（电路与系统专业论文）基于GSM网络的医疗急救系统的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 m e s ( m e d i c a le m e r g e n c ys y s t e m 医疗急救系统) 在意外事故发生越来越频繁的 现代社会中的重要性越来越被人们关注。我国传统的m e s 采用的是种按部就班的 工作模式，效率不高。随着计算机和移动通信技术的发展，g i s 、g p s 、g p r s 以及 i n t e m e t 技术应用到急救系统中来，大大提高了急救的效率，但是所有这些技术都是 致力于提高救护车的调度速度以及实现送诊医院就近选择的原则。 本论文提出了基于g s m 网络的m e s 设计方案，利用现有比较成熟的移动通信 技术改变急救系统按部就班的工作模式。在急救终端如救护车接回病人的时候，随 行医护人员利用随车设备，测量病人的基本生理及电生理信息t 如心电、血压、心 率、体温等，并将该信息实时地传送到救护医院，使救护医生提前了解病人的病情， 并做好相应的急救准备工作。在该方案中，救护车接病人回医院与医生对病人的初 步诊断并行进行，大大提高了急救效率，对于我国m e s 的发展有着极其重要的意义。 系统的实现主要分成两个部分：急救终端和医院监护中心。其中，急救终端由 数据采集部分，终端p c 机以及用于传输数据的终端g s mm o d e m 三个部分组成；医 院监护中心由中心p c 机和用于接收数据的g s mm o d e m 两个部分组成。使用 d e l p l l i 6 0 开发基于c s 编程模式的系统软件，该软件分为客户端( 即急救终端) 软 件与服务器端( 即医院监控中心) 软件两个部分。 本论文共分为七章。第一章简单的介绍了m e s 的重要意义以及国内外的发展现 状，提出了传统的医疗急救系统存在的问题，说明本课题研究的重要意义。第二章 系统的介绍了本系统的整体构架，简要的说明了本系统涉及到的关键技术。第三章 到第六章针对第二章介绍的整体框架分别进行展开说明。第三章具体介绍了系统的 硬件设计，包括基于u s b 的心电信号的采集系统和基于g s m 网络的数据传输系统 的设计和实现。第四章详细的介绍了几种速度较快、效果较好的数字滤波器的原理 和幅频特性，并比较了它们用于实际的心电信号的优缺点：同时还讨论了专门针对 心电信号的几种压缩算法如a z t e c 算法、t p 算法、c o r t e s 算法等的原理和实现： 华中科技大学硕士学位论文 最后根据实际的需要选择了适当的滤波算法和压缩算法。第五章介绍了终端软件的 设计与实现。第六章阐述了病人档案管理系统的设计以及针对心电信号的一些简单 的分析。第七章对系统的设计进行了总结，并提出了若干改进意见。 关键词：m e s u s b数据采集g s m电路交换 心电压缩数字滤波 i i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa c c i d e n t sh a p p e nm o r ea n dm o r ef r e q u e n c yi np r e s e n t - d a ys o c i e t y , m o r e a n dm o r e a t t e n t i o ni sg i v e no nt h ei m p o r t a n c eo f m e d i c a le m e r g e n c y s y s t e m t h es t e p - b y - s t e pw o r k m o d eo fc o n v e n t i o n a lm e d i c a le m e r g e n c ys y s t e mi sk e p ti no u rc o u n t r y , w h i c h r e s u l t so f t h ef i r s t a i d e f f i c i e n c y i sn o th i g h w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , g i s 、g p s 、g p r sa n di n t e r n e tt e c h n o l o g ya r ea p p l i e di n m e d i c a le m e r g e n c ys y s t e m ，t h ee f f i c i e n c y a p p l yt h e m s e l v e s t o i m p r o v ed i s p a t c h i n g h o s p e a l i si m p r o v e dg r e a t l y b u ta l lt h e s et e c h n o l o g i e s s p e e do fa m b u l a n c e s a n ds e l e c tt h eh a n d y t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r dad e s i g ns c h e m eo fm e d i c a le m e r g e n c ys y s t e mb a s e do n g s mn e t w o r k ，w h i c hc a nc h a n g et h es t e p b y - s t e pw o r km o d eo fm e d i c a le m e r g e n c y s y s t e mb yu t i l i z i n ge x i s t i n gm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt h a th a sb e e nd e v e l o p e d r e l a t i v e l ym a t u r e l y i nt h ec o u r s eo fe m e r g e n c yt e r m i n a l ，f o re x a m p l ea m b u l a n c e ，t a k e s p a f i e n t st o t h eh o s p i t a l ，a m b u l a n c e m e ne x a m i n et h ep a t i e n t se s s e n t i a lp h y s i o l o g i c a la n d e l e c t r o p h y s i o l o g i c a li n f o r m a t i o n ，s u c h a s e c g 、b l o o dp r e s s u r e 、h r ( h e a r tr a t e ) 、 t e m p e r a t u r e ，b yd e v i c e s o nt h ea m b u l a n c e ，a n dt h e s es i g n a l sa r es e n tt ot h eh o s p i t a l i m m e d i a t e l y , s ot h a td o c t o r si nh o s p i t a lc a ng e tt h es t a t eo fp a t i e n t si l l n e s sa n dd os o m e p r e p a r a t i o nf o rf i s t a i d t h ee f f i c i e n c yo fe m e r g e n c y i si m p r o v e dg r e a t l yr e s u l tf r o mb o t h t h ea m b u l a n c et a k i n gp a t i e n t st ot h eh o s p i t a la n dd o c t o r sp r e l i m i n a r yd i a g n o s i n gp a t i e n t s a r ep a r a l l e lc a r r i e do u t ，w h i c hh a v eg r e a ts i g n i f i c a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fm e d i c a l e m e r g e n c y o fo u rc o u n t r y t h er e a l i z a t i o no fs y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t s ：e m e r g e n c yt e r m i n a la n dm o n i t o r i n g c e n t e ri nh o s p i t a l t h e r e i n ，t h ee m e r g e n c yt e r m i n a lc o n s i s t so f t h r e e p a r t s ：d a t aa c q u i s i t i o n c o m p o n e n t ，t e r m i n a lc o m p u t e ra n dt e r m i n a lg s mm o d e m f o rd a t at r a n s f e r m o m t o r i n g c e n t e ri n h o s p i t a l c o n s i s t so ft w op a r t s ：h o s t c o m p u t e ra n d h o s tg s mm o d e mf o r a c c e p t i n gd a t a iu s e dd e l p h i6 0 t o e x p l o i tt h es o f t w a r ew h i c hi sp r o g r a m m e da sc s m o d ea n dc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：c l i e n t ( i t st os a ye m e r g e n c yt e r m i n a l ) s o f t w a r e a n ds e r v e r ( i t st os a y s u p e r v i s o r yc e n t e r ) s o f t w a r e t h et h e s i si s o r g a n i z e da sf o l l o w e ds e v e nc h a p t e r s ：i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h em o s t s i g n i f i c a n c eo fm e d i c a le m e r g e n c ys y s t e ma n di t sd e v e l o p m e n ta n de x i s t e n ts t a t u si n 华中科技大学硕士学位论文 d o m a i na n do na b o a r da r ei n t r o d u c e db r i e f l y , t h ed e f e c t so fc o n v e n t i o n a lm e d i c a l e m e r g e n c ys y s t e ma r eb r o u g h to u ta n d t h e nt h es i g n i f i c a n c eo ft h i sp r o j e c ti sd r a w no u t t h ew h o l e 咖c h l r eo f t h i ss y s t e mi si n t r o d u t e di nt h es e c o n dc h a p t e r t h e k e yt e c h n o l o g y i n v o l v e di nt h i s s y s t e mi s a l s os t a t e d b r i e f l yi n t h i sc h a p t e r t h ee x p a t i a t i o no fe a c h s e 郾n e n ti se x p l a i n e d i nt h ef o l l o w i n gf o u rc h a p t e r s t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e sh a r d w a r e d e s i g no f t h es y s t e mi n c l u d i n gt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ee c g s i g n a la c q u i s i t i o n s y s t e mb a s e do nu s b a n dd a t at r a n s f e rs y s t e mb a s e do ng s mn e t w o r k t h e p r i n c i p l ea n d m a g n i t u d er e s p o n s eo f s e v e r a lk i n d so f r a p i da n de f f i c i e n td i g i t a lf i l t e ra l es t a t e di nt h e f o l l o w i n gc h a p t e r t h e i ra d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g et ot h er e a le c gs i g n a la r es t u d i e d t o o t h e nt h e o r ya n dr e a l i z a t i o no faf e wk i n d so f c o m p r e s s i o na r i t h m e t i ce s p e c i a l l yf o r e c g s i g n a l ，s u c ha sa z t e c ，t p ，c o r t e s ，a r ed i s c u s s e dt o o t h ef i f t hc h a p t e ri n t r o d u c e s d e s i g n a n dp r o g r a m m i n go ft h et e r m i n a ls o f t w a r e t h ef o l l o w e d c h a p t e r s i xs t a t e s p r o g r a m m i n go fs o r w a r et h a tm a n a g e sp a t i e n tr e c o r d s s o m es i m p l ya n a l y s i sf o re c g s i g n a l i sa l s os t u d i e di nt h i s c h a p t e r n 地d e s i g no fs y s t e m i sc o n c l u d e da n ds o m e i m p r o v e m e n ts u g g e s t i o ni sb r o u g h tf o r w a r di nt h el a s tc h a p t e r k e y w o r d s ：m e su s b d a t a a c q u i s i t i o n g s mc s d e c g c o m p r e s s i o nd i g i t a lf i l t e r i v 独创性声明 本人卢明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 怍及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名孺妨 日期：御年月彩目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密日。 ( 请在以上方框内打“”) 雠：z i 。嘻多 日期：觯月掳日 磅 沤扩 名 月 签 弘 者 f 一 蜥 位 期 学 日 华中科技大学硕士学位论文 1 概述 1 1 医疗急救系统的重要意义 医疗急救系统是一个在出现突发紧急情况或重大灾害时能迅速有效地提供急救 人员、设备、医院和医疗服务的组织完善的结构系统。 随着城市的日益扩大，人口和车辆数的激增，城市事故的发生越来越频繁。这 些不可预料的灾难性事故一旦发生，就极有可能危害到人民群众的生命安全。一个 高效的、结构完善的医疗急救系统可以从很大程度上减小事故对人们身体健康的损 害【2 i 。虽然世界各国的医疗急救系统结构各不相同，但是它们的目的是一样的，那就 是拯救生命，减少事故对人体健康的损害。 医疗急救系统处理事故的时间直接关系到受害人的人体健康和生命安全，所以 提高医疗急救系统的效率是目前医疗系统研究的重要目标。 1 2 医疗急救系统的发展与现状 随着科学技术的发展以及社会的进步，国内外的医疗急救系统都得到了快速的 发展。 1 2 1 国内医疗急救系统的发展及现状 5 0 年代中期，我国大中城市开始建立急救站，这应该算是国内医疗急救系统的前 身了。那时候急救站的条件非常差，基本上没有任何医疗设施，医护人员只能对病人 做最简单的紧急处理f 3 j 。 6 0 年代初，我国开始引迸和自己改装急救车，这种急救车可以容纳1 2 名病人、 3 4 名医护人员。到7 0 年代，北京市约有7 0 0 辆急救车分散在各单位，利用率非 常低不到1 0 ，急救车到不了垂危病伤员身边是普遍现象。针对这种现象，1 9 7 8 年北京市公安局、卫生局联合发出了关于救护车的使用规定的通知，其主要内 容有p j ： ( 1 ) 救护车应在1 9 7 8 年2 月前到市急救站登记： ( 2 ) 必须有标志灯、救护旗，警报器： ( 3 ) 只能用于急救、转运伤病人，不得他用： - _ - _ - - - _ _ _ _ _ 一一 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 违者吊销执照，司机和单位负责人应受适当处分。 我国卫生部同时颁发了中华人民共和国救护车标准，责成西北医疗设备厂 负责组织生产、改装的工作，对车型、大小、方便、稳当等都作了具体规定，使我 国的救护车大大的向现代化迈进了一步。 8 0 年代，我国政府对医疗急救事业投入了极大的关注，这一时期医疗急救系统 得到了快速的发展p i 。 1 9 8 0 年1 0 月，卫生部颁发了“加强城市急救工作”的指示。1 9 8 2 年卫生部医 政司召集北京、武汉、天津、广州、哈尔滨等大城市的代表参加，建立了“城市医 疗工作咨询会”。提出了建立“城市的急救工作学术讨论会”，并修订了上述方案。 1 9 8 3 年卫生部颁发了“城市医院建立急诊科( 室) 的方案”。文中规定急诊科 ( 室) 的任务、方向、规章制度。同时为急救科( 室) ，配备了人员，仪器，有的 还设立了监护室。 1 9 8 5 年国务院学委评定委员会批准在北京协和医院设立“急诊医学研究生 院”。1 9 8 6 年在上海召开了第次急救医学学术讨论会。当年中华医学会正式成立 了“急救医学专科学会”。1 9 8 8 年9 月、1 9 9 0 年1 1 月相继在重庆和杭州市分别举 行第一、二次全国急救医学学术会。 目前，我国已基本形成了省、地、县三级城市院前急救服务系统，院前急救是 急救医学服务体系( e m s s ) 的首要环节，也是社会保障系统的重要组成部分【”；随 着移动通讯技术、计算机技术、遥测技术、全球卫星定位技术的不断发展和成熟， 医疗急救水平得到了全面提升。无线光纤通信及卫星数字传输、g p s ( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m 全球定位系统) 、g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 通用无限分 组技术) 、g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 全球地理信息系统) 、大型分布式网络 数据库、i n t e r n e t 及l m d s 无线接入技术等多领域的高新技术被应用到医疗急救系统， 使得新一代医疗急救系统变得更加高效、快捷，而且具有一定的智能化和可管理性l ”。 近年来，院前急救得到了长足的发展，逐步建立和完善了急救网络，人员、通 讯、车辆装备得到充实和改善，其功能从单纯运输型转变为医疗急救与快速转运为 一体的急救医疗型。但由于各地区的经济发展不平衡，各城市院前急救发展也不平 衡，与发达国家相比存在明显差距。 虽然我国医疗急救系统得到了快速的发展，但我国的急救专业底子薄，力量弱， 尚须向更高层次发展，才能赶上先进国家的水平。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 国外医疗急救系统的发屣及现状 固外医疗急救系统发展较国内要早一些，而且早期的发展更加系统化，因此发 展速度比国内快得多。美国于1 9 6 6 年颁布了公路安全法案并着重培训现场急救 技术队伍，取得了较好的效果p l 。 1 9 6 8 年麻省理工学院提议在医学院内建立“急疰医疗系”。1 9 7 0 年纽约市分散 在各医院的急救车进行了集中管理，司机也进行了严格训练，每辆车配备了训练有 素、能胜任急救的医务人员。成立了地区性急症医疗体系，全市有了中央通讯指挥 站，统一急救呼号，主要承担院外急救。 1 9 7 2 年，美国国会举行了建立急救医学体系的听证会，美国医学会正式承认急 诊医学是医学领域中的一门新学科。 1 9 7 3 年美国总统颁布了关于加强各州、各城市的急救医疗沾，建立了完整的急 诊医疗体系法案。 同年美国又颁布了急救医疗系统法，根据各类医院不同情况，将医院急救 分为三级：综合急救部负责地区中心的急救工作，大型急救部承担大规模的急救工 作和般急救部负责一般急救任务。 法国在1 7 8 1 年由拿破仑建立了巴黎消防会。1 7 8 4 年赋予该会在出现灾伤时，肩 负紧急院外急救任务。1 8 8 3 年巴黎当局又设立了两匹马拉的急救车“医院”，用于 急救病人与医院间搬运传染病人。 1 9 2 1 年莫斯科成立了原苏联第个急救站，到1 9 6 9 年苏联已有急救车1 3 万辆。 同本1 9 7 0 年规定急救车标准，每车必须能容纳3 名医护人员，5 名以上病人，还必 须备有4 7 种以上的仪器、药品。 德国急救车的标准，在当代名列前茅f s 】。车内装有，0 电监测、肺复苏、外伤处理、 静脉输液等装备以及多种药品和敷料等。车内还有灵敏度很高的通讯装置。由于救 护车的“标准化”，急救医护人员在车内能为病伤者做各静急救服务。 德国在7 0 年代总结了因交通堵塞，常使急救车从医院不能迅速奔赴现场，达到 现场后又不能及时回到医院的教训。在1 9 8 0 年运用直升机运送伤病员，也称“空中 救护车”。它具有许多优点，如速度快、随带急救仪器药品齐全等，脊柱骨折、脑 部伤等危重病人躺在气垫床上不受震、不受伤害、无痛苦甜。此事发起是从私人开始 的以后卫生部也相继发展了这一事业，到1 9 8 0 年底已发展到3 0 个直升机救护站， 覆盖全国了9 5 的地区，实行5 0 k m 半径空中救护，要求l o 分钟赶赴现场，成为世界 华中科技大学硕士学位论文 上空中急救最发达的国家。近l o 年来又出现“轻型救护飞机”，即喷气式救护飞机， 速度更快，机内宽大，有病室，医护人员操作方便。 目前法国医疗急救系统采用的是以医师为主的全国性急救医疗服务，特点是利 用派出急诊专科医师参加现场急救，其范围包括创伤和非创伤性急症。法国院前急 救医学系统的急诊反应分不同等级，且与消防服务部门和全科医师密切配合。必要 时，派出一个有全套急救设备和包括急诊专科医师或麻醉师和名护士的医疗组。 救护车被作为可移动加强监护病房，赶赴到危及生命的急诊或严重创伤病人的急救 现场 意大利医疗急救系统为地区配套系统，以地方为基础发展起来，急救电话为1 1 8 。 管理中心接受呼救电话，分析并对特殊问题答复，给呼救电话一个重要的彩色标记 ( 红、黄、绿、白) i s 。 急救体系组成包括：市民全科医师医疗看护嘲；l1 8 体系再分为地区急 救中心、省急救中心和国家急救中心。医院急救体系组成：第级为急救点，第二 级为急诊科。医院急救须对急诊病人提供诊断和必要的治疗。第一级急诊要保证急 诊内科和外科的硷断和治疗；第二级急诊科是各专科急诊如心脏外科、神经外科、 新生儿加强治疗、血管外科、胸外科来提供更专科化的急救 1 , 3 本课题的重要意义 1 3 1 我国传统医疗急救系统存在的河题 我国传统的医疗急救系统采用的模式为：1 2 0 接受求救电话一救护车前往求救地 点一救护车将病人带回医院一医生诊断一救治一转院一再救治等等【6 1 。显然，这种按 部就班的急救模式效率十分低下，很有可能在救护车前往求救地点和带病人回医院 的过程发生堵车等事故使得病人不能及时抵达医院，导致抢救时间延误，受害人失 去最佳抢救时间2 l 【5 l 。 在急救过程中，还有可能因为医生匆忙判断病情，采用了不恰当的治疗而导致 受伤病人多个器官的衰竭甚至在事故发生多日后仍对病人的生命安全构成威胁【1 心。 1 3 2 本课题的重要意义 近年柬虽然我国医疗急救系统得到了长足的发展，g i s 、g p s 、g p r s 以及i n t e m e t 等高新技术应用到1 2 0 急救调度系统中，使得救护车能够在最短的时阳j 内到达急救 4 华中科技大学硕士学位论文 现场并且能够以最快的速度到达医院1 2 】l “。但所有这些技术的应用只是使得从1 2 0 接 受求救电话到救护车将病人带到医院这一过程所花的时间减少了。整个医疗急救系 统采用的依然是按部就班的工作模式。 本系统基于g s m 网络的医疗急救系统主要致力于病人被送往医院之前，在救护 车上提前检测病人的基本生理参数如心电、血压、体温、心率等，并且将这些信息 实时的传送到送诊医院，使得急救医生在见到病人之前对病人的基本病情有所了解， 提前做好救治准备工作。实际上是救护车将病人带回医院的过程与医生的检测和准 备过程同步进行，大大提高了医院急救的效率，缩短了急救时间。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 系统整体设计方案 本系统中采集和传输的生理参数主要有e c g 信号、体温、血压、心率等，在所 有这些信号中，e c g 信号数据量最大，无论是采集还是传输都是最难处理的。所以 本文将主要咀心电信号的处理过程为例说明。 2 1 系统整体构架 本系统主要由信号前置放大、a i ) 采样、u s b 数据采集系统、数据预处理、数 据传输以及病人档案管理6 个模块组成。系统整体设计框图如图2 1 所示。 图2 1 系统整体结构框图 8 通路e c g 信号放大电路对8 导联输入信号进行输入匹配、共模抑制和低通滤 波处理，并实现1 0 0 0 倍的精确放大；经过放大的模拟心电信号通过离速a i ) 转换器 转换成为数字信号，然后通过u s b 通信引擎传输到终端p c 机，a d 采样和u s b 接 口的数据传输出8 0 5 1 单片机控制；急救终端p c 机一方面将接收到的数据显示，便 于救护车随行医生作简单的分析和诊断，另一方面对数据进行预处理后将数掘通过 串口传送给终端g s mm o d e m 终端g s m m o d e m 与医院监护中心的g s mm o d e m 建 立电路连接以后将病人基本生理信息、生理参数由急救现场传输到医院监控中，i i , ； 6 华中科技大学硕士学位论文 医院监控中心p c 机立即显示接收到的病人基本生理参数，供负责抢救医生提前做好 准备，并且将病人基本信息和生理参数存入病人档案管理系统，方便曰后查询。 2 2 系统硬件设计 系统硬件设计主要分为两大部分：生理信号( 本文中主要以e c g 信号为例) 采 集系统阿1 叭，基于g s m 网络的数据传输系统口8 1 。 基本结构框图如图2 2 所示。 心电信号采集系统! ： 数据传输系统 图2 2 硬件基本结构框图 2 2 1e c g 心电信号测量原理 在正常人体的每个心动周期中，心脏各部分兴奋过程出现的电变化传播方向、 途径、次序和时间等都有一定规律】。心脏的电变化通过心脏周围的导电组织和体 液，反映到身体表面。将电极放置在体表的一定部位所记录出来的心电信号反映了 整个心脏兴奋的产生，传导和恢复过程中的生物电变化。 对于e c g 信号的测量，有三种方法f 1 2 l ： ( 1 ) 标准临床e c g ( 1 2 导联) 主要用于病房中，用1 2 个e c g 导联的电位差 记录病人体表电位； ( 2 ) v c g ( 3 向量导联) 使用不同的体表电位作为三维心电激励向量模型的 输入； ( 3 ) 监护e c g ( 1 或2 导联) 用于危重病人的长时间强制观察，也称为节律 分析。 在现代基于微机的e c g 测量系统中，一般都是采用8 个一样的e c g 放大器同 时记录八个导联i 、i i 、v 1 、v 2 、v 3 、v 4 、v 5 、v 6 的电压i 】。其中，i i i 、a v r 、a v l 、 “f 四个导联的值可由i 、i i 导联线性求出，即：i i i _ i i i ，a i = ( i 1 1 ) 2 ，a v l = ( 1 m ) 2 ， a v f = ( i i + i i i ) 2 。在本系统中主要分析i 、i i 、i i i3 个导联的电压信号，i 、i i 、i i i 导联 之间的关系如图2 3 所示i 他】。 华中科技大学硕士学位论文 r a 一l 一- 爿 - ， ， f ， ，l 图2 3i 、i i 、i i i 导联矢量模型( 图中r a 、l a 和l l 分别表示右臂、左臂和左脚 该模型就是著名的e i n t h o v e n 等边三角形。e i n t h o v e n 矢量与3 个前向肢干导 联( 导联i 、i i 、h i ) 一一对应。 2 2 2 信号前置放大 由于自然环境的影响，干扰信号的存在是必然的，而电生理信号相对来说非常 微弱，一般振幅为0 ，l 一2 - m v ，对干扰信号没有任何抵抗力。因此在电生理试验中，选 用的信号放大电路是否合适直接关系到试验的结果。 根据不同的需要，人们已经发明了多种放大器，其中有从分子水平研究生物膜 离子通道特性的膜片钳放大器，还有一般电生理实验中使用的普通前置放大器。不 管是哪种放大器，除了放大环节外，都会有电容补偿、直流偏置补偿等环节。针对 e c g 心电信号的特殊性，对于每一路信号，首先使用l f 4 4 4 集成运放构成一个i 讨相 器得到一个较大的输入电阻，从而减小心电信号在线路中的衰减。然后l f 4 4 4 组成 一个对称的负反馈放大电路起到抑制共模信号的目的，最后通过一个r c 有源l p c 低通滤波器滤除高频噪声。 2 2 3u s b 数据采集系统 一个实用的u s b 数据采集系统包括a d 转换器、m i c 微控制器以及u s b 通 信接口。为了扩展还可以加上多路模拟开关和数字i o 端口。系统硬件结构框图如 图2 3 所示【”m 1 。 _ 孬五万删制器j ” 蓑昌r 莸l 图2 4 u s b 系统硬件框图 华中科技大学硕士学位论文 整个系统的a d 转换、u s b 数据通信以及其他扩展功能由微控制器控制实现。 ( 1 ) a d 转换 a d 转换器与系统输出信号的误差直接相关。由e c g 的测量技术可知，e c g 信号是体表两点的差分信号，考虑到心电信号的特点：信号微弱，幅度较小等，本 系统采用了德州仪器的a d 转换器：a d s 8 3 4 5 1 0 】。 ( 2 ) u s b 数据传输 随着计算机技术的发展，p c 机与外围器件的接口也得到了不断的发展，目前主 要的接口技术有：i s a 接口、s c s i 小型计算机系统接口、p c i 接口和u s b 通用串行 总线接口。i s a 接口和p c i 接口利用到了计算机内部的插槽和机箱电源，技术相对 成熟，已经获得了广泛的应用，但这两种方式也有一些缺点，如电路板尺寸受限( 因 为要插在机箱内) 、模拟信号易受机箱内部电磁干扰的影响。而s c s i 接口和u s b 接 口则可在计算机的机箱之外完成信号的a d 、d a 交换，因而性能会比前两种好一 些，设计起来也更灵活一些。其中s c s i 接口由于其速率高、性能稳定多用于服务器 的数据存储设备，但同时它的价格也相当昂贵。 u s b 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是1 9 9 5 年康伯、微软、i b m 、d e c 等公司为了解决传统总线的不足而推广的一种新型串行通信标准，主要用于p c 机与 外围设备的互联【1 9 1 。该总线接口具有成本低、使用简单、支持即插即用、易扩 展等优点，已经逐渐成为现代数据传输的发展趋势，目前已经被广泛地用在p c 机及 嵌入式系统上。其1 1 版本的协议支持1 5 m b p s 的低速方式和1 2 m b p s 的全速方式 2 0 1 2 “。由于电生理信号的频率一般低于1 k h z ，这样的速率完全能够满足本系统的数 据传输速度的要求，而且它的价格又非常低廉，故本系统采用u s b 通用串行总线接 口。 实现图2 4 所示系统可以有两种方案：第一种方案就是采用普通的单片机加上 专用的u s b 通信芯片，这种方案设计和调试比较麻烦，成本相对而言也比较高。 随着单片机制造技术的发展以及u s b 应用的日益广泛，还可以使用具有u s b 通信接口的单片机。这些单片机处理能力强，有的本身就具备多路a d ，构成系统 的电路简单，调试方便，电磁兼容性好，采用这种单片机梅成u s b 数据采集系统较 好【1 引。 本系统从性能的角度考虑以及以后的发展方向出发，选用c y p r e s s 公司生产的 具有u s b 通信功能的c y 7 c 6 4 6 1 3 。e z u s bf xc y 7 c 6 4 6 1 3 属于c y p r e s s 半导体第 二代全速u s b 系列，它较第一代具有更好的性能和更高的集成度。c y 7 c 6 4 6 1 3 具备 了e z - u s b 的所有特征，包括一个智能的u s b 核心、一个增强8 0 5 l 、8 k 的r a m 华中科技大学硕士学位论文 和维持上层代码兼容性的高性能i o f 9 1 。c y 7 c 6 4 6 1 3 芯片可以与u s b l 1 办议和2 0 协议兼容。 2 2 4 信号的传输 无线数据传输方式可分为微波数据传输方式、电台数据传输方式、g s m 和g p r s 数据传输方式。其中微波数据传输方式和电台数据传输方式造价昂贵，投资太高， 不适用于小型应用系统；而g s m 和g p r s 发展基本成熟，覆盖率越来越离，费用低， 信号稳定，对于小型的无线数据传输系统非常适用。 基于g s m 网的无线数据传输方式又可以分为以下几种：早期的电路交换数据 ( c s d ) ，g s m 短信( s m s ) ，u s s d ，h s c s d 以及为了向第三代移动通信平滑过渡， g s m 网提供的g p r s 服务l l 5 1 2 2 j 。 其中c s d 采用电路交换技术，可以保证为用户提供足够的带宽，从而保证低时 延、高可靠的实时通信服务质量( q o s ) ；s m s 在物理承载层没有会话通道，只是一 个存储转发系统，实时性和可靠性无法得到保证，而且传输数据量相对较小；g p r s 最显著特点是提高了数据的传输速度和信道的利用率【塌。 本系统要传输的是电生理信号，信号频率较低，采样率不需要太高，故对数据 的传输速率要求不高，c s d 电路交换完全可以满足压缩后数据传输速度的要求。经 计算发现当数据量较大的时候，c s d 的费用较g p r s 更加低廉，故本系统数据传输 采用了c s d 电路交换技术。 2 3 系统软件设计 2 3 1u s b 底层固件设计 对于任何u s b 芯片而言，如果没有芯片与主机和外设中其它电路通信的代码， 那么这个芯片将毫无用处【2 。对于主机的驱动和h i d 通信，设备必须使用相应的固 件程序来满足一定的要求，通过固件程序的调度，主机才可以得到设备的描述符以 及完成端点数据的传输，可以说：固件是u s b 芯片的灵魂。 对于主机的驱动和h i d ( 人机接口设备) 通信，设备的固件必须满足一定的要 求。设备的描述符必须识别设备为一个有h i d 接口的设备，除了默认的控制流程， 固件必须支持i n 中断，而且必须包含一个报告描述符，定义传送和接收设备数据的 格式。根据发送和接收数据的需求，固件必须支持g e tr e p o r t 或s e tl e p o r t 控制 华中科技大学硕士学位论文 传输以及中断i n 传输或者中断o u t 传输1 2 0 l 。 2 3 2 信号的预处理 考虑到成本和数据传输速率的问题，终端p c 机在接收到u s b 数据采集系统传 送过来的数据以后，必须首先对数据进行压缩处理。 由于心脏活动的有序性，e c g 心电图信号是一个准周期信号，冗余度大而熵值 d , t 】【1 4 】，所以通过数据的压缩完全可以达到提高数据的传输速度的要求。 另一方面，在采集e c g 心电信号的过程中，可能由于交流电或电器干扰、人体 肌电干扰、一起内部噪声等原因产生误差【1 2 】，为了传输数据的准确性，在对数据 进行压缩之前进行滤波处理是必要的。 2 3 3 病人档案管理和分析软件 病人档案管理和分析软件的主要任务是：立即接收救护车终端传送的数据，在 数据库中保存接收到的病人基本信息和电生理参数，解压、保存和实时显示e c g 心 电阻信号，对心电图信号作简单的滤波处理，如：平滑滤波、工频滤波、去基线漂 移、肌电滤波等，以及简单的频域分析。 2 4 小结 本章分别从硬件和软件两个方面介绍了基于g s m 网络的医疗急救系统的整体 设计思想。首先简单的说明了心电信号测量的原理以及选用u s b 通信接口设计心电 信号采集系统的优越性：然后阐述了信号的传输选用基于g s m 网络的电络交换技术 的依据。最后介绍了u s b 底层固件的重要性以及终端p c 机对传输的心电信号进行 滤波和压缩的必要性和可行性。并且简单的说明了病人档案管理和分析软件实现的 基本功能。 华中科技大学硕士学位论文 3 1心电信号的前置放大 3 系统硬件描述 众所周知，生物信号一般都是比较微弱的低频自然信号，因此，信号放大技术 是生物信号采集和处理中的非常重要的一个环节。对于人体生理信号的测量，不可 避免的要用到放大器，而放大器的核心是前置放大。对人体电现象测量时，常常要 求在若干个测量点对任意两点的电位差作出多种组合测量，即对两点间的电位差进 行放大。因此，生物电放大器前置级通常采用差动电路结构。 3 1 1 心电信号前置放大的整体框图 在本系统中，心电信号前置放大由缓冲隔离阻抗变换级、前置放大抗共模干扰 级、带通滤波器、信号放大级组成。 前罱放大级整体结构框图如图3 1 所示。 图3 1 心电信号前置放大整体结构框图 本系统中前置放大的均由u s b 总线提供1 2 v 电源供电。 3 1 2 缓冲放大级 缓冲放大级的缓冲隔离作甩可以减小生物信号源对放大器的输入阻抗的过高要 求，为后级差分放大电路的设计带来方便。出于电生理信号具有高阻抗的特性，缓 冲级作为丽置放大的第一级电路，应该具有很高的输入阻抗所以本系统采用具有 高输入阻抗的集成运算放大器来实现。考虑到对人体的安全电流一般不得超过1 0 毫 安电流，而一般供电电压是2 2 0 v ，由欧姆定律可算出输入限流电阻的阻值。 华中科技大学硕士学1 ：主论文 r：一u 2 2 0 v “ ，1 0 m 。| l 缓；中放大级电路图如冈3 2 所示。 电鳙铲z ；j p 上 u 图中r l 保证在2 2 0 v 漏电的情况下，流经人体的电流不超过1 0 m a 。电容c l 的作用是泄放高压脉冲。 3 1 3 共模抑制和前置放大级 在测量e c g 信号的时候，不可避免的要受到交流电和周围环境电器的干扰，因 此在前置放大之前必须抑制5 0 h z 的共模干扰信号。为了达到较高的共模抑制比，所 选用的电阻必须为精密电阻，我们选用了精度为o 0 1 的贴片精密电阻。由于电生理 信号频率一般在o 0 5 h z l o o h z 之间l 1 2 ，所以共模抑制后的输出信号通过一个带 通滤波器进行滤波，带通滤波器的带宽为o 0 5 h z