（生物医学工程专业论文）心电信号远程监测系统的研究与设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t c a r d i o p a t h yi sac h r o n i ca n ds e v e r ed i s e a s et h a tt h r e a t sp e o p l e sl i v e sb e c a u s eo f i t s h i g nd a n g e r o u s n e s s s o i ti s i m p o r t a n t t or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h er e m o t e e l e c t r o c a r d i o g r a m ( e c g ) s i g n a lm o n i t o r i n gs y s t e m t h i st h e s i si n t r o d u c e sr e m o t ee c g m o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hm e e t st h er e q u i r e m e n to fp a t i e n tw i t hh e a r td i s e a s e st oe n j o y m e d i c a lc a r eo u to fh o s p i t a la n dh a sac h a r a c t e r i s t i co fl o wc o s ta n ds t r o n gf u n c t i o n t h es y s t e md e s i g n st w os o l u t i o n sw h i c ha r ed i f f e r e n tf r o ma n a l o gt od i g i t a l t r a n s m i s s i o n t h e s es o l u t i o n sa r ed e m o n s t r a t e df u r t h e r , f i n a l l yt h ed i g i t a lr e m o t ee c g m o n i t o r i n gs y s t e mi sc h o s e dt or e a l i z e t h i sa r t i c l ew o r k so nt h ei m p l e m e n t a t i o no fa f p g a b a s e de c ga c q u i s i t i o na n de t h e r n e tt r a n s m i s s i o ns y s t e m t h ef r o n t e n do ft h e s y s t e m i st h e s i g n a lc o n d i t i o n i n g c i r c u i tw h i c hc a nr e a l i z e st h ee x t r a c t i o no f l l i g h - q u a l i t ye c g d a t a t h ek e yc i r c u i to ft h es y s t e mi st h ea dc o n v e r s i o nm o d u l ea n d t h ee t h e r n e ti n t e r f a c em o d u l e ，w h i c hi sd e s i g n e db yu s i n gc y c l o n ee p1c 6 q 2 4 0 c 8 m i c r o c o n t r o l l e ra sc o r e ，a n di tr e a l i z e sd a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o nt ot h er e m o t e h o s p i t a li ne t h e r n e t u s i n gl a b v i e w , t h ee c gs i g n a ld i s p a l y i n g ，p r i n t i n ga n dd a t a s h a r i n ga r er e a l i z e di nt h es o f t w a r es y s y t e m b yu s i n gt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eo ft h er e m o t ep c t or e c e i v et h ee c g s i g n a ld a t a , t h es y s t e mh a sc o m p l e t e dt h eb a s i cf u n c t i o nt h a tw o u l da c q u i r ed a t aa n dt r a n s f e ri n e t h e m e t ，w h i c hp r o v e st h ep o s s i b i l i t yo fr e m o t ee c gs i g n a lm o n i t o r i n g k e y w o r d s ：e c gs i g n a l f p g ai n t e r n e tl a b v i e w 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，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；也不包含为获得西安电子科技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已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：量蹲! 习同期丝丝墨! ! 星 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：董塑! 蜀 导师签名： 玉丛蔓 日期知纩；二上g 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 课题研究的目的和意义 近年来，心脏病仍是威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病患者的死亡率 仍占首位。并且，心脏病具有病情隐蔽、发展缓慢、发病危险性高的特点，它对 心脏病患者、特别是中老年患者的危害性极大，危害着人类的健康。另外一方面， 近些年来，随着社会的发展、科技的进步、生活水平的不断提高，人们的健康观 念及保护健康的方式和途径都发生了深刻的变化，远程医疗就是适应当前社会发 展需要，将当代高新技术与临床医疗相结合的产物，并己成为当今世界医疗领域 的研究热点。它能够满足心血管病等高危疾病的患者可以不间断的检测病情，及 时处理。有资料显示，大约有6 0 的心脏病死亡发生在患者家中f l l ，这些患者如果 能够获得及时的抢救与护理，是完全可能避免死亡的，因此心电信号远程监护显 得尤为重要。 用于诊断心脏病的主要技术之一是心电图( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，简称e c g ) 【z j 1 3 1 。心电图是将心脏激动过程所产生的体表电位差记录下来并加以解释的科学。从 1 9 0 3 年荷兰莱顿大学的生理学教授e i n t h o v e n 采用弦线式电流计首次测出心电图， 至今已有百年的历史。一百年来，心电图作为一种无创伤检查手段，由于诊断可 靠、方便简单、对病人无损害等优点，在心脏疾病的诊断中发挥了重要作用。另 外，经过大量的临床研究，证明对心脏肥大、心肌梗塞及其梗塞部位具有决定性 的诊断价值，对某些心脏疾病，如心肌炎、心包炎、药物中毒等引起的心脏病变 具有辅助诊断意义。 心电图检测是2 0 世纪建立并广泛应用于临床诊断和检测的重大技术成果之 一。1 9 0 3 年，荷兰生理学家艾因托分( w i l l i a me i n t h o v e n ) 研究发明弦线性心电图 描记器( s t r i n ge l e c t r o c a r d i o g r a p h ) 并从体表记录心脏电活动以来，心电学发展历 经百年。在这期间不仅常规心电图检测技术本身不断改进完善，同时从体表心电 图演化派生出来研究心脏电信号的各种检测方法竞相问世。比如，1 9 0 8 年爱因托 分正式引入标准的肢体导联，并用等边三角形来说明三个标准肢体导联的关系， 确立了心电图应用于临床诊断的标准。他还与英国剑桥科学仪器公司的杜德尔 ( w i l l i a md ub i o sd u d d e l l ) 共同设计了新一代的弦线性心电图机，并投入临床应 用。1 9 3 0 年，剑桥公司引入接触式板状电极，后应用于肢导电极。1 9 3 2 年，r u d o l p h 引入吸求电极，后应用于胸导电极。1 9 3 4 年，德国西门子( s i e m e n s ) 公司制造了 世界上第一台采用电子管放大的心电图机等等1 4 1 。 心电信号远程监测系统的研究与设计 近年来现代电子技术的进步和数字计算机技术的飞跃发展极大的促进了心电 信息研究向纵深方向发展。目前常见的心电信号监护有床边心电信号监护，动态 心电信号监护，电弧心电信号遥测，无限心电信号遥测等方式及仪器。床边心电 信号监护限制了病人的活动范围，病人只能在病床边；动态心电信号监护系统可 以长时间连续记录病人的心电动态信息，但无法实现实时分析功能；电话心电信 号遥测仍然会限制病人的活动，且难以做到长时间监护；无线电遥测系统需要发 射和接受装置，电路结构复杂，应用芯片较多。由此可以看出，传统的心电信号 监护系统虽能有效地减少心脏病患者的死亡率，但是有一定的限制。如果症状较 轻的早期患者，平时没有明显症状，偶尔感觉不适，且持续时间比较短，有时候 等赶到医院，心电图恢复正常，使得医生不能对病人及时确诊，疾病难以得到早 期治疗或者预防及控制。对于本身患有心脏疾病的患者，如果在医院外发病的话， 医生没有及时观察到病人的心电图状况，因而不能及时采取有效的指导性建议， 从而使病人未得到及时治疗，导致并有生命危险。 因此，我们设计了便携、可靠的心电信号远程监测系统，不受时间和地点限 制。它具有集成度高、体积小、反映速度快、智能化及稳定性强等特点。它不受 患者活动状态和地点限制，能为心脏疾病的正确分析、诊断、治疗和监护提供客 观指标。在自觉发现有心脏不适等状况时，随时可以采集自己的心电图信息，根 据医院设定的网络地址号，将心电数据发送过去，医生就可以很快看到目前病人 的心电信息，指导病人行为，缓解症状。并将采集到的信息存储起来，以便后期 治疗作为参考。这种监测系统可以广泛应用于心血管疾病的常规检查，具有非常 重要的社会价值和经济价值。 1 2 心电监护系统的发展状况 心电信号监护系统是远程医疗系统中的一个重要部分。远程医疗系统从功能 上基本可分为远程医疗监护、远程诊断和会诊、远程手术及治疗。远程医疗监护 可对远端患者的主要生理参数，如心电、电压、体温、呼吸、血氧饱和度进行监 测；远程诊断及会诊需借助于p a c s 和医疗信息系统，医疗中心的专家通过观察远 端患者的医学图像和检测报告进行诊断和会诊；远程手术和治疗是一种可控交互 式远程医疗系统，使用虚拟现实和医用机器人( 智能机械手) ，对远端患者实施必 要的手术治疗和处理。 目前，国外一些发达国家已经在家庭式心电检测系统研究方面取得了卓越成 就，并且还在以更高的速度进行改进和提高。例如s h a h a l 公司的电话传输心电 图监护系统、c a r d g u a r d 公司的c a r d g u a r d 系列心电信号监护系统、t i e 公司的 a e r o t e l 电话传输心电信号系统、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 第一章绪论 心电信号监护系统、瑞典的c a l i b e rt r i g g e rm o n i t o r 系统，这些设备已经投入市场 使用多年。在远程医疗系统的实施过程中，美国和西欧国家发展最快。他们在远 程诊断、远程会诊、x 光片和c t 图形的远距离传输、远程挂号、远程学习和信息 共享等方面己取得重要进展。这主要是由于发达国家在计算机网络和数字通信方 面的高速发展和日臻完善，医学信息学、医学影像学的发展以及为控制医疗费用 的增长和满足社会对高水平医疗的需求，促进了远程医疗的发展。美国各个州、 各个城市和各大医院已有各种类型的远程医疗系统，其中多数为专科性质的远程 医疗系统。美国还十分重视建设全国性的医疗信息中心，借以提高全民的医疗水 平和服务质量。另外一些发达或中等发达国家，如加拿大、日本、澳大利亚乃至 发展中的韩国、希腊等都十分重视远程医疗的发展。加拿大和澳大利亚由于幅员 广阔，边远地区没有现代医疗设施，因而早在7 0 年代就开始这方面的研究。希腊 和韩国则借助于w w w 系统开展远程医疗监护1 5 | 。 我国在这个领域的研究是在9 0 年代中期才刚开始起步，但经过近二十年的发 展，在这方面的研究也已取得了很大进步，如珠海中立电子集团研究开发的院外 心脏病集群监护系统、“护心神 电话传输心脏监护系统，以及卡迪欧公司的“爱 心”袖珍心电信号监护系统。我国的远程医学活动大致包括以下几种形式：远程 医疗会诊、远程医学教育、学术会议传播、手术示教等等。而现在开展最好的是 远程医疗会诊。 纵观目前心电检测仪器的发展趋势，可以总结出主要向数字化技术方向、多 导同步记录方向、自动测量和分析诊断方向和远程医疗方向发展。数字化技术运 用其先进的数字信号处理技术，使心电信号在处理速度上和准确率上得到充分保 证。多导同步记录心电检测设备，可以同步整体观察和测量多个在同一个心动周 期的波形，从而提高分析各种测量参数的准确性，便于进行早搏定位，心率失常 分析，预激综合症的分型、定位，宽q r s 波心动过速的鉴别诊断。目前市场上已 有自动测量和分析诊断的心电图机，但功能还不是很完善，未来心电图机自动诊 断功能将更强大。远程医疗是以计算机技术和网络通信技术为基础，将心电数据 进行远程传输，在远端对心电数据加以分析处理并提出诊断结果，从而实现远程 医疗。目前已经可以进行远程医疗会诊，未来远程医疗会有更大的进步。 另外，随着因特网和移动通讯网等宏观基础设施的普及和发展，通信技术与 手段的不断进步，近年来心电远程监护系统正沿着网络化和无线移动监护两个方 向快速发展。基于因特网的远程心电监护系统是指利用心电监护客户端采集患者 的心电信号，通过互联网将心电信号传输至监护中心服务器，由医护人员对患者 心电图进行处理并做出相应诊断。基于无线通信的心电无线监护系统采用可携带 式的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。 由于无线传输无须线缆介质，使用者可以不受时问、地点的限制，随时随地得到 4 心电信号远程监测系统的研究与设计 监护中心的监护。其中，以太网是目前使用最广泛的局域网技术，由于其低成本、 可扩展性强、与i p 网结合性强等优势，现在很多系统普遍采用以太网接入方式。 而远程心电监护管理中心工作站一般配备有高性能的服务器，可实现实时的接收 患者心电数据、存储并分析处理数据、管理患者基本资料及心电数据、网络安全 管理等。通过因特网技术，可将心电图监护从病房监护拓展到社区或家庭，监护 中心的医护人员可以及时分析患者的心电数据，并可根据需要随时将医嘱发送到 患者的监护仪上。 第二章课题的系统设计 第二章课题的系统设计 2 1 心电信号的医学基础 心脏的主要功能是泵血以维持周身血液循环。泵血的过程牵扯两种类型的生 理活动，其一是心肌兴奋( e x c i t a t i o n ) ，然后是心肌的收缩( c o n t r a c t i o n ) 。前者引 发后者，成为兴奋收缩偶联( e x c i t a t i o nc o n t r a c t i o nc o u p l i n g ) 。心肌的兴奋是电学 活动，包括细胞膜的除极复极的周期性规律，形成心动周期，可以说心脏的 周期性节律是由心肌电活动的生理功能所主宰的。正常的心脏电生理功能使心脏 保持正常的心率，心率失常本质上是由心电活动的异常引起的。研究心脏电活动 的生理病理规律的科学，称为心电生理学【6 1 。 2 1 1 心电信号的形成 心脏细胞去极化和复极化的电生理现象【7 j ，是心脏运动的基础。由心脏内部产 生的一系列非常协调的点刺激脉冲，分别使心房、心室的肌肉细胞兴奋，使之有 节律地舒张和收缩，从而实现“血液泵”的功能，维持人体循环系统的正常运转。 心电信号从宏观上记录心脏细胞的除极和复极过程，在一定程度上客观反映了心 脏各部位的生理状况，因而在临床医学中有重要意义。 心脏不断地进行着有节奏的收缩和舒张活动，心脏在机械性收缩之前，首先 由心肌产生电激动，激动所产生的微小电流可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。如果在体表放置两个电极，分别用导线连接到心电图 机( 即精密的电流计) 的两端，那么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，这就是心电副6 。 ； l ” i ； ” 1j ”x ? ? j l 一i l r 7” l 。+ + 4 m ”“彳“1 t 、。p 八 u ” n# 、” 一 l ，l 。 ： 十， * ；。，；q ： ，li *m * 一 t _ fl ：一1 4 ”。 ，；，。 。q r l 一+ 4l 。”：4 l 。 。i。，m f 翱o n 。l 图2 1 心电波形图 正常心电图上的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 6 心电信号远程监测系统的研究与设计 定把这些分别成为p 波、q r 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，一个模式心电图组包括下述各波，如图2 1 所示： p 波：反映左右两心房的电激动过程。心脏的激动发源于窦房结，最先至心房， 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。这一段成为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 波群包括三个紧密的 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称为q r s 、q r 、 q r 、风、r s 、q s 等型。有时可能遇见两个以上向上的波，则第一个向上的波称为 r ( 或r 波) ，第二个向上的波称为r 、( 或r ) 波，以此类推。 s t 段：是心室激动产生q r s 波群以后至心室复原，再度在体表产生明显的 电位差( t 波) 以前的一段平线。 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”【6 1 。 2 1 2 心电信号的特点 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少。幅值为1 0 t v ( 胎 儿) 5 m v ( 成人) 。因此，它是低频弱小信号，并不能避免地伴随有噪声。由此 根据奈奎斯特采样定律得知，心电采集系统的采样率必须大于等于5 0 0 h z ，才可以 完全的反映出人体的心电信号。 2 2 心电信号的噪声干扰及抑制 2 2 1 心电信号的噪声来源 心电信号作为心脏电活动在人体体表的表现，一般比较微弱，所以很容易受 第二章课题的系统设计 到外界环境的影响。在采集、放大、传输过程中，会有许多的干扰耦合到心电信 号中，这样大大降低了心电信号的信噪比，直接影响着心电波形检测的可靠性。 同时，由于人体自身的机理以及信号的不可触及性，检测心电信号时必须在体表 测量。心电信号与人体其他系统产生的信号一样，具有随机性较强、噪声背景强、 信号频率低以及非平稳性等特点，导致心电信号在不同的时刻和条件下，心电信 号随时都处于微小的变动中。 由于受仪器、人体等方面的影响，心电信号干扰可以分为生理干扰和技术干 扰两大类。 ( 1 ) 生理干扰主要指由呼吸引起的基线漂移和心电幅值的改变 呼吸引起的基线漂移可以看成是将一个呼吸频率的窦性成分( 正弦曲线) 加 入到心电信号中，这个正弦成分的幅值和频率是变化的。呼吸干扰引起的心电信 号幅值变化可以达到1 5 ，引起的基线漂移频率约是0 1 5 h z , - - 0 3 h z 。 ( 2 ) 技术干扰主要是指工频5 0 h z 及各次谐波 人体分布电容和电极引线环路受工频电、磁场的影响而产生的干扰【s 】。频率为 5 0 h z 工频以及其谐波幅度较低，表现为心电图呈规律性的细小波纹。在给定测量 环境中，工频干扰的特征一经确定便不会改变。这种干扰往往掩盖了原有心电图 中的细小转折，影响心电图诊断。 2 2 2 心电信号的噪声抑制 我们实际看到的心电图就是真正的心电信号与上述各种噪声信号混叠而成的 图形。因此如何抑制噪声的影响一直是e c g 检测的一个重要问题。 ( 1 ) 基线漂移的抑制 我们采用的模拟带通滤波器对低频的基线漂移有一定的抑制作用。 ( 2 ) 心电信号中工频干扰抑制 右腿驱动电路，临床实践证明可以将工频干扰衰减到1 以下； 陷波器电路，将陷波器电路的中心频率设为5 0 h z 。 2 3 方案论证及系统的设计思路 根据对心电信号的特征以及噪声等各个方面的分析，本文设计出了两种方案 并对这两种方案进行了分析比较，确定了最终方案。 8 心电信号远程监测系统的研究与设计 2 3 1基于模拟调制解调的心电信号远程监测系统 设计基于模拟调制解调的心电远程监测系统是本系统的方案一，该设计和实 验目的就是将微弱的心电信号放大，滤除干扰，并调制到音频上，转换为声音， 以便通过电话线传输到医院，为紧急救助、远程诊断、院外监护提供条件1 9 1 。 医院在收到电话线传输过来的信号后，经过解调、数据采集并用计算机进行 存储、显示，从而医生能够及时的诊断，该方式为模拟信号传输方式。其系统框 图如下图所示： 信号调理电路 心率测量il 报警 及显示h 电路 不 印 盘 图2 3 接收及处理部分框图 利用电话线来传输心电图的监护设备可以使患者随时将自己的心电信号传输 到监护中心，具有机动灵活的特点，既弥补了心电图的不足，又实现了实时监护。 携带这种装置的用户可以定期通过电话向医院监护中心传送自己的心电信号，也 可以在病情紧急时亲自或由他人协助将心电信号及时传送到医院，医护人员及时 获得病人发病时的心电信号，对其进行实时分析，并对病人进行指导治疗，为及 时抢救赢得宝贵时间，亦可用于医院对心脏病患者住院或出院后的随访诊断。使 用心电信号电话传输系统的患者可长期发挥即刻监护作用，及时为医护人员提供 诊断依据，该系统为远离医院的边远地区或山区农村及去医院困难的患者提供方 便的监护与服务，而且通过电话传输廉价方便，有较高的性能价格比。这一设备 在发达国家被广泛应用，近几年来我国也发展了自己的心电信号电话传输系统。 2 3 2 基于数字化的心电信号远程监测系统 数字化的心电信号远程监测系统优于模拟化方式传输的特点在于数字信号传 1斜一一 国= 一蛩一一 pr；。i l 一 号 信电 心 第二章课题的系统设计 9 输终端干扰小、信号可靠、信号处理能力强。目前广泛使用的是数字化的心电信 号远程监测系统，并且系统可以通过因特网和移动通讯网进行心电信号的传输。 随着因特网和移动通讯网等宏观基础设施的普及和发展，通信技术与手段的不断 进步，近年来心电信号远程监护系统正沿着网络化和无线移动监护两个方向快速 发展。另外，数字化的心电信号远程监测系统可以实现将前端用进行a d 转换后 的数字信号送入l c d 进行本地显示。 整个系统由三部分构成：心电信号采集部分、心电信号传输部分、心电信号 处理部分。结构框图如图2 4 所示。 心电 二一j 信号传输系统 图2 4 系统结构框图 其中心电信号采集部分由心电信号调理部分和心电信号模数转换及其控制部 分组成；心电信号传输部分是指将采集到的心电数据通过因特网传送到远端医院 监护中心；心电信号处理部分是指监护中心的软件系统对传送过来的心电信号进 行显示、打印、保存和传输等数据处理工作。整个系统的f p g a 控制部分具有对 患者进行心电信号采集、简单数据处理以及将数据上传至因特网等功能。根据接 入因特网的方式不同，系统有不同的设计方案，主要方式有p s t n 、以太网等几种。 p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，公用电话交换网) 覆盖面最广、接入 方式实现方便；以太网是目前使用最广泛的局域网技术，由于其低成本、可扩展 性强、与i p 网结合性强等优势，现在很多系统普遍采用以太网接入方式。对于无 线通信与因特网相结合的心电监护系统，目前应用非常广泛的主要有c d m a 、g s m 等无线移动通信技术实现心电信号远程监护仪。c d m a ( c o d ed i v i s o nm u l t i p l e a c c e s s ) 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 ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 技术不同，c d m a 并不给每一个通话者分配一个确定的 频率，而是让每一个通信者都使用全部的频率，使大量用户能够共享同一个无线 频率。系统具有容量大、建网成本低、配置灵活、频率规划简单、保密性好、发 1 0 心电信号远程监测系统的研究与设计 射功耗小、无线辐射能量低等特点。 基于普遍性及扩展性考虑，本系统以以太网传输的心电信号系统为例来实现 心电信号远程监测系统。 2 4 论文主要的研究工作和内容安排 本文研究了心电信号远程监测系统的设计与实现，并且在分析了心电信号的 特征基础上设计了心电信号远程监测系统的两种方案，在分别分析和比较了两种 方案的基础上选择了最优方案，并开发出了心电信号远程监测系统的硬件平台和 软件平台。系统可以随时随地采集人体的心电波形，并传送到医院监护中心，在 监护系统软件上显示病人心电波形的各种特征及可以实现数据共享功能，从而医 生可以及时的对病人的病情进行诊断，达到远程医疗的目的。 本文分为六章，六章的内容具体安排如下： 第一章为绪论，简要介绍了本课题所研究的目的和意义，心电信号监护系统 的发展状况及发展趋势。 第二章详细分析了心电信号的形成和特点，以及心电信号的噪声来源，并对 干扰和噪声的解决方法进行了总结。在此基础上，提出了模拟化传输和数字化传 输两种方案，并对两种方案进行比较，最终确定本系统的最优设计方案。 第三章分析了心电信号监测系统的硬件部分设计，包括模拟部分设计和数字 部分设计，并介绍了各个模块所使用的芯片及其硬件电路的具体设计。 第四章介绍了心电信号监测系统控制逻辑设计，是基于f p g a 的时钟控制模 块、a d c 转换控制模块和以太网控制模块的具体设计与实现。 第五章介绍了监测系统软件设计，包括心电信号处理部分、系统的软件界面 显示以及心电数据共享等方面的实现。 第六章对本系统的研究工作作出了总结，并指明了该课题的进一步研究方向。 2 5小结 本章主要介绍了心电信号的医学基础，在此基础上设计了模拟化和数字化两 种方案，并对其进行了比较论证，最后确定了本系统使用的方案，该方案是基于 f p g a 控制的以太网传输的心电信号远程监测系统。该系统具有成本低和便携等优 点，同时对本论文的研究工作和内容安排做了说明。 第三章心电信号远程监测系统的硬件设计 l l 第三章心电信号远程监测系统的硬件设计 该系统的硬件是指f p g a 控制的心电信号的采集，心电信号调理电路以及以 太网传输模块。前端采用标准导联采集人体的心电信号，通过电路板的信号调理 电路调理后送入a d ，利用硬件描述语言( v h d l ) 在f p g a 中设计a d 采样控 制器和以太网控制器，将信号通过a d 转换，并将转换后的数字信号通过以太网 传输到远端医院监护系统。其结构框图如图3 1 所示： 图3 1 硬件系统结构框图 图3 2 信号调理电路 3 1 模拟部分电路的设计 a d 输入 模拟部分实际上就是该系统中的信号调理电路部分，如图3 2 所示。它完成的 任务是心电信号的提取，主要由右腿驱动电路、前置放大电路、带通滤波电路、 输出放大电路和5 0 h z 陷波电路组成。 心电信号远程监测系统的研究与设计 3 1 1电极与心电图导联 ( 一) 电极 电极是用来摄取人体内各种生物电现象的金属导体，也称作引导电极。它的 阻抗，极化特性、稳定性等对测量的精确度影响很大。作心电图时选用的电极是 表皮电极，其原因是人体的心电波是可以传导到人体的表面的，这样就可以用电 极接触体表来检测该部位电位的情况，因此这样的电极叫做表皮电极。电极到目 前为止种类很多，按其形状来看，几种测量心电的常用电极有金属平板电极，吸 附电极，圆盘电极，悬浮电极，软电极和干电极。按其材料又分为有铜合金镀银 电极，镍银合金电极、锌银铜合金电极，不锈钢电极和银氯化银电极。除此之外， 还有体内电极和胎儿电极等等。 为了准确、方便地记录心电信号，要求电极( 传感器) 从离子导电变成电子 导电的电化学半电池反应的可逆性要好，因此，心电测量电极必须具有以下功能： 响应时间快，易于达到平衡。 阻抗低，信号衰减小，制造电极材料的电阻率低。 电位小而稳定，重现性好，漂移小，不易对生物电信号产生干扰，没有噪 声和非线性。 交流电流密度大，极化电压值小。 机械性能良好，不易擦伤和磨损，使用寿命长，见光时不易分解老化，光 电效应小。 电极和电解液对人体无害。 根据以上要求，目前国内外供临床广泛使用的电极为银氯化银电极。它是由 表面上镀有氯化银的银板或银丝放在含有氯离子的溶液中形成的【1 0 l ，是一种较为 理想的体表心电信号检测电极。使用时，电极片和皮肤之间充满导电膏或盐水棉 花，形成一薄层电解质来传递心电信号，从而有效的保证了由于电极片与皮肤直 接接触所造成的极化电压的减小。 ( - - - ) 心电图导联i 】 心脏去极、复极过程中产生的心电向量通过容积导电传至身体各部位，并产 生电位差，将两电极置于人体的任何两点与心电图机相连，就可描记出心电图。 这种放置电极并且与心电图机连接的线路，称为心电图导联( 1 e a d ) 。在一个心动 周围中记录的心脏综合电变化的图形，称为心电图( e c g ) 。它反映心脏的兴奋 地产生、传播、恢复的电位变化，发生于心脏机械收缩之前，与心脏的机械活动 并无直接关系。它可作为临床常规检查的指标，并且可用于了解整体心脏功能情 况的客观指标。所以导联的体位不同，记录出的图形也不同。一般来说，心电导 第三章心电信号远程监测系统的硬件设计 1 3 联分为标准导联( 双极肢体导联) 、单极肢体导联与加压肢体导联及心前导联。 1 标准导联 标准导联反映体表的心电变化分为3 导：i 导，左右二上肢相连。i i 导，右上 肢与左下肢相连。i i i 导，左下肢与左上肢相连。 科学家沃勒在1 8 8 7 年首先采用李普曼的毛细血管静电计成功测量人类的心电 图。他选择了5 个主要的电极位置：四肢和口腔。通过这种途径来充分降低连接 阻抗，因此增大了心电( e c g ) 信号。1 9 0 2 年，荷兰生理学家威廉姆因托分因 研究心电图机理和发明心电图描记器，获1 9 2 4 年度诺贝尔生理学或医学奖。同样 采用毛细管静电计进行心电测量，但是他主要贡献就在于应弦线式心电图机记录 的发明和应用，它的灵敏度远远超过先前的静电计，这个就是标准导联的雏形。 这一套导联方法之所以称为“标准导联”，并不是因为它比别的导联方式更为严谨、 科学，而是由于1 9 0 5 年e i n t h o v e n 在首创临床上描记心电图时就采用了这种方法， 即现在的i 、i i 、i i i 导联。e i n t h o v e n 把人的躯体简单地看作为一个导电性能均匀的 圆形平面，他根据这个假说选用了人体的三个肢体( 左、右上肢和左下肢) 作为 安装电极的位置，从而形成了这三个导联； ( 1 ) i 导联：正极接左上肢，负极接右上肢。 ( 2 ) i i 导联：正极接左下肢，负极接右上肢。 ( 3 ) i i i 导联：正极接左下肢，负极接左上肢。 2 单极肢体导联与加压肢体导联 在2 0 世纪4 0 年代，w i s o n 又发明了“单极导联”。后经改进形成了单极肢体 导联，即使左、右上肢和左下肢的三个电极各通过一个电阻并连接到一个点上， 该点称为中心点端，电位接近于零，与心电图机的负极相连，将右上肢、左上肢 和左下肢分别连接于心电图机的正极上，就得到了单极肢体导联v r 、v l 、v f 。 但是这样得到的电位幅度较低，不利于观察，g o l d b e r g e r 便创造了单极加压肢体导 联。其中探查电极( e x p l o r i n ge l e c t r o d e ) 接于正极，无干电极( i n d i f f e r e n te l e c t e o d e ) 接于负极。 ( 1 ) a v r 探查电极与右上肢连接，无干电极连接左上肢与左下肢。 ( 2 ) a v l 探查电极与左上肢连接，无干电极连接右上肢与左下肢。 ( 3 ) a v f 探查电极与左下肢连接，无干电极连接左上肢与右上肢。 3 心前导联 w i l s o n 在3 0 年代所倡导使用“单极心前导联”，即v 1 v 6 。这类导联的探查 电极距离心脏很近，能从不同角度反映心肌的电激动。 ( 1 ) v l ：胸骨右缘第四肋间。 ( 2 ) v 2 ：胸骨左缘第四肋间。 ( 3 ) v 3 ：v 2 及v 4 之中点。 心电信号远程监测系统的研究与设计 ( 4 ) v 4 ：左锁骨中线与第五肋间相交点。 ( 5 ) v 5 ：左腋前线与v 4 同一水平线相交处。 ( 6 ) v 6 ：左腋中线与v 4 同一水平相交处。 3 1 2 右腿驱动电路 通常情况人体从多个方面受5 0 h z 交流电压的影响，这样就会在心电信号检测 时，在信号中形成交流干扰，这种交流干扰常在几伏以上。为了消除这种交流干 扰，通常采用右腿驱动电路。该电路接线时电极经过电阻与放大器接地端相连， 这种接线方式能降低人体的共模电压。右腿驱动电路是心电信号提取中必需的一 个环节，它能够将5 0 h z 的工频干扰降低到1 一下【1 2 l ，而且不会将心电信号中的 5 0 h z 有用信号除去，与右腿接地的方法比较，右腿驱动技术对抑制交流干扰的效 果更好。右腿驱动电路如下图所示：图中c i = 1 1 t f ，r 2 = 1 0 l q ，r 3 = i m d 。右腿驱动 电路中我们所使用的芯片是o p l l 7 7 。o p l l 7 7 是a d 公司高精度、低噪声、低输入 偏置电流单运算放大器，它具有极低的失调电压与温漂、低输入偏置电流、低噪 声、低功耗等特点。对于1 0 0 0 p f 以上的电容负载，在没有外部补偿的情况下，其 输出稳定。在3 0 v 电源电压时，两个放大器的供电电流都小于5 0 0 i - t a 。其内置5 0 0 f 2 串行电阻器可以保护输入信号，允许输入信号电平高出电源电压若干伏特，并保 证无反相。 c l r 2 3 1 3 前置放大电路 图3 3 右腿驱动电路 由于心电信号十分微弱，而且因人而异，一般需要2 0 0 0 1 0 0 0 0 倍的放大器增 益，本题设计3 0 0 0 倍的放大倍数 9 1 。在一般信号放大的应用中通常使用差分放大 电路就可以满足要求。但是基本的差分放大电路精度较差，且在差分放大电路上 第三章心电信号远程监测系统的硬1 i ，l ：设计 1 5 改变放大增益时，必须调整两个电阻，整个信号放大精确度就更加难以控制。而 心电前置电路要求具有非常高的输入阻抗和共模抑制比( c m r r ) 、低零漂、低失 调、低功耗，因此，采用同相并联差动三运放仪表放大器，已获得良好的综合性 能，三运放仪用放大器电路如3 4 图所示，其增益表达式为： 以2 而1 4 0 = 警n i lu 1 2 去ui u22 惫 “，l 一“，2 一 。一d lk gj k 2 可见，调节r g ，即可调节增益值。 图3 4 三运放构成的仪用放大器电路 该级增益设为1 0 0 ，a l 、a z 的闭环增益为1 0 ，a 3 的闭环增益为1 0 ，各阻值如 上图所示。该芯片内部原理电路图如图3 4 ，仪表放大电路由三个放大器共同组成。 其中电阻因为仪用放大器有输入电阻大、共模抑制比高、增益调节方便等许多优 点，故采用仪用放大器作为输入级。 本设计采用美国a n a l o gd e v e i c e 公司的低成本、高精度仪表放大器a d 6 2 0 h 】， 仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为l 至1 0 ，0 0 0 。此外，a d 6 2 0 采用8 引脚s o i c 和d i p 封装，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低( 最大电源电流仅 1 3 m a ) ，因此非常适合电场供电的便携式( 或远程) 应用。a d 6 2 0 具有高精度( 最 大非线性度4 0 p p m ) 、低失调电压( 最大5 0 9 v ) 和低失调漂移( 最大0 6 9 v o c ) 的特征，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。它具有低噪声、 低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合e c g 和无创血压监测仪等医疗应用。 由于其输入级采用s u p e r 口e t a 处理，因此可以实现最大1 0 n a 的低输入偏置电流。 a d 6 2 0 在1 k h z 时具有9 n v h z 的低输入电压噪声，在0 1 h z 至1 0 h z 频带内的噪 声为0 2 8 9 v 峰峰值，输入电流噪声为0 1 p a h z ，因而作为前置放大器使用效果很 好。同时，a d 6 2 0 的0 0 1 建立时间为1 5 9 s ，非常适用多路复用应用；而且成本 很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计，十分适合于做心电信号的放大器， 其性能优于三运放组成的仪用放大器。该电路的增益计算公式为： 1 6 心电信号远程监测系统的研究与设计 么。小t 4 9 4 k q 式( 3 2 ) 。：494kf2r式( 3 3 )。= 式( 3 3 ) 6 么。一l 若要求放大倍数为1 0 0 ，则r g5 0 0 f 2 。 图3 5 为a d 6 2 0 封装脚位图。其中2 和3 脚为信号输入端。7 和4 脚为电源 端。6 脚为信号输出端。8 和l 脚为增益调节端，使用时需要接一电阻进行增益调 控，5 脚为参考电压端，在5 脚加一直流电压，则可改变输出端的直流电平，若5 脚接地，则输出直流电平为零。 r o i n + i n - v s 图3 5a d 6 2 0 封装脚位 输出端 l v m v 图3 6a d 6 2 0 的典型连接图 本文采用a d 6 2 0 作为前置放大，基本特点精确度高、使用方便、干扰小、应 用十分广泛，其典型连接图如图3 6 所示。上图中的右腿驱动电路主要是为了降低 甚至抵消共模电压，以达到较强的抑制5 0 h z 工频干扰的目的。总之，采用a d 6 2 0 作为前置放大器，可以达到良好的电路效果。 p s r f 陆 愀 叫 | 萋 第三章心电信号远程监测系统的硬件设计 1 7 3 1 4 带通滤波电路 心电信号取自人体，在心电采集的过程中不可避免地会混入一些干扰信号。 而人体心电信号是一种低频率的弱小信号，为了减少噪声对心电信号的影响，需 要对采集到的心电信号做降噪处理。常规心电信号的频带范围是0 0 5 h z 1 0 0 h z ， 在此频带范围内包含了心电信号的主要能量成分。正常的心电信号是m v 级信号， 对于干扰环境而言属于微弱小信号。因此，系统设计了通带频率为0 0 5 h z 1 0 0 h z 的带通滤波电路，将心电信号从有用的成分中提取出来。 这种滤波器的设计属于模拟滤波器的设计，在设计模拟滤波器时，首先要根 据要求确定模拟滤波器的性能指标，模拟滤波器的性能指标是指模拟滤波器所要 满足的性能要求，即频响特性，通常以模拟滤波器的幅频特性给出。这里要指出， 理想的滤波器是不存在的，模拟滤波器只能逼近理想模拟滤波器的频响特性。在 设计时，通常根据所用的近似逼近函数的不同，将