摘 要： 針對現(xiàn)代醫(yī)療的新要求，設計了一種基于GPRS的遠程心電" title="心電">心電實時監(jiān)護" title="實時監(jiān)護">實時監(jiān)護終端。該監(jiān)護終端能采集人體心電信號" title="心電信號">心電信號并實時發(fā)送，從而實現(xiàn)真正意義上的無線實時監(jiān)護。介紹了系統(tǒng)原理和總體方案，著重闡述了監(jiān)護終端的硬件設計以及相應單片機的軟件設計。
關鍵詞： 心電 GPRS 單片機 無線實時監(jiān)護
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在現(xiàn)代醫(yī)學中，心電信號是診斷心血管疾病的重要依據。傳統(tǒng)的心電監(jiān)護設備在心血管疾病的診斷與治療中起到了很重要的作用，但這一類監(jiān)護設備一般只能在醫(yī)院里使用，而可以隨身攜帶的Holter又只能實現(xiàn)心電信號的回放而不是實時監(jiān)護?；跓o線通信的遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)給了患者較大的活動自由，用戶可以不受時間、地點的限制，隨時隨地得到醫(yī)院監(jiān)護中心的監(jiān)護，在出現(xiàn)緊急情況時可以被及時發(fā)現(xiàn)并救治。美國、澳大利亞和歐洲一些國家進行了遠程心電監(jiān)護的研究，部分公司還推出了相應的監(jiān)護儀[1]，國內也有部分高校和研究單位進行了相關的研究工作，取得了一定成果，但并未開發(fā)出成熟、實用的系統(tǒng)。
這里利用業(yè)已成熟的GPRS技術設計了一種便攜式遠程心電實時監(jiān)護終端，克服了Holter只能用于回放分析的缺點，可以對患者心電信號進行實時監(jiān)護。下面詳細介紹該監(jiān)護終端的設計與實現(xiàn)。
1 監(jiān)護系統(tǒng)設計概述
基于GPRS的遠程心電實時監(jiān)護系統(tǒng)示意圖如圖1所示。它主要包括兩部分：心電監(jiān)護終端和醫(yī)院監(jiān)護中心?；颊唠S身攜帶的監(jiān)護終端由它上面的無線模塊" title="無線模塊">無線模塊通過GPRS無線基站接入GPRS網絡，再通過GPRS網絡連接因特網上的監(jiān)護中心服務器。監(jiān)護終端采集并處理患者的心電信號，所得到的心電數據通過該鏈路傳輸到監(jiān)護中心服務器上，并由服務器上的心電分析軟件進行分析，醫(yī)生則根據軟件分析結果及自己的判斷來給患者適當的醫(yī)囑，必要時采取相應的救治措施。
本文只介紹監(jiān)護終端的設計與實現(xiàn)，服務器端的心電綜合分析軟件這里不再贅述。
2 監(jiān)護終端硬件設計
監(jiān)護終端硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示，它主要由以下幾部分組成：心電采集模塊、主控單片機模塊、GPRS無線通信模塊和電源模塊。
2.1 心電采集模塊
人體心電信號的主要頻率范圍為0.05～100Hz，幅值范圍為0.5～5mV。心電信號中通?；祀s有其他生物電信號，還容易受到以50Hz工頻干擾為主的電磁信號干擾，因此對心電信號的檢測屬于強噪聲背景下低頻微弱信號的檢測。為得到適合于臨床應用的干凈心電信號，必須對心電信號進行合理的放大和濾波處理，其原理框圖如圖3所示。
由于人體皮膚阻抗比較大，而心電信號十分微弱，且存在許多干擾信號，因此前置放大器采用了具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低輸入偏置電流、低失調電壓和漂移、在低增益條件下具有穩(wěn)定性的儀表放大器INA326[2]。人體皮膚和電極之間存在原電池效應，使電極之間存在連續(xù)的電位差，為避免該電位差經過放大后造成后級電路飽和，前置放大器的增益設置為5。信號需放大至數伏量級才能滿足A/D" title="A/D">A/D轉換的要求，因此設置次級放大的增益為200。這里采用了具有寬增益、低失調電壓和漂移、低噪聲的運算放大器OPA335。兩級放大后的總增益為1000，符合要求。
心電信號中常混有低頻和直流干擾，其中，由于金屬電極、導電介質和皮膚之間的化學反應而產生的直流偏壓是主要干擾成分，因此設計了截止頻率為0.1Hz的二階高通濾波器來濾除這部分干擾。相應地，高頻干擾信號通過一個截止頻率為100Hz的二階低通濾波器予以濾除。此外，采用由輔助運算放大器生成的共模電壓使共模信號反相，經限流電阻回送至人體來抑制50Hz工頻干擾。反相共模信號通過右腿驅動電極回送至人體，這對50Hz工頻干擾而言是一種深度負反饋，因而可以有效加以抑制[3]。
實驗表明，該采集方案所得到的心電波形毛刺少，基線漂移很小，具有良好的效果。
為防止導聯(lián)脫落或松動而造成誤判，還設計了導聯(lián)脫落檢測及報警電路。運算放大器LM358采用單電源供電時可接成跟隨器，當其同相端處于懸空狀態(tài)時會輸出穩(wěn)定的高電平。導聯(lián)脫落檢測電路就是利用LM358的這一特性而設計的。
2.2 主控單片機模塊
主控單片機采用PIC16F877A單片機。該單片機可在線調試和編程，便于開發(fā)，而且功耗很低，適合應用于對功耗敏感的場合。主控單片機主要完成心電信號A/D轉換并與GPRS模塊進行通信，還負責外擴Flash存儲器和實時時鐘的管理。
PIC16F877A單片機具有10位片內A/D轉換器，其工作方式和轉換結果存放格式通過寄存器ADCON0和ADCON1進行設置，A/D轉換結果則存于寄存器ADRESH和ADRESL中[4]。在本設計中，選擇系統(tǒng)時鐘作為A/D轉換時鐘，RA0作為模擬輸入通道。轉換結果格式為左對齊，即高8位存于ADRESH中，低2位存于ADRESL中?？紤]到A/D轉換本身存在的誤差以及壓縮無線模塊發(fā)送數據量的要求，在設計中忽略ADRESL寄存器中的數據，即只采用轉換結果的高8位。系統(tǒng)中心電信號的采樣頻率為500Hz，采用定時器TMR0完成2ms定時。
單片機片外擴展了4MB Nand Flash存儲器，用于暫存心電數據，經過一定時間后由無線模塊集中發(fā)送，用戶也可以選擇在A/D轉換后不經存儲就直接發(fā)送。在心電監(jiān)護中，醫(yī)生常要求知道心電信號出現(xiàn)異常的時間，因此使用DS1302設計了實時時鐘電路。
2.3 GPRS無線模塊
GPRS無線模塊采用Wavecom公司的WISMO Quik Q2406B。該模塊工作頻帶為雙頻EGSM 900/GSM 1800MHz或GSM 850/GSM 1900MHz，支持GPRS多時隙class 10，可提供語音、數據、傳真和短信息服務功能。模塊射頻部分和基帶部分可共用一個電源，電壓范圍為3.3V～4.5V[5]。模塊基帶部分內嵌了GSM/GPRS協(xié)議棧，是否嵌入TCP/IP協(xié)議棧可由用戶選擇。根據系統(tǒng)需要，這里選擇了內嵌TCP/IP協(xié)議棧的模塊。
GPRS無線模塊硬件連接如圖4所示。單片機對無線模塊的控制通過無線模塊主串口實現(xiàn)。無線模塊提供了一個符合V24協(xié)議的6線主串行接口，包括TX、RX、RTS、CTS、DTR、DSR等，此外還提供了與通用I/O口復用的DCD和RI信號接口。為節(jié)省單片機引腳資源，在設計中將無線模塊的CTS和RTS短接，TX、RX引腳分別與單片機的RC6、RC7引腳相連，其余無線模塊主串口引腳則不使用。單片機發(fā)送AT命令和心電數據給無線模塊，無線模塊則將響應信息發(fā)送給單片機，從而完成單片機對無線模塊的狀態(tài)控制和數據發(fā)送。無線模塊提供了與SIM卡相關的信號接口，SIMVCC為SIM卡供電，SIMRST為低時使SIM卡復位，SIMCLK提供時鐘信號，SIMDATA用來實現(xiàn)與SIM卡的數據通信，SIMPRES用來檢測SIM卡是否插入。其中，SIMPRES信號接口可以不使用，如果不用則將其與VCC相連[5]。為調試和使用方便，在設計中還提供了GPRS連接狀態(tài)指示燈和硬件復位電路。
2.4 電源模塊
系統(tǒng)需要實現(xiàn)連續(xù)24小時心電監(jiān)護，普通容量的電池難以滿足要求，因此選擇了3.7V 2400mAh的可充電鋰電池為系統(tǒng)供電。系統(tǒng)中單片機、儀表放大器、運算放大器等芯片的電源電壓應為5V，Q2406B無線模塊的電源電壓范圍為3.3V～4.5V，所以必須采用不同的電壓產生電路來滿足不同的電源電壓要求。本系統(tǒng)使用RichTek公司的RT9278來設計4V和5V電源電路，4V電源電路的驅動電流接近2A。系統(tǒng)還使用RT9501設計了鋰電池的充電電路，當電路板連接外部電源時，將由外部電源為系統(tǒng)供電，同時為鋰電池充電。此外，還用RT9801設計了低壓報警電路，在電池電量不足時及時提醒用戶為電池充電或更換電池。Q2406B無線模塊使用了一個接收端口和一個發(fā)送端口，進行數據傳輸時電流約為150mA，而1秒內只需發(fā)送500字節(jié)數據，即大部分時間并不處于數據傳輸狀態(tài)，所以其平均電流只有幾十毫安。用直流電源對電路板進行供電，發(fā)現(xiàn)電路板的平均電流約為90mA。長時間測試表明，電源模塊工作穩(wěn)定，可以保證約24小時的連續(xù)心電監(jiān)護。
3 監(jiān)護終端軟件設計
系統(tǒng)中單片機的主要任務是完成心電信號的A/D轉換并與GPRS無線模塊進行通信以完成數據傳輸。本文只對這部分的軟件設計進行介紹。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。
串口工作于異步串行方式，RC6設置為串口輸出，RC7設置為串口輸入，波特率設置為9600bps，這足以滿足系統(tǒng)需求。ADC模塊的初始化主要是選擇A/D轉換的時鐘及其頻率、模擬輸入通道、轉換結果的對齊方式等，定時器0的初始化主要是選擇定時器的分頻比。然后單片機發(fā)送相應的AT命令給GPRS無線模塊，使其進入數據狀態(tài)(具體AT命令從略)。完成單片機和GPRS無線模塊初始化后，單片機即以500Hz采樣頻率對心電信號進行采樣，并通過GPRS無線模塊向外發(fā)送心電數據，該過程不斷地循環(huán)。當監(jiān)護結束時可以通過發(fā)送Ctrl+z(0x1a)使GPRS無線模塊退出數據狀態(tài)，然后通過AT命令將其關閉。
監(jiān)護終端在深圳、北京、長沙等地已進行了約兩個月的測試，整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，并結合軟件組同學開發(fā)的心電綜合分析軟件完成了心電信號的采集、發(fā)送、接收、分析、診斷，其效果得到了深圳市部分三甲醫(yī)院心內科主任醫(yī)師的好評。但測試中發(fā)現(xiàn)在移動網絡較為繁忙的時段，心電數據的傳輸速度會有所下降，導致心電綜合分析軟件中顯示的心電波形有時會不連續(xù)，可以考慮在數據發(fā)送策略、波形顯示方式等方面做進一步的改進。
參考文獻
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3 呂英俊,楊 雪.便攜式醫(yī)療監(jiān)護儀的研制.儀器儀表學報,2005;26(8)
4 李學海. PIC單片機實用教程——提高篇.北京:北京航空航天大學出版社, 2002
5 Q2406 and Q2426 Product Specification. Wavecom Corporation, 2003