（生物医学工程专业论文）心电无线远程实时监护系统的研制.pdf

北京t 业大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n ty e a r , h e a r td i s e a s e ，w i t hh i g hg r o w t hr a t eo fi n c i d e n c ea n df a t a l i t y , h a s b e e no n eo ft h em o s td a n g e r o u sd i s e a s e st op e o p l eh e a l t h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e ，c h a n c i n e s sa n dp a r o x y s m ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt om o n i t o r p a t i e n t si nr e a l t i m e a tp r e s e n t ，t e l e p h o n i ce c gm o n i t o r i n g ( b p ) ，c o m p u t e r s u p p o r t e de c gm o n i t o r i n ga n di n t e r a c tb a s e dt e l e m o n i t o r i n gs y s t e mh a v eb e e n d e v e l o p e d 。b u tm o s to ft h e ma r eu s e di nal i m i te n v i r o n m e n t t h e yc a n tm o n i t o r d y n a m i c a l l y , f o rt h ec a b l ec o m m u n i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rp r o p o s e saw i r e l e s s e c gm o n i t o r i n gs y s t e m t h ep a t i e n t sw e a ra p o r t a b l ed e v i c e ，w h i c hc o l l e c t se c g s i g n a l s ，a n dt r a n s f e ra l a r mm e s s a g ea n de c gw a v e f o r mt ot h er e c e i v e rv i ag p r s m o d u l ew h e nt h ee c gi sa b n o r m a l i t ss i m p l et oo p e r a t ea n di ss u i t a b l ef o rt h o s e p a t i e n t sa th o m e t h ed e v i c e sc p ui st h e $ 3 c 2 4 10 aw i t hac o r eo fa r m 9 2 0 t , a n dt h eo p e r a t i n g s y s t e mi sl i n u xr t o s t h i sp a p e rd e s c r i b e sh a r d w a r ed e s i g ni nd e t a i l t h eh a r d w a r e c o n s i s to fam i n i m u ms y s t e mi n c l u d i n gt h ec p u ，t h es d r a ma n dt h en a n d f l a s h ， a n di oi n t e r f a c e si n c l u d i n gt h el c dd i s p l a yi n t e r f a c e ，t h el a n p o r t ，t h eu s bp o r t ， t h es e r i a lp o r t ，t h ej t a gp o r ta n dt h eg p r sm o d u l es o c k e t ，a sw e l la sap o w e r m a n a g e m e n ts c h e m ef o rp o r t a b l ed e v i c ea n de c ga m p l i f i e r m o r e o v e r , t h ep a p e r g i v e sa l li n t r o d u c t i o no ft h ec o m p o s i n ga n dt r a n s p l a n t i n go fl i n u x 。t h ed e v e l o p m e n t o fb o o t l o a d e ra n dt h ec u s t o m i z a t i o no fd e v i c ed r i v e r sa r ea l s od e s c r i b e d a tl a s t ，t h e a p p l i c a t i o ns o f t w a r ea i m e dt om e e tt h es y s t e mr e q u i r e m e n ti sd e s i g n e d ，w h i c h r e a l i z e sd y n a m i c a l l ym o n i t o r i n g a tt h ee n do fp a p e r , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e ma r et e s t e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e ma c h i e v e st h ed e s i g nt a r g e t t h ed e s i g n e ds y s t e mc a n m o n i t o rt h ee c gs i g n a l si nr e a lt i m e ，a n di sr e l i a b l e ，i n t e r f a c ef r i e n d l y , e a s yt ob e e x t e n d e d w eg i v et h es h o r t c o m i n g so ft h es y s t e ma n ds o m es o l u t i o no ft h e m k e y w o r d s ： e c g m o n i t o r i n g ；$ 3 c 2 410 a ；l i n u x ；g p r s i i 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工业大学或其它教育机构 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。 签名： 日期：趟：丞多 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： 第l 章绪论 ! ! ! ! 詈! ! ! ! 。一 i i m l 詈! 曼皇皇! 曼! ! ! ! ! 皇! ! 曼! 曼曼皇皇曼曼皇! 曼 第1 章绪论 1 1 课题研究目的与意义 心电信号当中包含着人体最基本、最重要的生理参数，对这些生理参数进行 家庭日常监护与检测对患者的健康以及心血管疾病的治疗有着极其重要的意义。 近年来，心脏病的发病率和致死率都有不断增高的趋势，心血管疾病是世界 上最为普遍也最危害健康的疾病。由于这类病症都具有偶然性和突发性的特点， 因此要防治心脏病就必须对患者进行长时间的跟踪治疗，进行实时监护。心脏病 的病发特点使得心脏病的治疗时机显得尤为重要，如急性心肌梗塞( a m i ) 最佳 治疗时间为发病后一小时内，但是研究表明只有1 5 的病人在a m i 发作后一小 时内被送往医院接受治疗。从心脏病发到被送往医院接受治疗大概可分为三个延 迟时间段：从病人发病到呼叫急救车前来接救、将病人送往医院和医生确诊并决 定治疗方案【l 】。因此需要寻求一种有效的方法，使得医生在病人病发后能够及时 获得病人的e c g ，从而减少病人从病发后到接受治疗的延误时间，家庭心电监 护便是一种很可行的方法。 现在，家庭健康监护越来越为人们所重视。随着传感器技术、无线通信技术 和信息技术的发展，远程医疗和家庭健康监护得到了更为广宽的发展空间。家庭 健康监护中最常使用的是心电监护。目前老年人的身体健康问题己引起社会越来 越广泛的关注。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。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 一- - 1 5 的速度增长。所以说心电监护仪的便携式设计，己成为现代医学 仪器发展的一个必然趋势。 通过研究一种便携式心电监护仪，可以达到对患者进行实时心电监护的目 的，同时能够对患者的心电进行自动分析诊断。使用者可以通过i n t e m e t 接入使 得医生端可以通过口地址以浏览网页的形式实时查看患者的心电图，如若发生 北京丁业大学t 学硕士学位论文 心电异常，系统也会自动通过g p r s 发送报警信息，减少病人病发的危险，同时 能够将发病时的心电图通过g p r s 传输到医生端，供医生诊断分析。 1 2 采用嵌入式处理器的心电监护仪的研究现状 动态心电图于1 9 4 9 年由美国h o l t e r 首创，故又称h o l t e r 心电图。国外8 0 年代已在临床广泛应用，国内近几年迅猛发展，其仪器由磁带式记录发展为固态 式记录、闪光卡记录，由单导、双导发展为1 2 导联全记录。同步多参数h o l t e r 可有助于我们准确甄别出原发病灶与继发改变。就心电监护系统来说，h o l t e r 的 出现使心电监护开始走进家庭，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。 家庭心电监护仪是便于患者在家中使用的仪器，因此具有便携、实时、易操作等 特点，因此在进行系统设计时对系统的运算速度、存储容量、体积、功耗等方面 都有一定的要求，因此选择一款合适的处理器是至关重要的。目前已有的嵌入式 心电监护系统的核心处理部分基本采用8 位、1 6 位和3 2 位的单片机，现归类介 绍如下。 ( 1 ) 基于8 位单片机的心电监护系统 近2 0 年来，8 位单片机因其价格低廉、功耗极低、指令简练、易于开发和 片内配置外设模块的不断增多，以及新型外围接口的不断扩充，使得其广泛受到 电子行业人士的欢迎【2 1 。基于8 位单片机的心电监护系统也种类繁多，有基于5 1 系列，r c a 2 c d p l 8 0 2 ，w l 7 8 l e 5 4 等等类型单片机的心电监护仪p 1 1 4 1 ，其系统结 构如图1 - 1 所示。 图l l 基于8 位单片机的心电监护系统结构图 f i g 1 - lt h ea r c h i t e c t u r eo fe c gm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d o n8b i tm c u 第1 章绪论 由于8 位单片机内部集成的模块较少，也无内含a d 模块，因此它的外围 扩展电路就相对较多。 c o s m i nr o t a r i u 等【5 】研制的心电监护仪采用8 0 5 2 作为核心处理器，a d 芯片 为a d u c 8 4 2 ，该监护仪为三导联心电信号采集；该仪器操作方便，每次记录时 间为2 0 s ，适合患者在家中使用。李泽君等【6 】研制的心电监护系统采用8 9 c 5 1 作 为核心处理器，a d 芯片是具有1 2 位精度的t l v 2 5 4 4 ，f l a s hm e m o r y 采用 a t 4 5 d 0 4 1 ，系统特点在于数据传输采用并行嵌入式调制解调器，它具有体积小、 功耗低、携带方便、传输速度快等特点，该系统的记录器能够准确地采集、存储 人体的心电信号，通讯模块部分能够快速准确地将数据远程传输到中心工作站， 由工作站对患者进行实时监护。 ( 2 ) 基于1 6 位单片机的心电监护系统 1 6 位单片机在运算性能上较之于8 位单片机要高很多。基于1 6 位单片机的 心电监护系统最为典型的便是以m s p 4 3 0 系列为核心处理器的监护系统。 m s p 4 3 0 系列以其低功耗著称，它的存储容量大、高性能a d 、集成度高、在线 支持强，因此很是适合于用在便携式心电监护仪中【7 】，由其构成的心电监护系统 结构如图1 2 所示。 1 6 心电八 数据 八 滤波 u 位 主控 采集放大加 单 制处 电极 - 1 模块- - 电路- - 片 理器 机 图1 - 2 基于1 6 位单片机的心电监护系统结构图 f i g 1 - 2t h ea r c i l i t e c t l l r eo fe c gm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n1 6b i tm c u 基于1 6 位单片机的心电监护系统原理与基于8 位单片机的心电监护系统基 本相似，只是1 6 位单片机内含了a d 模块，因此不需要在外部电路中再额外添 加a d 模块。其它部分与8 位单片机系统类似。一般选用m s p 4 3 0 系列主要看 重它的超低功耗，而且m s p 4 3 0 采用了d s p 中才有的一系列先进的运算体系结 构，大大增强了它的数据处理和运算能力。 j u a nc t e j e r o c a l a d o 等【8 】采用了以m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为核心处理器，采用一个 放大倍数为1 0 0 0 的心电放大器，该仪器体积小、采集多通道心电信号，利用网 北京工业大学工学硕上学位论文 络实现对病人的无线监控。许剑等【9 1 研制的心电监护系统采用m s p 4 3 0 f 1 4 9 为核 心处理器，利用o e m 模块进行生理数据的采集，并将o e m 模块与无线传送显 示模块相连，测量到的数据发送到同样带有无线模块的嵌入式接收器，数据经过 i n t e m e t 传输到医疗监控中心，实现心电信号的远程监控与会诊，以较低的成本 使患者获得与在医院同样的服务。 ( 3 ) 基于3 2 位单片机的心电监护系统 虽然已有许多以8 位或1 6 位单片机系统为控制中心实现的便携式心电监护 仪，但是仍然存在运算能力、存储空间、交互性差等问题【1 5 0 1 ，因此便产生了基 于3 2 位单片机的心电监护系统。 应用于心电监护系统上的3 2 位核心处理器大多以a r m 7 、a r m 9 和s t r o n g a r m 为内核。最常见的有基于a r m 7 t d m i 的s 3 c 4 4 b o x t l l 】【1 2 】，基于a r m 9 的 $ 3 c 2 4 1 0 t ”】，基于s t r o n g a r m 的i n t e ls a - - 1 1 1 0 ，由其构成的心电监护系统结构 如图3 所示。 图1 3 基于3 2 位单片机的心电监护系统结构图 f i g 1 - 3t h ea r c h i t e c t u r eo fe c gm o n i t 嘶n gs y s t e mb a s e d o n3 2b i tm c u w a n gp i n g 等【1 4 1 采用的是由a r m 9 2 0 t 扩展成的a t 9 1 r m 9 2 0 0 的处理器，充 分利用了a r m 9 系列的强大的数据处理功能和其丰富的外围设备接口，工作主 频为1 8 0 m h z ，运算速度可达到2 0 0 m i p s ，系统还具备l c d 控制器、2 个u s b 2 0 接口、r s 。2 3 2 串口、1 0 1 0 0 m 的网口、a d 、n a n df l a s h 、键盘、鼠标等等： 这套系统采用l i n u x 作为操作系统，这套监护系统在设计时较全面地考虑了患者 使用的各种情况，除了可与i n t e m e t 相连外还增加了g p r s 模块，扩大了患者的 活动范围。 第1 章绪论 1 3 家庭心电无线监护现状 大部分的家庭心电监护仪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，且很少有基于g p r s 的心电数据的传输。因此，我 们希望研制一种无线心电监护系统，不仅能够记录心电信号，患者还可以通过传 输系统将心电信号传回医院的中心系统，达到实时分析报警、异常心电波形传输 的目的，避免延误治疗时机，使得患者的病情能得到及时的控制，减少病发的危 险。因此如能采用无线方式进行通信便可极大的方便使用者，并也能够极大的适 应当前多元化、网络化、信息化的监护需求。目前的家庭无线心电监护系统有基 于红外、蓝牙、g s m 1 5 1 和g p r s 等无线模式【1 6 】【1 7 】。红外通信技术是通过红外光 传输数据，易受遮挡，收发装置的光路夹角一般在3 0 度左右，通常的通信距离 为l 一3 m ，其移动性不如蓝牙技术。 t ( 1 ) 基于蓝牙技术的心电无线监护仪 蓝牙技术是指一种低功率短距离的无线连接技术的别称，是一种无线数据与 语音通信的开放性全球规范，是一种用于替代移动设备或固定电子设备之间连接 电缆的近距离无线链路。它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设 备通信环境建立一个特别连接【1 8 】。刘基培【1 9 1 研制的遥测心电监护系统采用蓝牙 无线技术监测病人的心电等生理参数，克服了使用传统的有线系统及病人不能自 由活动的缺点。系统的发射机主要由蓝牙模块r o k l 0 1 0 0 7 和带有8 通道1 2 位 a d 转换器的微控制器a d u c 8 1 2 组成，a d u c 8 1 2 主要进行心电数据的采集和控 制，两者之间通过u a r t 接口进行指令和数据的传输。接收机通过u s b 接口与 p c 机或者笔记本电脑实现高速数据通信而不需要外加工作电源。其心电监护系 统组成框图如图1 4 所示。 b 图l 一4 遥测心电监护系统组成框图 f i g 1 _ 4t h ec h a r to ft e l e e c gm o m t o r i n gs y s t e i n 一5 北京工业大学工学硕j ：学位论文 d g p a r k 等【2 0 】设计的心电监护系统，采用蓝牙技术监测病人的心电，并通过 c d m a 或蓝牙l a p ( l a na c c e s sp o i n t ) 在i n t e r n e t 上进行数据的下载和上传， 该系统采用p d a 作为中心监护单元，对心电进行实时显示并记录。 ( 2 ) 基于g s m 技术的心电无线监护仪 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【2 l 】【2 2 1 。 李享元等【2 3 】提出的基于g s m 移动通信网g p r s 功能的远程移动心电监护系 统，能对心电信号进行自动监测、分析、语音报警，并建立病人的心电数据电子 病历档案和网络共享，运行费用低廉，具有临床应用意义，其监护系统的结构如 图1 5 所示。 医院工作站g s m 调制解调暑 基站 病人监护单元 图l - 5 监护系统结构图 f i g 1 - 5t h es t r u c t u r eo f m o n i t o r i n gs y s t e m ( 3 ) 基于g p r s 技术的心电监护仪 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 ) 是通用分组无线业务的简称，是一种 以全球手机系统( g s m ) 为基础的数据传输技术。g p r s 和以往连续在频道传输 的方式( 如g s m ) 不同，是以分包( p a c k e t ) 的形式来传输，信道是共享使用的， 需要的时候才有数据包产生。用户可以随时进行数据传输，而不是每次都需要拨 号上网【2 4 】【2 5 】。g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i p 网、x 2 5 网 互联通信。网络具有包交换网络的结构，该网络具有对移动台的管理功能和无线 络、 姗孱事一叁 d 第1 章绪论 接入功能。从用户角度看，g p r s 网络就相当于一个i n t e m e t 网络的子网，g p r s 网络内的移动台就相当于该子网内的主机。当g p r s 提供d 服务时，网络会安 排一个口地址集，这些地址可以动态或静态地分配给移动终端，从而实现与基 于d 协议的固定主机通讯。支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特 殊应用如远程信息处理。g p r s 也允许短消息业务经g p r s 无线信道传输。g p r s 骨干网之间可以提供终端的漫游服务。因此g p r s 十分适合心电数据的传输。 m o h df a d l e ea r a s i d 等【2 6 】设计的心电无线监护系统将采集到的心电信号利 用蓝牙技术发送到手机上，并通过g p r s 网传送到医院中心站，该系统很好的利 用了现有的移动通信网络将心电信号直接传至医院中心站实现心电的监测与诊 断，其结构如图1 - 6 所示。 图1 - 6 心电无线移动传输系统结构框图 f i g 1 - 6t h es t r u c t u r eo fe c gm o b i l et e l e m o n i t o r i n gs y s t e m ( 4 ) 基于c d m a 技术的心电监护仪 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 是码分多址的简称，是在数字技术 的分支扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。c d m a 技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个 带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再 经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作 相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。 c d m a 具有系统容量大且配置灵活、频率规划简单、建网成本低、发射功耗小、 无线辐射能量低等特点，其中c d m a 2 0 0 0 1 x 系统支持基于口的分组数据传输， 可支持3 0 8 k b i t s 的数据传输，适合应用于远程实时心电监护【27 1 。如图1 7 所示 为基于c d m a 的心电监护系统。 胯 蚜 北京工业大学t 学硕：卜学位论文 图1 - 7 基于c d m a 的心电监护系统 f i g 1 - 7t 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 王恒 2 8 1 等提出了一种以a r m 和嵌入式技术为基础，采用c d m a 1 x 无线网 络进行远程实时心电数据传输和g p s o n e 技术准确定位病人的移动远程心电监护 终端的设计。阐明了终端的总体结构和各个组成模块，给出了基于嵌入式操作系 统的软件设计，分析了无线网络传输和定位功能的具体实现并设计了与监护中心 之间的交互联系协议。 总之，随着生活水平的不断提高和我国人口老龄化的趋势，无线心电监护已 越来越引起人们的重视，同时家庭健康监护是各国医疗发展的方向，也是社会进 步的文明标志。随着科学技术的发展，家庭无线心电监护仪将向网络化、智能化 的方向发展。因此研制一种能够实时检测心电并能够在心电异常时发送报警信息 及异常心电数据的心电监护仪显得尤为重要。 1 4 论文的主要研究内容 本课题受到北京市教委基金资助( k m 2 0 0 6 1 0 0 0 5 0 2 2 ) 。本文介绍了一种具有 实时检测和报警功能的无线心电监护系统。该系统采用3 2 位单片机( $ 3 c 2 4 1 0 a ) 和g p r s 模块( s m l o o e ) 进行设计，在l i n u x 操作系统下实现对心电数据的实 时检测分析和自动报警。实验结果表明系统能够实现对患者心电信号的实时监 测，当检测出心律失常时，能够通过g p r s 以手机短信形式发送报警信息，并能 够将病发时的异常心电数据通过g p r s 发送到接收端供医生诊断分析。本研究能 够满足对病人无线监护的目的，在预防和早期检测心血管疾病上将会发挥作用。 系统具体功能如下： ( 1 ) 可从人体体表采集心电信号，并进行放大滤波。 ( 2 ) 实现心电信号的实时采集显示。 ( 3 ) 可实时检测心电信号并进行分析。 ( 4 ) 可在发现心电信号异常时通过g p r s 发送报警信息和异常心电图。 第1 章绪论 ( 5 ) 能够同时与i n t e r n e t 和g p r s 网络连接。 由此，论文研究的主要内容： ( 1 ) 设计可从人体体表采集心电信号的心电放大器，并对采集到的心电信 号进行滤波处理。 ( 2 ) 设计基于嵌入式处理器的无线心电监护仪硬件平台，移植l i n u x 操作 系统，并修改启动代码和相应的驱动程序。 ( 3 ) 设计基于g p r s 的心电数据传输软件，使得患者在病发时的心电信号 可以通过g p r s 传输到医生端，供医生分析诊断。 1 5 论文各章节安排 现今已有的心电监护仪多为有线心电监护，对佩戴者的活动范围有了极大的 限制，且价格昂贵不易携带。为了能够实现对心电的实时检测分析，真正实现家 庭心电监护，我们研制了一款基于嵌入式处理器的硬件平台，实现心电监护的功 能。 论文各章节安排如下： 第l 章：绪论，介绍课题研究的目的及意义，并结合国内外研究现状，采用 目前已有的技术，提出系统的设计方案和具体实现的功能。 第2 章：心电信号的分析处理，主要阐述心电信号的理论基础知识，心电图 及其特点以及心电分析的方法和判定法则。 第3 章：详细介绍心电监护系统的硬件平台的设计和实现方法，包括核心处 理器的选择，存储、显示、电源、g p r s 模块的设计以及电路板的整体设计等。 第4 章：详细介绍嵌入式l i n u x 操作系统的构建与移植，包括b o o t l o a d e r 的 设计，驱动程序的开发和操作系统定制方法。 第5 章：介绍系统软件的设计，主要是心电采集与分析及g p r s 数据发送和 接收端软件的实现。 第6 章：给出了仪器的性能测试和实验结果 最后对论文进行总结评述，并提出系统尚存在的问题和改进的方向。 北京t 业大学1 = 学硕七学位论文 第2 章心电信号的分析处理 2 1 心电图信号及其特点 心脏是循环系统中重要的器官。正常人体内，由窦房结发出的一次兴奋，按 一定的途径和过程，一次传向心房和心室，引起整个心脏的兴奋。因此，每一个 心动周期中，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。这种生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液反映到身体表面 上来，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化。把测量电极放 置在人体表面的一定部位，记录出来的心脏电变化和曲线即为临床常规心电副2 9 1 ( e l e c t r o c a d i o g r a m ，简称e c g ) 。心电图反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程 中的生物电变化。由于心电图具有定量、准确、简便、快捷、可靠及经济等优点， 故在心脏病检查中具有重要的地位。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。窦房结发出的兴奋首先传到右心房，使右心 房开始收缩，同时兴奋经过房间束传到左心房，引起左心房的收缩。兴奋随后沿 着结间束传到房室结，再由房室结通过房室束及其左右分支浦氏纤维传导到心 室。从心房到心室具有特殊传导途径，使由心房传导下的兴奋能够在较短的时间 ( 0 2 s ) 内到达心室各部分，引起心室的激动。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，使身体各部位在每一心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。 心电信号具有以下的一些特点： 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 章心电信号的分析处理 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 h 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 f 2 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。正常的心电图如图 2 1 所示，波形各部分与心肌电激动过程的对应关系【3 0 1 如下： 图2 - 1 心电波形 f i g 2 1t h ew a v e f o f i l lo fe c g p 波：心电图各波中最先出现的是代表左右两心房兴奋过程的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 期间：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 |：一 而拶 北京工业大学下学硕十学位论文 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 。t 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，代表动作电位的后电位。 2 2 心电导联 临床上为了便于比较所获得的心电波形，在检测心电信号时，对电极位置、 引线与放大器的连接方式都有严格的统一规定，这些电极位置及连接方式被称为 心电图的导联系统。临床上心电信号主要从体表采集，检测时将测量电极安放在 体表相隔一定距离的两点，构成一个导联，测量出电极在体表的电位差就是心电 信号，描成曲线就是心电图。常用的导联有如下几种： ( 一) 标准导联亦称双极肢体导联，反映两个肢体之间的电位差。这是因托 芬于1 9 3 4 年提出的。这种导联方式较易连接且波形明显，故在家庭心电监护中 较常使用。 i 导联：将左上肢电极与心电图机的正极端相连，右上肢电极与负极端相连， 反映左上肢( l a ) 与右上肢( r a ) 的电位差，如图2 2 a 所示。 i i 导联：将左下肢电极与心电图机的正极端相连，右上肢电极与负极端相连， 反映左下肢( l l ) 与右上肢( r a ) 的电位差，如图2 2 b 所示。 i i i 导联：将左下肢与心电图机的正极端相连，左上肢电极与负极端相联，反 映左下肢( l l ) 与左上肢( l a ) 的电位差，如图2 2 一c 所示。 第2 章心电信号的分析处理 图2 - 2 常用心电导联 f i g 2 2e c gl e a d ( 二) 加压单极肢体导联标准导联只是反映体表某两点之间的电位差，而不 能探测某一点的电位变化，如果把心电图机的负极接在零电位点上( 无关电极) ， 把探查电极接在人体任一点上，就可以测得该点的电位变化，这种导联方式称为 单极导联。 ( 三) 胸导联亦是一种单极导联，把探查电极放置在胸前的一定部位，这就 是单极胸导联。这种导联方式，探查电极离心脏很近，只隔着一层胸壁，因此心 电图波形振幅较大。 综合比较以上几种导联，且根据系统便携式的需求，我们在设计心电放大器 时采用了i 导、i i 导、i i i 导三个导联采集心电。 2 ，3 心电监护中异常心电分析 心脏病的特点便是突发性及不可预见性的，且在非病发时无任何的征兆，因 此实时心电监护才显得尤为重要。我们的心电分析部分能够分析五种异常心电， 分别是心动过速、心动过缓、心律不齐、停搏和漏搏，基本可以实现日常常规心 律异常的检测。其实现方法和判断规则见表2 - l ，其中r r 为相邻两个r 波的时 间间距，r 为前4 个r r 间期的平均值。 北京工业大学t 学硕士学位论文 表2 - 1 心律失常判别规则 t a b l e2 - 1t h ed i s t i n g u i s hq u a l i f i c a t i o n so f a r r h y t h m i a 心律失常类型判别方法 心动过速( t a c h y c a r d i a ) 心动过缓( b r a d y c a r d i a ) 心律不齐( a r r h y t h m i a ) 停搏( c a r d i a ca r r e s t ) 漏搏( m i s s e db e a t ) h r 1 2 0 次分，q u i c k _ s i g n 3 h r 3 连续3 个r r 间期差值的绝对值 r 5 rr 2 4 s 2 r 具有丰富的片内外围电路，如液晶控制器、方便的存储器接口以及多种 通信总线接口，极大地简化了系统电路的设计； 体积小、低功耗、低成本、高性能； 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器 件； 大量使用寄存器，指令执行速度更快，大多数数据操作都在寄存器中完 成，寻址方式灵活简单，执行效率高。 经过比较分析，我们采用s a m s u n g 公司生产的$ 3 c 2 4 1 0 a 为c p u 。$ 3 c 2 4 1 0 a 采用了a r m 9 2 0 t 内核，0 18 u m i 艺的c m o s 标准宏单元和存储器单元，其运行 速度最高可达2 6 6 m h z ，具有以下特点【3 l 】【3 2 】： 核心电压1 8 v ，存储电压3 3 v ，外部i o 电压3 3 v ； 3 2 位r i s c 处理器，具有1 6 k bi - c a c h e 1 6 k bd c a c h e 脚7 ； 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； 带专用d m a 的l c d 控制器( 支持2 5 6 k 色t f t ) ； 3 通道u a r t ( i r d a l 06 4 一b y t et xf i f o 与6 4 - b y t er xf o ) ； 1 0 版本的s d 卡接口，兼容2 1 1 版本的m m c 协议； 2 通道u s b 主控制器1 通道u s b 设备控制器( 1 1 版) ； 4 通道p w m 计时器1 通道内部计时器看门狗计时器； 带日历的实时时钟； 8 通道1 0 5 a d c 与触涣屏接口； 1 1 7 个通丌 f o 口1 2 4 道外部中断渊。 此，b s 3 c 2 4 1 0 a 拥有m m u ( 内存管理单元) ，可支持l i n u x 等操作系统，易于 系统功能的扩充与完善，其内部还采用了新的a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l i e rb u s a r c h i t e c t u r e ( a m b a ) 总线，其内核结构如图3 - 1 所示。a r m 9 2 0 t 有两个内部协 处理器：c p l 4 和c p l 5 。c p l 5 协处理器实现m m u 和保护单元的系统控制；c p l 4 协处理器实现j t a g 调试功能。 数据 幽3 1a r m 9 2 0 t 结构框蚓 f i g3it h ee h a no f a r m 9 2 0 ta r c n t e c m r e 3 2 系统的总体设计 豁 心电艏 护端 e 目 刚3 - 2 系统框刚 f i g 3 - 2 t h ec h a r t o f t h es y s t e m 讯 田 多 曹 北京t 业大学工学硕l 学位论文 整个心电监护系统由用户端心电记录器、通讯网( g p r s 和i n t e m e t ) 和监护端 工作站组成，整个系统的框图如图3 2 所示。心电记录器可分为五个部分：心电 采集模块、存储模块、通讯模块、人机接口模块和电源模块，其结构如图3 3 所 示。从人体体表采集的心电信号，经由心电放大器进行放大滤波后送入$ 3 c 2 4 1 0 a 中进行处理。系统对心电信号进行检测与分析，并将心电信号实时地显示在l c d 上，一旦发现异常心电，系统将会自动触发g p r s 模块进行短信报警并将异常的 心电图传输至接收端，并在接收端显示出来供医生诊断分析。系统通过u s b 口 与p c 机进行数据传输，系统也可直接通过网口与网络相连，通过i n t e m e t 将心 电信号传输出去。系统的电源电路部分可以提供系统工作需要的各种电压( 1 8 v 、 3 3 v 、4 2 v 、5 0 v ) 。 图3 - 3 心电记录器硬件结构图 f i g 3 - 3t h eh a r d w a r ed e s i g ne c gr e c o r d e r 心电放大器部分可将从人体体表采集的心电信号进行放大滤波，可有效地抑 制噪声并将信号调整到a d 转换器所能接受的幅度范围，最后输出到由嵌入式微 处理器集成的a d 接口，实现信号的采集。 m e m o r y 部分分为n o rf l a s h 、n a n df l a s h 和s d r a m ，n o rf l a s h 存放系 统的启动代码，n a n df l a s h 存放操作系统镜像和系统掉电后需要保存的数据； s d r a m 用作操作系统和应用程序运行的缓存。l c d 采用的是分辨率为2 4 0 x 3 2 0 的6 4 k 色t f t 液晶。i n t e r n e t 接口可以使仪器与互联网连接进行心电数据的传输， 也可通过g f r s 模块将心电数据发送出去。 第3 章心电无线远程监护系统的设计与实现 3 3 系统的硬件设计 由以上的心电记录器硬件框图可见，系统硬件分为采集、存储、显示、通信 等几个部分，由于整体设计的难度较大，我们采用分开设计的方法，分模块进行 设计。接下来将分别从系统的放大模块、电源模块、接口模块、存储模块、显示 模块和通信模块来进行描述。 3 3 1 心电放大滤波电路 运算放大器( o p e r a t i o n a la m p l i f i e r ) 是电子线路设计中最基本的器件。可以 构造信号放大、信号传输、信号滤波等各种功能的电路。从人体体表采集的心电 信号是极为微弱的，一般e c g 信号的峰值大约为l m v ，体表心电信号的频率主 要集中在0 0 5 1 0 0 h z ，中心频率为1 7 h z ，是一种低频率的微弱双极性信号。它 淹没在许多较强的干扰和噪声中，主要是来自5 0 h z 工频干扰的影响【3 3 1 。因此， 要对心电信号进行精确测量，必须设计出性能优良的放大滤波电路，且放大倍数 至少为1 0 0 0 倍。 3 3 1 1 放大电路 心电信号取自人体表面，信号源阻抗较大，背景噪声强，因此心电采集模块 需要满足以下条件：( 1 ) 高增益且可调节，以便处理幅值较弱且因人变化较大的 情况；( 2 ) 高输入阻抗、低噪声，以便提高心电信号的信噪比；( 3 ) 高共模抑制 比，用以消除工频及电极极化电位