0 ) ；1 6 个增强的通用i o 端口( 具有中断能力) 3 1 个复用在其他外设端口上的、可选的g p i o c s 8 9 5 2 u s b 接口模块 卫l 正岛x 3 2 2 3x c l 4 5 4 8 1 ( 2 个o h c i ) 以太网接口模块串口模块苦- 频接口模块 99g e p93o1 。 n 翁 h ， iu 电源及复位模块 s d p 。a i ，i 枵跌i 盯l a s h 模块 k 4 s 5 6 1 6 3 2t e 2 8 f 1 2 8 1 3 c 1 5 0 1 1 1 7 3 3 v l1 1 1 7 可调 ( 3 2 m 字节)( 1 6 m 字节)l 江a 期0 8 c s a 图2 - 6 移动监控端硬件电路结构框图 1 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 f l a s h 及s d r a m 模块 系统主板包含1 6 m b 的f l a s h 存储器，用于存放启动代码、l i n u x 内核、用 户驱动程序及用户程序等。 s d r a m 控制器提供了高速存储接口、支持许多同步存储器件，如s d r a m 、 同步f l a s h 和同步r o m 。 3 电源及复位模块 电源模块能够为监控端提供三种幅度的电源：5 v 、3 3 v 和1 8 v 。复位信 号由m a x 7 0 8 c s a ( 微处理器监控电路) 产生，持续时间至少要大于4 个f c l k 周期时间。嵌入