（生物医学工程专业论文）一种基于gprs的家庭心电无线监护系统的研制.pdf

a b s tr a e 。c i tw 翟w e l li m o w nt h a tt h ee a r d i o l 柚yi st h ef i r s tb i gm u r d e l t rw l a i e l ah a st h e 霉或嘲t h r e a tt o h ml i f ea n dh e a l t h , | l e e o r d i n gt os t a l i s 喊：o n eo f t l l r d i e dp e o p l ed i eo f t h e s ed i s e a s e s 棚 o v e rt h ew o r l d t h ec a r d i o p a t l a yi so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft m p r e d i e t a b l e 缸dh i g hm o r t a l i t y , s o r e a l - t i m em o n i t o r i n go ff _ , c gi sp t i e u l a r l yi m p o r t a n t a sp e o p l el i f em o d ee l l a n g e da n ds o c i a l c o m p e t i t i o nb e c o m ci n t e m e ，t h ei n c i d e n c eo f t h ec a r d i o p a t l a yi m e c e s i n g l yr i s e sa n dh a st h et r e n d o fl o wa g e m o s tp 砒i 咖n e e de c gm o n i t o r sw h i c hc o u l dm o r t i t o re c ( 3i nr e a lt i m ea n d n o n t a f f e c tt h ew o r ka n dl i f eo f p 鲥即堍a t 舯黝t h ew i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mo f l l 址e c gc a u s 韶 d o m e s t i ca n df o r e i g n 岫叫yr e e o g n i t i o t lm o s te c gm o n i t o r sa r ee x p e n s i v ea n de o m p l i e a t e ai n o p e r a t i o n s ，s oi ti 舳tf i tt ob eu s e di nt h ef a m i l y t h e r e f o r e 。w eh a v ed e v e l o p e dar e a l - t i m e s a p l i n g , a n a l y z i n g 锄da l a r m i n gi n s t r u m e n tf o re c ( 3m o n i t o r i n gi nf a m i l y w h i c hc 姐b et a k e n b yp a t i e n t s 。w h e nt h ei n s t t t t r a e n tg i v e st h ew a i ns i g n a ta n dt h ep a t i e n th a sn o td i s a r mi nas e t - u p t i m e ( a b o u t1 0 s ) ，i ti se o n s i d e r e dt h a tt h ee c g i sa b n o r m a l i nt h i sc a 靼。t h ei n s t r u m e n t 啪s e n d t h es h o r tm e s s a g et ot h e i rf a m i l i e st h r o u g ht h eg p r sw i r e l e s sn e t w o r k t h ep a t i e n tc a nb ct r c a t 耐 i nt i m e m o l e o v e r t h ei n s t r u m e n ti se a s yt 0o p e r a t ea n dc a l lb eu s e di nf a m i l y 1 1 d si n s t r u m e n tt a k e s1 6 - b i tu l t r a - l o wp o w e rm i c r o - c o n t r o l l e rm s p 4 3 0 f 4 4 9b e l o n g i n gt o m s p 4 3 0s e r i e sa st h ec o u n i t ，a n di n t e g r a t e st h ee c g a m p l i f i e ra n df i l t e rc i r c u i t , l c di n t e r f a c e c i r c u i t , k e y b o a r di n t e r f a c ee i m l i t , s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c i r c u i ta n dp o w e rs u p p l y m a n a g i n gc i r c u i t a n dt h ei n s l r a m e n ti so f t h ef u t l c t i o n so f s a m p l i n ga n dd i s p l a y i n go f t h ee c g w a v e f o r m , e a l e u l a t i o r io f t l a eh e a r tr a t ep a r a m e t e r , s e r i a le o m m u n i e a t i r l ga r i da l a r m i n ge r e i no r d e r t oc o n q u e rt h ep r o b l e m sa i s t i l l gi nc o n v e n t i o n a le c gm o n i t o r sw l a i e hc o u l d b e u s e di n i m m o v a b l ec i r c u m s t a n c e , 瓶e c gw i r e l e s sm o n i t o r i n gi n s l l l m l e n ti sd e s i g n e d t h ew i r e l e s s o s m g p r sm o d u l e ( m c 5 5 ) p r o d u c e db ys i e m e n sc o m p a n yi su s e di nt h ei n s t r u m e n t , w h i c h o o m m t m i e a t ew i t hm c i ji no r d e rt or i o tb el i m i t e db ye n v i r o n m e l i ta n dd y n a m i c m o n i t o r i n g a f t e rd e v e l o o i n gt h es y s t e l l a ，w et e s tt h ep e r f o m m a c o fs y s t e m sh a r d w a r ea n ds o t w a r e ，a n d t h et e s t i n gr e s u l t ss a t i s f yt h ed e s i g nr e q u e s t s t h ei n s l r u m c n t 咖ss t e a d i l ya n dp o s s e s s e st h e f e a t u r e ss u c h 鹪t h el o wp o w e r , s m a l lv o l u m e ，a n dg o o dr e a l - t i m e , s c c u l r ea n dp o r t a b i l i t y 。s oi ti s 五tt ob eu s e di nf a m i l yh e a l t hc a a n di ss i g n i f i e a t i v et om o n i t o rc a r d i o v a s c u l a rd i s e 盐e si nr e a l t i m e i ( o y w o r d s ：e c ( 3m o n i t o r i n g ；m s p 4 3 0 f 4 4 9 ；g p r s 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，论文中不包含他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构学 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 日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名： 日期： 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 随着社会的进步和人民生活水平的提高，人们的健康意识不断的深入，对自 己的健康状况也越来越关注，都希望拥有一个健康的体魄。然而，由于人们生活 节奏的加快、膳食结构的改变，心血管疾病己逐步成为威胁人类生命健康的重大 顽疾，而且发病率逐年提高，发病年龄也呈下降趋势。据2 0 0 6 年世界心脏病学 术大会报道，发展中国家心血管疾病患病年龄明显低于发达国家，导致更高的相 应年龄的致残致死率。发展中国家心血管疾病流行处于高峰期，对贫穷人口的威 胁明显增加。1 9 9 0 2 0 2 0 年间，发展中国家的c h d 患病率在女性和男性分别增 加1 2 0 和1 3 7 ，而发达国家这两个数字分别为3 0 和6 0 。我们面临一种孪 生现象，一方面高收入国家快速老龄化，另一方面人口大得多的低中收入国家人 口心血管疾病发病显著年轻化，这预示全球的心血管疾病患病率和提前死亡急剧 上升。w h o 报告，每年因心血管疾病导致死亡的人有1 7 5 0 万，其中大约8 0 发生在低中等收入国家。心血管疾病为首位死亡原因，约占各种原因死亡的 3 0 。预计到2 0 2 0 年，死于心血管疾病的患者将达到2 5 0 0 万人。在欧美一些 发达国家中，近年来由于提高了对心脑血管疾病的预防措施，其发病率有所下降， 但该类疾病的病死率仍位居总发病率的第一位嘲：在我国，心血管病的患病率、 发病率及死亡率也呈不断上升趋势，其死亡人数约占总死亡人数的4 0 0 1 ，据卫 生部统计信息显示，我国心血管疾病死亡率已高于日本、法国、瑞士等发达国家 “1 。因此国内外许多专家致力于研究心血管疾病的预测诊断和防治，可见心血管 疾病的预防与诊断具有重要的意义。 随着医疗技术的进步，特别是生物医学工程技术的迅速提高，家庭保健工程 h h c ( h o m eh e f l t hc a r e ) 的发展己越来越受到重视，预防、检测患者的心血管功能 并进行康复治疗是h i - i c 最受重视的方面。3 。同时根据中国医学协会统计有近6 0 的心脏类疾病死亡是发生在家庭和社区范围内的。因此如果能够在早期发现心电 异常并及时通知家属，就能为患者争取宝贵的救治时间，提高其生存几率。医学 实践表明，对于心脏类疾病如果可以及时发现并作恰当处理，患者则有7 0 8 0 的生存率”1 。同时我国逐渐进入老龄化社会，对便携式心电监护设备的需求 每年大约要耗费5 亿元，并且以每年1 2 1 5 的速度增长。所以说心电监护仪 的便携式设计，已成为现代医学仪器发展的一个必然趋势。 因此，我们要研制一种便携式的、安全可靠的适用于家庭医疗保健的心电无 线监护仪，方便患者在家中实现心电的无线监护及报警。 1 2 家庭心电无线监护目前国内外发展的状况 通过心电图，记录患者在正常生活、工作及活动时的心电变化并且加以分析， 可以捕捉到潜在的初始心脏疾病的心电信息，从而对患者起到预警及监护作用。 早在2 0 世纪3 0 、4 0 年代，美国理学博士n o r m a nj h o l t e r 就从事于生物信号遥 测技术的研究，并于1 9 4 9 年研制成功遥测心电图装置，在本世纪6 0 年代成功地 研制出集收发于一体的心电监护系统( h o l t e r 系统) u ie 这项技术的发展成为检 测心律失常、心肌缺血的重要而有效的诊断方法，也为一些心脏病的早期诊断和 治疗起到积极的推动作用，同时也是家庭心电监护系统得以发展的重要基础。 我们所说的家庭心电监护系统源于h o l t e r ，也是动态心电监护的一种，两者 具有同样的目的，都是通过取得病人的心电波形并对其进行观察以便发现病情。 家庭心电监护的早期对象是做过心脏手术，特别是心脏移植手术的病人，研究中 采用电子仪器记录、存储病人在家中每天的心电图及其它重要的生理参数，并周 期地将数据送往诊所进行会诊哪。早期的家庭监护要在监护结束后再进行心电资 料的分析，不具有实时性，对于突发情况难以处理。但随着微电子技术的发展， 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的功能不断增强，可以实时显示心电波形：而传统的h o l t e r 嘲 是将患者2 4 小时的动态心电情况记录下来，再由医务人员将心电波形进行回放， 其观察到的并非实时的心电波形。随后的家庭心电监护系统可以实时显示患者的 心电波形，但不能或者仅能存储极少量( 几分钟) 的心电数据，由于其存储量太 小，一些有价值的心电数据不可避免地被丢失，这无疑降低了诊断的准确率。随 着现代通信技术、计算机技术的高速发展及其在医疗领域的应用，目前家庭心电 监护系统也发生了革命性的变化，向着采用数字信号进行无线传输m 1 、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。 1 。2 1 家庭心电监护仪的发展 ( 1 ) 基于b p 机的家庭心电监护系统 基于b p 机心电监护家庭端的核心是一个类似b p 机大小的心电图监护记录单 元和一个通信单元。监护记录单元的功能是对佩带者的心电图进行监护，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。其基本原理是应用心电记录单元将心电信号记录并转换成音频( 声耦合方 式) ，即将0 5 h z 一1 0 0 h z 的心电图经过频率调制到语音频段后再通过电话传送至 检测中心。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，而且信息量极为有限。 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，电话线畅通，显然对于突发性的瞬间即逝的心律失常是难以处理的。 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。不同产品记录次数 及存储心电的时间都不相同( 几秒至几分钟) 。然而该方式不能了解到在按动按 钮之前的心电数据。追记心电发送，有症状时患者可按下按钮，发送装置能够 记录按动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与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。当患者能够感到有症状时 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 医疗服务公司的 电话传输心电图监护系统，美国的h e a r tf a x ，h e a r tm i r r o r ，h e a r tv 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。 基于p c 机的心电监护系统是利用p c 机强大的功能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行通讯，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 机不能再作他用，所以功耗及成本都较高。 图1 - 1 以p c 机为平台的家庭心电监护系统 f i g 1 一lt h ee c gm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d0 1 1p c 电话翻 ( 3 ) 基于因特网( i n t e r n e t ) 的远程心电监护 基于i n t e r n e t 远程心电监护系统“”是利用心电监护仪在家中采集病人心 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，医护人员根据病 人心电图做出相应服务。整个系统主要由二个部分组成：一是多功能心电信号采 集监护终端，它是由一个无线传输的心电h o l t e r 、一个连接i n t e r n e t 的监护工 作站以及相应的一系列应用软、硬件构成；二是远程心电监护管理中心工作站， 包括实时的动态心电数据库、病人和医生数据库、网络管理及网络安全系统等。 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 ”、i s d n o “、以太网等几种。普通m o d e m 拨号的接入方 式传输速度最高只可达到5 6 k b p s 。”；通过p s t n 的信息传输由于受其带宽限制， 很难达到大容量的传输，但p s t n 覆盖面最广、实现方便、价格便宜，仍对广大 边远地区有意义；i s d n 实现了完全数字通信，其传输速率可以达到几兆；随着 宽带网的快速发展，几乎所有社区都布了以太网接入方式的宽带网线，由于基于 以太网的宽带网络日益普及，费用越来越低，而且以太网接入的速度也远远高于 拨号上网，因此现在很多系统均采用以太网接入方式，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转发器的核心，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。 通过互联网技术啪1 ，可将心电图监护从病房监护延伸到了家庭，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病人的心电数据，并可根据需要随时 将医嘱或服药指令发送到病人的监护仪上。 1 2 2 家庭心电无线监护的研究现状 当前心电监护的发展主要有两个方向，一是高精尖、先进的医疗设备。由于 计算机技术、通信技术的高速发展，使得动态心电图技术逐渐向多导联、大容量、 智能化和网络化方向发展。目前1 8 导联动态心电图仪已逐渐投入临床使用，对 于心脏广泛面积缺血引起s t 段、t 波改变的动态观察有其它仪器无法取代的优 点。心电监护发展的另一个方向是小型、廉价、实用，它的使用可以降低医疗费 用、缓解病床不足的压力，改进患者患病期问的生活质量。随着医学模式的转变， 家庭医疗与保健问题将越来越得到重视。目前人们已经成功研制了电话传输心电 图( b p 机) ，基于p c 机的心电监护系统、基于互联网的远程心电监护系统等监 护设备，但其大部分只能应用于固定环境或小活动范围，采用有线通信方式，达 不到动态监护的目的。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 汹1 、蓝牙o ”汹1 等无线移动通信技术实现心电无线监护。 ( i ) 基于蓝牙技术的监护系统 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 j 第l 章绪论 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，并传送到因特网。s a n t i a g o l e d 啪1 等人利用蓝牙技术研制了便携式心电实时传输监护仪，患者所携带的移动 r o l t e r 将采集到的心电信号传输到微控制器a d u c 8 3 1 中，由外部静态存储器存 储心电数据，采用c s r 公司的蓝牙芯片，通过微控制器的串行通信接口进行短距 离的传输，微控制器与网关之间形成一座无线的桥梁，使心电信号能够顺利传到 监护中心，整个系统体积小、重量轻。k h u n g 瞰3 等人研制的基于蓝牙模块的心 电监护系统，患者携带的传感器将采集到的心电信号经过放大滤波后送入1 6 位 单片机，进行1 2 位精度的模数转换，单片机的异步通信串口与蓝牙模块相连， 将转换后的心电数据通过蓝牙模块传送到p c 机中，实时显示心电波形，并存储 到p c 机的数据库中，进行分析判断及报警。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 - 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恤】：利用a d u c 8 1 2 1 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”1 ；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 为核心的心电无线数传系统 。”。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 之间， 因此它非常适用小范围内的数据传递，无须电缆、组网灵活、语音传递方便言 ( 2 ) 基于g s m 的心电无线监护系统 g s m 是全球性移动通信系统的简称，它是一个开放的电路交换系统，允许多 种不同设备的接入，是目前全球覆盖区域最广的公共移动电话系统。随着第二代 移动通信向第三代的快速过渡，以g s m 网为平台的各种业务不断拓展，尤其是价 格低廉的短消息业务，可靠的传输性能得到广大用户的青睐。同时，将计算机串 口通信技术与短消息业务相结合，利用g s m 公共网进行远程监控已经成为数据通 信业务的一个新的热点。g s m 是一个现有的成熟网络，其传输的距离可以延伸至 g s m 网络能达到的地方嘲。目前市场上有很多g s m 模块，如法国w a v e c o m e 公 司生产的双频g s m 模块q 2 4 0 3 a ，西门子公司生产的t c 3 5 模块，索爱公司生产的 g r 4 7 等。 基于g s m 无线通信网的心电远程监护系统如图卜2 所示，系统由用户端、传 输网络及监控中心组成。王丛知姗等人研制了一种新型便携式心电监测仪，它以 m s p 4 3 0 f 1 4 9 微控制器为核心，选用了德国f a l c o m 公司i i i i 推出的g s m g p r s g p s 三合一无线通讯模块，m s p 4 3 0 集成两个u a r t s p i 可选串行接口，常规监护时， 使用其中一个s p i 接口控制存储芯片，另一个u a r t 接口控制g s m 模块。当需要 向医院监护中心报警或发送存储心电时，先利用a t 指令控制g s m 模块与g p r s 服 务器建立点对点协议( p p p ) 的连接。经过链路控制协议( l c p ) 、密码认证协议( p a p ) 和网际控制协议( i p c p ) 三个层面上的协商后，获得一个动态i p 地址，即完成了 网际协议( i p ) 的连接建立。然后就可以在应用层使用传输控制协议( t c p ) 向预先 设置的监护中心i p 地址发送心电或位置数据。s a l v a d o r ”1 等人研制了一种对于 出院患者进行心电跟踪监护的系统，患者佩带一个便携式设备和一个移动电话， 移动电话可将心电数据通过g s m 网传输到中心站。中心站是一个无人操作的自动 平台，将接收到的信息按顺序存放到患者的档案中，康复中心的代理可不断查询 患者的档案，通过g s m 网或者患者发来的短消息与其取得联系。陈剑等人”1 以 m s p 4 3 0 单片机为核心，提出了单兵生命状态监测系统方案。该系统能采集个人 的心电、呼吸、血氧饱和度和体温等生命信息，控制监测、数据收发以及信息显 示电路由m s p 4 3 0 单片机和t c 3 5 i 无线g s m 模块组成，通过g s m 无线网络将数据 传输给远方主机，主机接收后对数据进行处理，实时监护士兵的生命状态。 图i - 2 基于g s m 技术的心电监护系统 f i g 1 2t h ee c gm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng s m ( 3 ) 基于g p r s 技术的心电监护系统 g p r s 是通用分组无线业务，是在现有的g s m 系统上发展出来的一种新的分 组数据承载业务，g p r s 与现有的g s m 语音系统最根本的区别是，g s m 是一种电路 交换系统，而g p r s 是一种分组交换系统。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，具有“实时在线”、“按流量计费”、“快捷登陆”、 “高速传输”、“自如切换”的优点，因此，g p r s 特别适合用于间断的、突发性 或频繁的、大数据量传输，该特点适合于心电数据的传输。基于g p r s 移动通信 网的心电监护是一种新型长时间心电监护系统，g p r s 网络可以支持点对点连接， 因此，两个g p r s 监护终端可以经由移动网直接连接进行通信，可用在患者与医 生或家属之间进行沟通。患者还可以通过g p r s 网接入i n t e r n e t 网来与监护中心 进行通信。基于g p r s 的心电远程监护系统如图卜3 所示，系统由用户端、传输 网和监控中心组成。 李刚m 3 等人针对现有远程心电监护设备移动性差，智能化程度低，救治功能 缺乏等问题，结合新一代g p r s 移动通信技术和智能心电分析技术，开发一套新 型的移动智能远程心电监护系统，该研究中特别设计了远程救护指导功能，利用 g p r s 内置的语音通信通道，实现了监护中心医务人员与远方患者之间的交互联 系，了解患者病情，并提供及时的救治指导。李享元m 1 等人研制的基于g p r s 的 图1 - 3 基于g p i c s 技术的心电监护系统 f i g 1 - 3t h ee ( m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng p r s 远程移动心电监护系统，为了准确的获得患者的心电数据，以1 k h z 的采样频率， 1 2 b i t 的采样精度对2 通道同时采集心电数据并实现实时滤波处理。选用w i n b o n d 公司的单片机w 7 8 l e 5 8 为核心作微控制器，西门子公司推出的无线m o d e m 模块 t c 3 5 将心电数据发往移动心电监护中心，在测控中心，病人的心电数据得到解压 处理，医生根据不同的病情设置预警阈值，并在危险状态下发出警告。r u n e f e n s l i m l 等人研制的无线便携式心电监护系统，患者胸部所携带的传感器通过无 线射频将心电信号发送到p d a 中，通过p d a 中的g p r s 模块r t i d 一8 0 0 0 把数据传输 到医院中的服务器，再由医生对患者的心电数据进行诊断。 ( 4 ) 基于o d m a 的心电监护系统 c d m a 是基于码分多址技术的数字移动电话系统，它是在数字扩频通信技术 上发展起来的一种新的无线通信技术，与使用时分多路的g s m 技术不同，c d m a 不给每一个通话者分配一个确定的频率，而是让每一个通信都使用全部的频率， 使大量用户能够共享同一个无线频率。c d m a 的优点在于：系统容量大，建网成 本低，配置灵活，频率规划简单，保密性好，发射功耗小，无线辐射能量低。 c d m a i x 标准是c d m a 2 0 0 0 的第一阶段，可支持3 0 8 k b i t s 的数据传输，网络 部分引入分组交换，支持移动i p 业务，具有较快传输速率，适合应用于远程实 时心电监护1 。基于c d m a 的心电监护系统如图1 - d 所示，其系统一般由用户端、 传输网和监控中心组成。 图1 _ 4 基于c d i i a 的心电监护系统 f i g 1 - 4t h ee c gm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nc d m a 北京工业大学工学硕士学位论文 j u n g ，d k u s j 等人研制了一个基于c d m a i e v d o 的心电监护系统，主要包括 生理参数的测量和基于p c 机对信号进行处理和传输两部分。系统是通过c d i v l 无 线模块进行关键信号、视频、音频的采集和传输，c d m a i e v d o 最大数据传输 速度为2 4 m b p s ，但传输质量会受到限制，因此实际上的下行速度为3 0 0 k b p s ， 上行速度为1 5 0 k b p s ，整个系统得到了成功的测试，并且能够灵活的兼容新的无 线传输模块及便携式传感技术。王恒1 等人采用a r m 和嵌入式技术，通过 c d m a - i x 无线网络实现心电信号的远程实时传输。整个移动监护终端以a r m 7 的 嵌入式微处理器s 3 c 4 4 b o x 为核心，分为前端心电采集处理模块( 以m s p 4 3 0 单片 机为中心来完成) 、嵌入式控制核心模块、c d m a 一1 x 数据传送和g p s o n e 定位模块 ( 采用b e l l w a v e 公司的b c m 8 6 0 无线通信模块) 3 部分。该系统能够实时采集、 处理、存储和远程传输心电数据，并能对病人进行有效定位，提高了心电监护终 端的监护水平。 总之，我国人口趋于老龄化“”，无线心电监护系统的研究在近年来引起了国 内外的高度重视，将快速发展的通信技术与实际的应用相结合，为人们提供更高 效的服务。心电监护仪的便携式无线设计，已成为现代医学仪器发展的一个必然 趋势。由此可见，研制一种对心电能够实时监测并具有报警功能的家庭心电监护 系统显得尤为重要。 1 3 本课题的主要内容 本课题受到北京市教委基金( k m 2 0 0 6 1 0 0 0 5 0 2 2 ) 和北京市青年骨干教师基金 ( 1 0 2 l ( b 0 0 8 4 5 ) 的资助。根据市场调查和课题调研的情况，针对国内外研究中所存 在的不足之处，同时，考虑到系统实时性的需要，本课题采用新型1 6 位超低功 耗微控制器m s p 4 3 0 f 4 4 9 以及g p r s 无线模块m c 5 5 ，研制了应用于家庭中具有监 护及报警功能的心电无线监护系统，它能够实时监测患者的心电信号并给于简单 分析，能够采用发送短消息的方式向其家属报警。本研究充分适应了人们现代化 生活水平的要求，对实现心血管疾病的早期预防和实时诊断，将会发挥很大的作 用。 1 3 1 本课题研究目标 目前已有的心电监护系统，大部分基于固定的环境，采用有线的通信方式， 而且价格昂贵，不便于携带。为了达到在家庭和社区能够实现心血管疾病的实时 监护的目的，需要一种小型轻便，具有实时清晰心电信号波形显示和分析处理功 能的心电无线监护仪。根据调研和综合分析，确定该监护仪实现的基本目标如下： ( 1 ) 心电放大、滤波电路的设计，以及心电监护系统的硬件参数设置； ( 2 ) 以2 0 0h z 采样频率采集心电信号，并且将采集到的波形实时地在液晶屏上 显示； - 8 第1 章绪论 ( 3 ) 对采集到的心电数据进行分析处理，实现心率的实时显示； ( 4 ) 实现键盘与单片机的接口电路，完成导联脱落及报警电路。 ( 5 ) 实现m c 5 5 模块与单片机的串口通信，通过a t 指令控制m c 5 5 模块，以便当 心率异常时以发送短消息的方式通知其家属； 1 3 2 本课题各章节安排 第2 章：介绍心电信号形成及特点，以便在系统设计中根据其生理学信号的 特点进行分析判断； 第3 章：研究m s p 4 3 0 f 4 4 9 芯片及其应用特点，并以其为控制核心，完成外 围功能电路的设计，构建系统的硬件平台； 第4 章：研究m s p 4 3 0 f 4 4 9 的软件开发平台，开发应用程序：分析a t 指令以 便实现对m c 5 5 模块的控制，设计并实现便携式心电无线监护仪的各项功能。 第5 章：给出了仪器的硬件性能测试和实验结果。 第6 章：最后对所做研究课题作出总结和展望。 。，。，垒坠尘墼耋些璧童墼坠。，一 第2 章心电信号的生理学基础 2 1 心电图的形成 心脏是由大量心肌细胞组成的一块心肌，整个心脏的退极化与复极化是许多 心肌细胞退极化和复极化的结果。心肌细胞除极和复极的电生理现象是心脏运动 的基础。一系列非常协调的电刺激脉冲是由心脏内部产生的，它分别使心房、心 室的的肌肉细胞兴奋，使之有节律的舒张和收缩。这些运动在体表的不同部位形 成不同的电位差，通常从体表检测到的心电信号就是这种电位差信号。心电的自 律性，兴奋性和传导性，都以生物电为活动基础。心电图是记录心脏电活动状态 的记录，对了解心脏的节律变化和传导情况有十分重要的价值“。心脏电活动的 变化与某些心脏疾病，尤其是各种类形的心律失常的发生有着密切的联系。为了 明确心电活动的规律，必须对心脏的传导系统有一个概括的了解。我们人体心脏 的原发性起博兴奋点窦房结位于上腔静脉和右心房的交界处。在正常时，窦 房结的起博细胞每分钟自发地产生5 0 i 0 0 次可传导的动作电位。这种电兴奋 以有序方式通过心房内的传导束，首先激活右心房，然后是左心房。兴奋通过房 室结时，稍有延迟，然后进入希氏束，左、右束支到达普金野( p u r k i n j e ) 氏网， 普金野氏网是个大而特化的传导细胞系统，它分布在两个心室内膜下，电兴奋通 过普金野氏网迅速激动心室壁的普通工作性心肌细胞。这样，电兴奋波传播到整 个心脏，从而完成一次正常的心博动。心脏周围的导电组织和体液将这种生物电 变化反映到身体表面上来，使身体各部位在每- - , b 动周期中也都发生有规律的电 变化。在各心动周期中，瞬时心电向量作周期变化，其变化轨迹称为心电向量环。 临床诊断中广泛应用体表心电图所反映的就是立体心电向量环二次投影的结果。 第一次投影将立体向量环在额面极横面上，形成平面向量环。第二次投影则将平 面向量环按不同的角度投影在移动的的心电图纸上( 2 5 m m s ) ，便形成了心电图图 形。 以上简单介绍了心电图的形成原理，这是心电图能够反映心脏特性变化的理 论依据。i | 函床应用的心电图是通过在体表特定部位设置电极并使用一定的连接方 式构成心电导联，由心电图仪记录各导联新电信号的变化情况，以供医生对病人 的心功能进形评价。 2 2 心电波形及特征 正常人体内，由窦房结发出一次兴奋，按照一定的途径，依次传向心房和心 室，引起整个心脏的兴奋。而在每个心动周期，心脏各部分兴奋过程中出现的电 变化的方向、途径、次序和时间都有一定的规律。人体组织是容积导体，这种生 北京工业大学工学硕士学位论文 物电变化通过心脏周围的导电组织和液体反映，使得身体各部位在每个心动周期 也都发生有规律的电变化。因此，在体表任意间隔一定距离的两点间存在电位差， 并随着心肌的电活动不断变化。把测量电极放在体表的一定部位，记录的心脏电 变化曲线即为临床常规心电图，它反映了心脏兴奋的产生、传导和恢复过程。正 常的心电图如图2 一l 所示，波形各部分与心肌电激动过程的对应关系1 如下： 图2 - 1 心电波形 f i g 2 - 1t h ew a v e f o r m o fe c g p 波：左右心房除极波，前部代表右心房激动，后部代表左心房激动。 p r 期问：代表心房肌开始除极到心肌开始除极的时限。 q r s 波群：反映心室肌除极过程的电位变化，是心电观察的重点波段。典型 的q r s 波群包括了三个相连出现的波形，第一个向下的负波为q 波，后面紧接 着出现的正的跳跃为r 波，再之后的向下的负波为s 波。他们都反映了心室的 激动过程，合并成为q r s 波群。 s 呵段：从q r s 波群的终点到t 波起始点之间的线段，反映了左、右心全 部除极完毕到复极开始前的一段时间。 t 波：代表心室肌激动后恢复过程产生的电位变化过程。 q t 期间：从q r s 波起点到t 波终点间的期间，代表心室开始兴奋去极化 到完全复极到静息状态的时间。 u 波：位于t 波之后，可能是反映激动后电位的变化，人们对它的认识仍在 讨论之中。 2 3 心电信号的特征 1 微弱性 人体体表的心电信号很微弱，一般只有0 0 5 5 m v 。在测量中，对于如此微 弱的信号，很难进行直接记录或处理，必须通过放大器适当放大，同时必须 进行 第2 章心电信号的生理学基础 滤波等抗干扰处理。 2 低频特性 人体心电信号的频谱范围在0 0 5 1 0 0 1 - i z ，频率是比较低的。 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 至几十k q ，这将给 心电测量带来误差和失真。 4 不稳定性 人体和外界有密切的联系，内部的各种器官之间存在相互的影响。因此，来 自内部或外部的刺激，都会使人体心电信号产生相应的变化。在对心电信号进行 测量、分析和处理时，应按照其频谱特性，选择适当的放大系数。 5 随机性 由于人体的不均匀性以及可接收多通道输入，信号易受到外界干扰而变化， 从而使心电信号表现出随机性。但是，这种随机现象服从统计规律。在心电检测 中，即要注意到它的随机性，又不能忽略其内在的规律性。 2 4 心电导联 为了记录心电，将探测电极安置于体表相隔一定距离的两点，此两点即构成 一个导联，两点的连线代表连轴，具有方向性。临床常用的导联方式有肢体导联 和胸前导联，肢体导联又有标准导联和加压单极肢体导联之分。 临床中广泛应用的是标准十二导联系统，分别记为i 、三个标准导联， a v r 、a v l 、a v f 三个加压导联以及v 卜v 6 六个胸极导联。其中i 、i i 、主要是 反应左手、右手以及左腿任两电极间的电压差，无探查电极和无关电极之分，是 双极导联。双极导联就是拾取两个测试点的电位差。a v r - v 6 是单极导联，就是 拾取某一点相对参考的电位。由一个无关电极和探查电极所组成，其p 波明显， 利于诊断心律失常( v 1 ) 和左前壁心肌缺血( v 5 、v 6 ) 。标准导联的特点广泛地 反映了心脏的大概情况，如：后壁心肌梗塞、心律失常等，往往、导联可以 记录到清晰的波形。 第3 章心电无线监护系统的硬件电路设计 3 1 心电无线监护系统简介 由于大多数心屯监护仪成本较高，操作复杂，不宜在家庭中普及，因此，我 们研制一种能够实时采集、分析及报警的家庭心电监护仪，患者可以通过佩戴一 个便携式的仪器，对心电信号进行实时监测、分析，并对心率失常情况给予诊断 及报警，当患者在规定时问( 1 0 s 左右) 无法解除此报警时，表明患者确实突发 心脏病，监护仪可以通过g p r s 无线模块以发送短消息的方式通知其家属报警； 另外还具有导联脱落报警模块。此监护仅体积小，功耗低，操作简单，适合应用 于家庭和社区的心电监护。 3 1 1 系统硬件结构及原理 系统的硬件结构如图3 一l 所示，主要包括m s p 4 3 0 单片机，心电信号的采集 模块，液晶显示器( l c d ) 及键盘，电源模块，无线通信模快。 图3 - 1 系统原理结构框图 f 培3 一ls y s t e mf r a m eo f t h ed e t e c t i n gi n s 仇i m 饥t 通过电极从人体上取得的心电信号，经过模拟放大电路的放大、滤波处理之 后进入m s p 4 3 0 单片机，利用单片机内部的a d c l 2 转换模块对模拟信号进行模数 转换，采样频率为2 0 0 h z ，并且将采集到的波形送到液晶显示器上显示。待波形 稳定后，每隔3 s 进行一次e c g 检波分析，得出实时心率并显示，从而判断心率 是否失常，如果产生异常心电立即报警，当患者在