（控制理论与控制工程专业论文）远程无线心电监护系统的设计与实现.pdf

东北大学硕士学位论文 远程无线心电监护系统研究 摘要 心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一，据统计，世界上每年平均有几 百万人死于心血管疾病。因此，对心血管疾病的诊断、治疗一直被世界各国的医 学界所重视。及时了解心脏病病人病情状况，对于适时治疗、预防心脏病突发死 亡具有十分重要的意义。而当前国内市面上的远程心电监护仪，虽然也能够正确 采集病人的心电图信息，然而，其往往要么缺乏大容量存储系统以存储监护仪2 4 小时以上所采集的心电数据：要么无法将病人在特殊情况下相对少量的心电数据 及时传输到医院，以作为医生紧急诊断的参考。 因此，本文提出了一种基于a r m 、f l a s h 以及g p r s 的远程无线心电监护系 统的解决方案。该系统的实现分为心电监护仪硬件设计、心电监护仪软件设计以 及医院监护中心软件设计三部分： 心电监护仪硬件部分采用了3 2 位的高性能、低功耗a r m 9 处理器s 3 c 2 4 1 0 作为 系统主处理器，采用m c 3 5 无线g p r s 通信模块实现了心电图数据的无线传输；采 用高密度、低功耗的n a n df l a s h 存储器存储患者2 4 d 时的心电数据并可通过 u s b 上传n p c 机；采用低功耗l c d 显示心电图和诊断结果。 心电监护仪软件部分的设计充分利用公开源代码上的已发布的各项技术成 果，移植了实时多任务操作系统p c o s - i i ，移植了专为n a n df l a s h 而开发的文 件系统y a f f s ，移植了轻量型t c p i p 协议栈l w i p 。同时，开发t u s b 、串口等的 设备驱动和心电图显示界面等。 医院心电监护中心的应用软件主要采用v i s u a lb a s i c 开发，采用s q ls e r v e r 2 0 0 0 作为存储患者数据的数据库，采用v i s u a lc + + 设计了与u s b 客户端通信的动态 链接库，用于v b 调用。 该远程无线心电监护系统已完成，并通过了测试，具有较高的可靠性和较高 稳定性，将产生极大的社会效益和经济效益。 关键字：e c g ，a r m ，l w i p ，远程医疗，g c o s i i 东北大学硕士学位论文 a b s t t a c t r e m o t ew i r e l e s se c g m o n i t o r i n gs y s t e ma p p r o a c h a b s t r a c t t h eh e a r td i s e a s eh a sb e e nt h em a i nd i s e a s et oh a r mt h eh e a l t ho f p e o p l e ，b y t h es t a t i s t i c ，t h o u s a n d so f h u n d r e d so f p e o p l e sd i ef r o mh e a r td i s e a s e s ot h ed i a g n o s e s o f h e a r td i s e a s eh a v eb e e na t t a c h e di m p o r t a n c et om e d i c i n ei nm a n yc o u n t r y s t of i n d o u ttt h ei n f o r m a t i o no f h e a r to f p a t i e n t si nt i m ei sv e r yi m p o r t a n ti nt h ed i a g n o s eo f h e a nd i s e a s e h o w e v e r , t h er e m o t ee c gm o n i t o rp r o d u c t so nt h em a r k e tc o u l ds a m p l e t h ep a t i e n t s c a r d i o g r a m sd a t a t h e yd o n th a v et h eh u g em e m o r yo rd o n th a v ew i r e l e s s t r a n s f e r r i n ga b i l i t y e s p e c i a l l y , i nt h eu r g e n c y , t h ed o c t o r sm a ym a k et h e i rd e c i s i o nt o h e l pt h ep a t i e n tb a s e d o nt h e s ec a r d i o g r a m s s o ，b a s e do nt h ea r mt e c h n o l o g ya n df l a s ht e c h n o l o g ya n dg p r st e c h n o l o g y , t h e “w i r e l e s se c gm o n i t o rs y s t e m ”i sd e s i g n e d ，t h i ss y s t e mc o u l db ed i s p a r t e da s e c gh a r d w a r es y s t e md e s i g na n de c gs o f t w a r es y s t e md e s i g na n dt h ec u s t o d yc e n t e r s o f t w a r ed e s i g nt h r e ep a r t s t h eh a r d w a r ed e v e l o p m e n to f t h es y s t e mi sb a s e do nt h eh i 曲p e r f o r m a n c e ，l o w c o s tc p u $ 3 c 2 4 1 0 ；t h ew i r e l e s st r a n s f e ro f t h ec a r d i o g r a md a t ai sb a s e do nm c 3 5 m o d u l e ；u s i n gl o w c o s tf l a s hm e m o r yt os t o r a g et h ep a t i e n t su p2 4 一h o u rc a r d i o g r a m d a t aa n du s i n gu s bt ot r a n s f e rt h e s ed a t at ot h ec u s t o d yc e n t e r u s i n gl o wc o s tl c d t o d i s p l a yt h ec a r d i o g r a md a t aa n dt h er e s u l to f d i a g n o s ef r o m d o c t o r t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to f t h es y s t e mf u l l ym a k en s eo f t h ef r u i to f o p e ns o u r c e p o r t i n gt h er e a lt i m eo p e r a t es y s t e mi 1 c o s i i ；p o r t i n gt h ef l a s hf i l e y a f f s ；p o r t i n g t h el i g h tw e i g h tt c p i ps t a c k l w i p ；a st h es a n l et i m e ，d e s i g n i n gt h ed e v i c ed r i v e rf o r u s ba n du a r t ；d e s i g n i n gt h ed i s p l a yo f t h ec a r d i o g r a m t h em o n i t o rh a sb e e nc o m p l e t e d ，a n dp a s s e dt h et e s t i th a sh i g hr e l i a b i l i t ya n dt h e u s a b i l i t y , a n dh a se n o l t l l o l l ss o c i a le f f i c i e n c ya n dt h ee c o n o m i ce f f i c i e n c y ， k e yw o r d s ：e c c j , a r m ，l w i p , l o n g - d i s t a n c em e d i c a lc a r e ，p c o s _ 1 1 1 1 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 远程心电监护的研究背景和意义 心脏病己成为危害人类健康的主要疾病之一。据统计，世界上每年平均有几 百万人死于心血管疾病【l 】，因此，对心血管疾病的诊断、治疗一直被世晃各国的医 学界所重视。及时了解心脏病病人病情状况，对于适时治疗、预防心脏病突发死 亡具有十分重要的意义。 心电图( e l e c 昀c a r d i o 掣a m ，e c g ) 对心血管疾病的诊断具有重要意义。由于其诊 断可靠，方法方便，对病人无伤害等特点，是一种很有价值的心血管检查方法【2 1 。 在现代医学中，心电图越来越成为医生诊断心脏疾病的依据。 然而，常规心电图是病人在静卧情况下由心电图仪记录下来的心电活动，一 般有1 2 路导联，反映了心脏额面和横丽上的心电变化，可以从多个角度观察到心 脏的活动情况f 3 j ，能够对心肌梗塞、早搏、左前支阻塞和左后分支阻塞疾病等进行 定位诊断，是心脏诊断的重要手段之一，但是常规心电图仅记录6 1 0 0 个心动周 期，历时仅1 分钟左右，只能获取很少有关心脏状态的信息【4 】。一个正常人一天 2 4 小时心搏数达1 0 万次以上，所以在有限的时间内，记录发生心率失常的概率相 当低，尤其是一些阵发性心率失常，即使病人有自觉症状，但在做常规心电图检 查时也往往难以捕获【5 】o 并且传统的心电监护系统虽能有效减少心脏患者的死亡率，但不能对众多的心 脏病患者进行实时，尤其是症状较轻的心脏病早期患者，平时没有症状，偶感胸 闷或心脏不适，也一般仅持续几十秒钟1 6 。等赶到医院做心电图检查时，因为症状 消失，心电图恢复正常，使医生不能对病人进行及时确诊，疾病难以得到早期治 疗和控制1 7 j 。 因此心脏病的监护目前成为了亟待解决的社会问题，远程生理信号的监护也 越来越起着更为重要的作用【融，其意义表现为： f 1 ) 缩短医生与患者之间的距离，减少患者或医护人员的路途奔波，节省社会 的医疗资源； ( 2 ) 把慢性病患者的监护在家中完成，一方面节省患者开支，另一方面也节省 医院的床位： 一】一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 远程监护可以在患者熟悉的环境中进行，减少患者心理压力，提高诊断的 准确性； ( 4 ) 对于自理能力较差的老年人和残疾人的只常生活实施远程监护，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， 提高了社会弱势群体的生命安全度【9 】。 为了及时发现和治疗早期心脏病和各类隐性、偶发性心率失常，就必须有一 种心电图仪，能够携带在病人身上，在病人正常工作和生活的情况下2 4 小时以上 长时间对病人进行检测，随时捕获病人在工作紧张劳累、精神受到刺激、情绪激 动等其它特殊状态下一i i , 脏发生病变的信息f l o j 。 1 2 国内外研究现状 由于无线通信技术和设备的飞速发展和不断普及，其各种应用解决方案的设 计与实施，为人们生活提供便利和保障。因此基于无线通信和计算机网络技术平 台的远程医疗作为一项新的应用技术应运而生，并很快得到了广泛的关注i “1 。 从上世纪七十年代，人们就开始了无线网的研究，到1 9 9 7 年6 月，i e e e 通过 了8 0 2 1 l 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 e 8 0 2 1 l a 两个新标准 ”4 】；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，给无线心电监护系统的网络无线化提供了解决方案上的 参考。另外国外的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人员 和资金来研究及开发无线心电监护系统，而它们也必将成为心电监护系统发展中 的重中之重i ”】。 目前，国内外已有多家科研机构致力于远程医疗系统的研究。其中心电信息 的数字化是计算机与心电信息量两者融合的基础。计算机与心电信息之间的联系 体现在数字化心电信息的采集、传输、储存、分析和处理等方面。而对于整个心 电系统来说，心电数据的传输是关键；i n t e r n e t ，p s t n 等公共网已成为心电数据传 输的有效途径l l “。就整个系统而言，通常都包括心电数据采集移动端( 具有简单 功能的监护仪) ，一1 1 , 电数据传输接入端( 患者的p c ，p d a ，甚至m o b i l ep h o n e ) 以 及一f l , 电数据处理服务器端，其中移动端与接入端之间采用无线数据传输是远程医 疗系统很重要的功能之一】。 ，t l , 电信号是一种比较重要的人体生理信号，因此国内外关于心电监护系统的 研究比较多。以往的心电监护系统主要有两种：一种是固定使用的心电监护系统； 另一种是2 4 小时记录病人心理数据的h o l t e r 。前者只能用在医院病房中，要在家 东北大学硕士学位论支第一章绪论 庭等医院外环境中使用，则必须通过网络；后者可以由使用者携带，但不能及时 诊断；如果在使用中病人出现了异常情况，就不能得到医生的及时处理。因此需 要一种使用者在活动不受限制的同时，还可以和医生进行实时交互的心电监护系 统。在解决这一问题的过程中，国内外都经历了一个从有线至无线的过程。目前， 国内外这方面的主要研究有【1 8 】： ( 1 ) 美国h e a l t h f r o n t i e r 公司的e c g h o m e 监护仪； ( 2 ) 美国佐治亚技术学院b a b a kf i r o o z b a k h s h 等人的g t w m 开发项目； ( 3 ) 澳大利亚m i c r o m e d i c a l 公司的p o c k e te c g 监护仪； ( 4 ) 英国k i n g sc o l l e g eo f l o n d o n 等机构和欧盟的i s t 合作的 h o m e 项目； ( 5 ) 德国v i t a p h o n e 公司开发的一种嵌入心电监护仪的手机； ( 6 ) 澳大利弧昆士兰大学w i l l i a mb r i m s 等进行的无线e c g 的研究项目； ( 7 ) 美国新墨西哥大学s c i e n c e & t e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n 的s a v i n gl i v e s t h r o u g uw i r e l e s s 研究项目； ( 8 ) 美国马罩兰州立大学进行的由美国立医学图书馆资助的m o b i l e t e l e m e d i c i n et e s t b e d 项目1 2 5 ； ( 9 ) 丹麦a a l b o r g 大学健康科技系的远程医疗实验室的相关研究： ( 1 0 ) 新加坡南洋理工大学的急救车项目中的心电传输方案； ( 1 1 ) 郭劲松，邓亲恺的基于扩频通信技术实现的生理参数传输系统开发项目； ( 1 2 ) 陈亚光，陈军波的多生命指征的采集和无线传输系统开发项目； ( 1 3 ) 哈尔滨工程大学的用手机传输数字信息的动态心电监护系统开发项目； ( 1 4 ) 深圳倚天科技公司的无线心电监护仪开发项目等。 以上是国内外一些正在进行的研究。其中l 可采用的通信媒介为有线电话网 和移动通信网；2 、3 、4 、5 、7 、8 、1 0 、1 3 、1 4 都采用移动通信网：6 和1 2 采用 n r f 4 0 1 芯片来实现有限距离的传输【l9 】；9 有两种方案：在家庭内部采用蓝牙加有 线，医生出诊使用手机加笔记本方案。不难看出移动通信网已经成为无线心电监 护系统的主要承载网络。国外的进展较快，部分项目已经产品化，其中3 已经通 过美国f d a 的认证【2 0 1 。2 必须通过笔记本电脑加无线调制解调器才能将数据发送 出去。3 则是将心电信号采集电路与p o c k e t p c 相连，p o c k e t p c 负责计算心电波形 的各种参数，并在显示屏上回显，并且可以发送出去，但存储容量要受到p o c k e tp c 设备的限制。而且采用p o c k e tp c 上的软件来对心电数据进行处理，效率要差一些 2 h 。4 则是针对社区医疗而设计的用于家庭的监护仪，不适于便携式使用。5 是在 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 手机中嵌入一个e c g 采集设备，其电极就在手机的背面，使用时须将手机放在使 用者胸部，但这会带来一定不便，而且手机说明书中强调手机要和心脏保持一定 距离，特别是对于植入起搏器的用户。7 是关于通过g s m 网络实现应用于急救车 上数据传输的项目1 2 2 o8 是进行在急救车上通过蜂窝电话传输病人重要生命参数和 视频可行性研究。1 0 是应用于急救车，也非针对便携式使用，并且采用监护仪对 心电数据进行压缩。1 1 则采用自行设计的高频电路进行数据传输，传输距离有限。 1 2 在争取研发资金，1 3 目前还处于研发阶段。 由此可见，基于无线的心电远程监护仪已在国内广泛开展。由于2 5 g 的移动 通信技术投入商业运营时间并不长，尽管取得一些成果；但还有待完善，才能实 现真丁f 意义上的交互式实时远程心电监护系统1 2 3 1 。目前，心电监护仪是医院c c u 、 i c u 病房的必备设备，在疾病的抢救期和康复前期都会使用。然而，由于床位有 限，监护仪价格昂贵等条件限制，难以同时完成众多心脏患者的观测与监护，因 此发展面向个人的远程心电监护仪已成为迫切需要。 同时随身携带的便携式心电监护仪在我国并未能够很好的普及，究其原因， 有以下几个方面： ( 1 1 记录的心电信息非常有限，医生从中难以得到患者全面的心电信息，从而 降低了医生对疾病诊断的正确率： ( 2 ) 费用较为昂贵，动辄几千乃至上万元，一般的患者难以承受： ( 3 ) 实时性、体积、功耗等都不尽如人意，给患者在使用过程中造成诸多不便。 因此，更加有效实用的远程无线心电监护系统的研制有重大深远的意义。 1 3 三导联便携式监护系统的功能概述 由于无线心电监护系统是一个将信息技术0 t ) 应用于医疗行业的跨行业应用 系统。如图1 1 所示，本系统是由心电监护仪、心电监护中心服务器和医生工作站 三个部分组成。整个系统采用了客户端服务器的体系结构来设计实现。 监护仪通过g p r s 无线接入i n t e r n e t 和心电监护中心进行数据通信。由于 g p r s 具有网络覆盖范围广，无空间距离的限制，用户永远在线，数据传输具有实 时性等优点，所以十分适合远程心电监护系统使用1 2 4 】。同时监护仪采用当前低 功耗，大容量存储技术，能够记录病人一天2 4 小时的心电数据。这些数据可以通过 高速u s b 总线直接传输到医院的监护中心服务器，为医生更好把握病人的病情提 供重要的信息。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图i 1 心电监护系统总体方案图 f i g ，1 1s y s t e ms e h e m eo f e c gm o n i t o r i n gs y s t e m 1 4 本课题主要工作 稿人 基于远程无线心电监护系统的需求分析和解决分析，本课题分心电监护仪的 硬件设计，心电监护仪的软件设计以及医院心电监护中心软件设计三方面的工作： ( 1 ) 心电监护仪的硬件设计，主要包括前端采集系统设计，存储系统设计，无 线通讯模块m c 3 5 接口电路设计，u s b 接口电路设计，人机接口电路设计以及电 源、复位、晶振、r t c 电路的设计。 ( 2 ) 心电监护仪的软件设计，主要包括g c o s - i i 的移植，y a f f s 文件系统的 移植，t c w i p 协议栈的移植，p p p 协议的移植，u s b 固件代码的设计以及心电数 据的压缩解压缩设计。 ( 3 ) 医院心电监护中心的软件设计，主要包括心电数据库的设计，网络通信功 能的实现，u s b 数据接收功能的实现，心电图的显示界面以及其它功能界面的设 计。 5 一 东北大学硕士学位论文第二章心电监护仪的硬件系统设计 第二章心电监护仪的硬件设计 2 1 心电监护仪的硬件设计需求及解决方案 2 1 1 心电监护仪的功能需求 作为远程便携式心电监护仪的功能需求主要有： ( 1 ) 能够实时、正确地记录病人一天2 4 小时的心电图信息，即需要有较大容 量的存储系统。 f 2 ) 能够在病人自身感觉不适时，或在心电仪对所采集的心电数据进行初步的 分析，理论上可判定为异常的心电数据时，向医院的监护中心发出报警信号。并 雒够将该时刻的前2 0 秒以及后2 0 秒的心电数据通过无线通信及时传输到医院的 监护中心 3 5 】，做为医生的紧急诊断参考。 ( 3 ) 心电监护仪的体积要尽量小，便于病人携带。 ( 4 ) t l , 电监护仪应该能够满足低功耗的要求，同时应有较好的电源管理系统， 以满足病人可能的长时问在户外活动的需求。 ( 5 1 一t h , 电监护仪的操作应该尽量简便，以方便老年人或病人在感觉身体不适的 特殊情况下使用。 2 1 1 心电监护仪的解决方案 针对以上远程便携式心电监护仪的基本功能需求，参照当前国内外已有的心 电图仪的设计方案；并结合笔者所在的实验室对嵌入式技术，特别是a r m 技术及 其系统设计的研究积累，设计了如下的心电畸护系统解决方案： ( 1 ) 主处理器的选择： 在嵌入式系统中，主处理器的选择往往决定一个系统的整体性能。所以必须 从其适用范围、处理速度、片内外围功能模块、功耗、价格等多方而进行考虑。 本系统主处理器采用的是s a m s u n g 的$ 3 c 2 4 1 0 u ，s 3 c 2 4 1 0 是s a m s u n g 推出 的一款低功耗、高性能、专为手持设备和一般通用设备使用的徽处理器。其主要 特点： 1 ) $ 3 c 2 4 1 0 在处理资源上，其a r m 核为a r m 9 2 0 t 1 2 “，指令集为r i s c 精简 指令集，主频可达到2 0 3 m h z ，最高处理速度可达到1 1 m i p s m h z ，可为心电监护 系统的心电图数据采集、分析、存储、显示及传输提供比较充分的c p u 处理资源。 系统的心电图数据采集、分析、存储、显示及传输提供比较充分的c p u 处理资源。 一7 东北大学硕士学位论文第二章心电监护仪的硬件系统设计 第二章心电监护仪的硬件设计 2 1 心电监护仪的硬件设计需求及解决方案 2 1 1 心电监护仪的功能需求 作为远程便携式心电监护仪的功能需求主要有： ( 1 ) 能够实时、正确地记录病人一天2 4 小时的心电图信息，即需要有较大容 量的存储系统。 ( 2 ) 能够在病人自身感觉不适时，或在心电仪对所采集的心电数据进行初步的 分析，理论上可判定为异常的心电数据时，向医院的监护中心发出报警信号。并 能够将该时刻的前2 0 秒以及后2 0 秒的心电数据通过无线通信及时传输到医院的 监护中一b t 3 s 】，做为医生的紧急诊断参考。 ( 3 ) 心电监护仪的体积要尽量小，便于病人携带。 ( 4 ) 心电监护仪应该能够满足低功耗的要求，同时应有较好的电源管理系统， 以满足病人可能的长时间在户外活动的需求。 ( 5 ) 心电监护仪的操作应该尽量简便，以方便老年人或病人在感觉身体不适的 特殊情况下使用。 2 1 1 心电监护仪的解决方案 针对以上远程便携式心电监护仪的基本功能需求，参照当前国内外已有的心 电图仪的设计方案；并结合笔者所在的实验室对嵌入式技术，特别是a r m 技术及 其系统设计的研究积累，设计了如下的心电监护系统解决方案： ( 1 ) 主处理器的选择： 在嵌入式系统中，主处理器的选择往往决定一个系统的整体性能。所以必须 从其适用范围、处理速度、片内外围功能模块、功耗、价格等多方面进行考虑。 本系统主处理器采用的是s a m s u n g 的$ 3 c 2 4 1 0 1 2 ”，$ 3 c 2 4 1 0 是s a m s u n g 推出 的一款低功耗、高性能、专为手持设备和一般通用设备使用的微处理器。其主要 特点： l 、s 3 c 2 4 1 0 在处理资源上，其a r m 核为a r m 9 2 0 t 【2 “，指令集为r i s c 精简 指令集，主频可达到2 0 3 m h z ，最高处理速度可达到1 1 m i p s m h z ，可为心电监护 系统的心电图数据采集、分析、存储、显示及传输提供比较充分的c p u 处理资源。 7 东北大学硕士学位论文 第二章心电监护仪的硬件系统设计 2 ) $ 3 c 2 4 1 0 具有丰富的片内外围模块，包括u s bd e v i c e 、u s bh o s t 、s p i 、i i c 、 3 路u a r t 、8 路l o 位a d 模块、触屏及t f t l c d 接口等，为本系统的提供了必 要功能模块支持p 1 。 ( 2 ) 前端采集电路设计： 在前端采集电路的设计上，本系统选用国家半导体公司的l m 3 2 4 芯片作为主 放大器核心芯片。l m 3 2 4 是四运放集成电路，具有电源电压范围宽、静态功耗小、 可单电源使用、价格低廉等优点，满足心电放大器的设计需求【3 8 1 。 ( 3 ) 存储器系统的设计： $ 3 c 2 4 1 0 为3 2 位处理器，对外扩内存的管理分为8 个b a n k 实现。每个b a n k 可挂接1 2 8 m 的内存。本系统在b a n k 6 上外挂1 6 m b y t e s 的s d r a m ，在b a n k 5 外挂6 4 m b y t e s 的n a n df l a s h ( s a m s u n g 的k 9 f 1 2 0 8 ) 2 9 y 用于存储和缓冲心 电数据。另外在b a n k 0 上外挂8 m b y t e s 的n o r f l a s h ( s t r a t a 系列闪速存储器 2 8 f 6 4 0 ) 用于存储代码【3 0 i 。 ( 4 ) 通信系统的设计： 利用$ 3 c 2 4 1 0 本身自带的u s bd e v i c e 模块可将心电监护仪2 4 小时所采集的 心电数据快速传输到医院的监护中心【3 ”。同时利用$ 3 c 2 4 1 0 的u a r t i 外挂无线 上网模块m c 3 5 3 2 】，将紧急情况下的相对少量心电数据通过i n t e r n e t 传输到医 院的监护中心。 ( 5 ) 人机接口的设计： 为了能够让监护仪实时显示所采集的心电图数据，本系统通过i i c 外挂了 深圳蓬远公司生产低功耗1 2 8 6 4 点阵液晶m o b l 2 0 0 6 3 钔，并通过g p i o 设计了方 便病人操作的按钮。 ( 6 ) 电源系统： 为了实现病人在户外活动时也能够通过监护仪对病人进行监护，本系统采用 单节1 7 0 0 m a h 的锂离子充电电池为系统供电。 综上所述，本心电监护仪的硬件系统框图如图2 1 所示。在本章之后的章节将 具体介绍本系统各个模块的硬件设计。 查! ! 垄堂堡主芏堡垒圭 笠三童兰型垡量芏垡生坐望兰墨垫塑l 图2 i 监护仪硬件系统总体结构图 f i g 2 1 t h em a i na r c h i t e c t u r eo f e c gd e v i c e 2 2 $ 3 c 2 4 1 0 简介 本系统所采用的$ 3 c 2 4 1 0 芯片是基于a r m 9 2 0 t 内核，采用五级流水线和哈 佛结构，提供1 1 m i p s m h z 的性能，是高性能和低功耗的硬宏单元。a r m 9 2 0 t 具 有全性能的m m u 3 6 】、指令和数据c a c h e 以及高速a m b a 【3 7 】总线接口。内核结构 如图2 2 所示。 j b a r m 9 2 0 t i p a 3 1 ：o 】 l 指令存储卜一 i 竺兰兰歪卜 i v 2 a 3 1 ：0 】一丽 指令缓存 ( 1 6 k b ) 1 ：0 1 外部协 处理器接口 a 黼r m 9 t d m i i c e ) 暖 处理器芯核 i lr 一上 ( 内部嵌入4l ! ：! 二三 面丽屯日广斗罢 匪匠ii 篙 i 管理单元r 1 石i 面一o 】l 、二 写缓冲 a m b a 总线i f 鎏签”bpa31：0pa 标签 r a m 图2 2a r m 9 2 0 t 内核结构 f i g 2 2t h ei n t e r n a lc o n s t r u c t u r eo f a r m 9 2 0 t 作为$ 3 c 2 4 1 0 芯片的c p u 芯核，1 6 3 2 位a r m 9 2 0 t 砒s c 微处理器核采用 o 1 8 微米c m o s 标准单元结构，具有独立的1 6 k b 指令缓存和1 6 k b 数据缓存。 9 东北大学硕士学位论文第二章心电监护仪的硬件系统设计 $ 3 c 2 4 1 0 内部结构较复杂，提供了丰富的内部外围功能模块有： ( 1 ) 采用a r m 9 2 0 t 内核( 1 6 3 2 b i tr i s cc p u ) ) f 2 ) 独立的1 6 1 0 3 指令和1 6 k b 数据缓存； ( 3 ) m m u 虚拟内存管理单元： ( 4 ) l c d 控制器( 支持s t n 和t f t ) ； ( 5 ) n a n df l a s hb o o tl o a d e r ； ( 6 ) 内存管理单元( 支持外扩s d r a m ) i ( 7 ) 3 通道u a r t ； ( 8 ) 4 通道d m a 管理单元； ( 4 个具备p w m 功能的定时器； ( 1 1 ) 一个r t c ( 实时时钟) 功能模块； ( 1 2 ) 8 通道1 0 b i t 精度a d c 和触摸屏控制器： ( 1 3 1 一个i i c 总线控制器： r 1 4 ) 一个i i s 数字音频控制器； ( 1 5 ) 一个u s b 主机控制器( u s b l 1 协议) ； ( 1 6 ) 两个u s b 设备控制器( u s b l 1 协议) ； f 1 7 1s d m m c 卡控制器： ( 1 8 、2 通道s p i 控制器 ( 1 9 ) p l l 数字锁相环模块。 $ 3 c 2 4 1 0 提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使得整个系统消 耗最小。正是因为它具有很多常用的功能模块，所以也免去了添加配置附加外围 接口的麻烦，有效地缩小了线路板的面积。 2 3 前端心电信号采集系统设计 生物机体内蕴藏着大量的生物电信息，它包括心电、脑电、肌电、胃电等。 其中心电信息是最重要的生物电信息之一，心电信息一般认为它是一种有规律性、 周期性的电生理信号。心电信号可以从心脏发出传到机体体表，在体表的不同部 位产生电位差【4 0 1 。我们可以在体表用电极将这种微弱的心电信号通过心电放大器 及其一系列的生物医学信号的处理，描记和打印出各种心电信息的数据、曲线和 图形。 2 3 1 心电信号特性 】0 东北大学硕士学位论文第二章心电监护仪的硬件系统设计 由于人体心脏不断地进行着有节奏的收缩和舒张活动，心脏在机械收缩之前， 心肌首先产生电激动，心肌激动所产生的微小电流经过身体组织传导到体表，使 体表不同部位产生不同的电位。这样，身体各部位在每一心动周期中也都发生有 规律的电变化活动【4 ”。在体表放置两个电极并分别用导线联接到心电图机的两端， 它就会按照心脏激动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成一条连 续的曲线，这就是心电图h 射。 正常心电图上每个心动周期中出现的波形曲线改变是有规律的，国际上规定 这些波形分别称为p 波、q p s 波、t 波，有时在t 波后还出现一个小的u 波。 心电图由一系列波群组成，一个模式心电图组成包括下述各波，如图2 3 所示： r 蛀 0 谴s 跬 图2 3 心电信号波形 f i g 2 3w a v eo f e l e c t r o c a r d i o g r a m p 波：反映左右两个心房的电激动过程。心脏的激动发源于窦房结，最先传导 至心房，使之发生激动。所以在一组波形中首先出现的便是p 波。 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：反映左右两心室的电激动过程。典型的q r s 波群包括三个紧密相 连的波，第一个向下的波称为q 波( 电压低的称q 波) ，第一个向上的波称为r 波 ( 电压低的称r 波) ，继r ( 或r ) 波以后向下的称为s 波( 电压低的称s 波) 。这三 个波紧紧相连，总共时间不超过o 1 0 秒，而且都是反映心室激动的波形，所以合 并称之为q r s 波群。常见的q r s 波群在不同的导联上可能呈q r s 、q r 、q r 、r s 、 r s 、r s 、q s 等型。有时可能遇见两个以上的波。则第一个向上的波称为r ( 或r 波) ，第二个向上的波称为r l ( 或r ) 波，依次类推。 s t 段：是心室激动产生q r s 波群以后至心室复原，再度在体表面产生明显 东北大学硕士学位论文 第二章m 电监护仪的硬件系统设计 的电位差( t 波) 以前的段平线。 t 波：是继s t 段后一个比较低而且占时间较长的波，它代表心室肌激动后复 原时所产生的电位影响。 u 波：在t 波后面有时可以看到一个很小的波动，它代表心肌激动的“激后电 位”。 心电信号是一种生理电信号，它的频谱范围为0 0 5 2 5 0 h z ，并且大部分信号 集中在1 4 7 5 h z ，1 0 0 h z 以上的信号在总体信号中所占比例很小。幅值为1 0 u v ( 胎 儿) 5 m y ( 成人) 。因此，它是低频弱信号，并不可避免地伴随有噪声。 通常，正常的心电信号在0 1 h z - t 0 0 h z 频带范围内，而9 0 的e c g 频谱能量 又集中在o 2 5 h z 3 5 h z 之间。影响e c g 信号检测的因素主要有波形变异相干扰， 其中以干扰对动态e c g 检测影响较大。干扰包括肌电噪声、基线漂移、运动伪迹 和5 0 h z 工频干扰等。干扰频带的重叠给正确检测带来困难。在e c g 信号中，s t 段为从q r s 波群末到t 波始的线段，此时心室全部处于除极状态，无电位差存在。 正常对与基线齐平，若s t 段偏离等电位线一定范围，则表示心肌损伤或缺血等病 变的发生。由于s t 段的频带在o 7 2 0 h z 左右与基线漂移( o 0 5 1 5 h z ) 有部分重叠， 因此基线漂移将对s t 段的j 下确检测产生根大的影响，用滤波的方法消除基线漂移 时，要求滤波器具有陡直的幅颠持性和线性相频持性，以减少心电信号的幅值和 相位失真，避免s t 段等低频部分产生明显变形带来检测失真。 综上，心电信号有如下特点： f 1 1 微弱性：从人体体表拾取的心电信号很微弱，一般只有0 - 5 m v 。在测量中， 对于如此微弱的信号，很难进行直接观察或记录，岿须通过放大器适当的放大后， 进行记录和显示处理。 ( 2 ) 稳定性：人体心电信号处于动态变化之中，由于人体是一个与外界有密切 关系的开放系统，加之内部存在着器官间的相互影响。所以，无论来自外部或内 部的刺激，都会使人体因适应这一变化，并从一种状态变化到另一种状态。从而 使人体信号发生相应的变化。因此，在对心电信号进行测量、分析和处理时，应 该注意到它是随时间变化的信号，应按其频谱特性，选择适当的放大系数和显示 记录装霞。 r 3 1 低频特性：人体心电信号的频谱范围为o 0 5 h z 1 0 0 h z ，主要频谱分量集中 在0 5 2 0 h z 。其频率比较低。 f 4 1 随机性：人体心电信号是反映人体机能的信号，它是整个人体系统信息的 1 2 东北大学硕士学位论文第二章心电监护仪的硬件系统设计 一部分。由于人体的不均匀性以及可接受多通道输入，信息易随外界干扰而变化， 从而使心电信号表现出随机性。不过，如果对心脏自发放电的时间空问构型进行 统计分析，就可以发现放电的内在规律。因此，这种随机现象服从统计规律，在 心电信号的测量中，既要注意到它的随机性，又不可忽视其内在的规律性。 2 3 2 心电信号的噪声干扰 从某种意义上来说，干扰的分析与抑制往往是发展上述有关学科的关键问题 之一，也往往成为构成相应工程系统的核心环节。在采集心电信号时，由于受仪 器、人体等方面的影响，对于心电信号的检测和处理来说，经常需要考虑的噪声 有； ( 1 ) 电极接触噪声 生物电引导电极是经过一定处理的金属板、金属丝或金属网。用电极引导生 物电信号时，与电极直接接触的是电解质溶液，如导电膏、人体汗液或组织液， 因而会形成一个金属电解质溶液界面。由电化学的知识可知，在金属和电解液之 间会形成电荷分布，产生一定的电位差，称为电极极化电压。极化电压的幅值一 般较高，在几毫伏至几百毫伏之问【4 3 1 。 理想情况下，在用双电极提取人体两点间的电位差时，两电极保持对称就可 以使极化电压互相抵消。但实际上，由于极化电压与通过电极的电流大小、电极 和皮肤的接触情况等很多因素有关，所以不可避免会造成干扰。特别是当电极和 皮肤接触不良时，会造成很严重的干扰。另一种情况是人的运动造成电极与皮肤 接触阻抗变化而引起的瞬时的( 但非阶跃) 基线改变。电极接触是由测量电极的 接触不良引起的一种干扰，由于人体的微动与接触不良往往会导致间隙性的与测 量系统的接通与断开，突然接通往往会引起很大的伪迹( a r t i f a c t s ) 突然断开，往往 会导致工频干扰的增强。 电极接触噪声电极接触噪声可抽象为快速、随机变化的阶跃信号，往往用信 号基线的跳跃极相应的指数型衰减回复至基线的波形，并叠加以工频干扰描述之 2 ”。频带比较宽，这种瞬态过渡过程可以发生一次或多次，其特征值包括初始瞬 态的幅值。衰减时间常数对于所有采用接触式电极测量的心电医学信号来说，电 极噪声是另一种必须考虑的噪声来源。幅值为采集器的最大输出，衰减的时间常 数为大约1 秒。 ( 2 ) 运动伪迹 运动伪迹( m o t i o na r t i f a c t ) 是指电极与人体接触电阻由于人体轻微运动引起的 13 东北大学硕士学位论文第二章。电监护仪的硬件系统设计 一种干扰，它虽然也是由于电极与人体的接触问题而引起的。但它仅仅是接触电 阻的变化而引起的一种干扰，这种干扰同样导致信号基线的变化，但不是基线的 跃变，如图2 4 所示，运动伪迹亦是所有采用接触式电极测量的生物医学信号检测 与处理要考虑的一种来源。 i i1 i 亿；1 i _ l 。弛i - 1劓k l 1_h 。i l ir 啊k， _j i 7 ni 一、 f i 图2 4 运动伪迹 f i g 2 4w a v eo f e l e c t r o c a r d i o g r a m ( 3 ) 基线漂移 基线漂移是由电极移动、人体呼吸等低频干扰所引起，频率小于5 h z 。这种幅 值的变化可视为一个加在心电信号上的与呼吸同频率的正弦分量。呼吸时e c g 的 幅值有1 5 的变化。对于心电信号检测与处理来讲，这是必须考虑的一种干扰， 这种干扰源于被测对象的呼吸，基线漂移和呼吸时e c g 幅值的变化一般是由呼吸 时电极和人体皮肤间的阻抗，仪器放大器的热噪声等干扰所引起的，其频率小于 5 h z 。这种幅值的变化可视为一个加在心电信号上的与呼吸同频率的正弦分量。呼 吸时e c g 的幅值有1 5 的变化，这类基线漂移干扰的频率约为o 1 5 h z 至0 3 h z 。 ( 4 ) 肌电干扰 电干扰( e l e c t r o m y o g r a p h i c ，e m g ) 是由于人体活动、肌肉紧张而引起的干扰。 它的频率范围广。肌电干扰来自于人体的肌肉颤抖、肌电干扰产生毫伏级电势。 e m g 基线通常在很小电压范围，所以一般不明显。肌电干扰可视为瞬时发生的高 斯零均值带限噪声。其干扰可有方差和持续时间来估计。典型参数：标准方差为 e c g 峰峰值的1 0 ，持续时间为5 0 毫秒，频率成分为直流小于1 0 0 h z 。 ( 5 1 工频干扰 工频干扰是由电力系统和人体的分布电容引起的一种干扰，它是由5 0 h z 及其 谐波构成的一种干扰，从以上各种心电信号的频带来看，工频干扰是心电信号检 测与处理过程中必需考虑的一种干扰，是固定频率干扰。幅值为e c g 峰峰值的 1 4 东北大学硕士学位论文第二章心电监护仪的硬件系统设计 5 0 。 2 3 3 心电信号的采集电路设计 针对心电信号的特性，本系统设计了