摘要: 針對(duì)現(xiàn)代醫(yī)療的新要求, 設(shè)計(jì)了一種基于GPRS 的遠(yuǎn)程心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)終端。該監(jiān)護(hù)終端能采集人體心電信號(hào)并實(shí)時(shí)發(fā)送, 從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的無線實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。介紹了系統(tǒng)原理和總體方案, 著重闡述了監(jiān)護(hù)終端的硬件設(shè)計(jì)以及相應(yīng)單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。

    在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中, 心電信號(hào)是診斷心血管疾病的重要依據(jù)。傳統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)設(shè)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(hù)設(shè)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(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的回放而不是實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)?；跓o線通信的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)給了患者較大的活動(dòng)自由, 用戶可以不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制, 隨時(shí)隨地得到醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心的監(jiān)護(hù), 在出現(xiàn)緊急情況時(shí)可以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并救治。美國、澳大利亞和歐洲一些國家進(jìn)行了遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)的研究, 部分公司還推出了相應(yīng)的監(jiān)護(hù)儀[1] , 國內(nèi)也有部分高校和研究單位進(jìn)行了相關(guān)的研究工作, 取得了一定成果, 但并未開發(fā)出成熟、實(shí)用的系統(tǒng)。

    這里利用業(yè)已成熟的GPRS 技術(shù)設(shè)計(jì)了一種便攜式遠(yuǎn)程心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)終端, 克服了Holter 只能用于回放分析的缺點(diǎn), 可以對(duì)患者心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。下面詳細(xì)介紹該監(jiān)護(hù)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述
    基于GPRS 的遠(yuǎn)程心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。它主要包括兩部分: 心電監(jiān)護(hù)終端和醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心?；颊唠S身攜帶的監(jiān)護(hù)終端由它上面的無線模塊通過GPRS 無線基站接入GPRS 網(wǎng)絡(luò), 再通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)連接因特網(wǎng)上的監(jiān)護(hù)中心服務(wù)器。監(jiān)護(hù)終端采集并處理患者的心電信號(hào), 所得到的心電數(shù)據(jù)通過該鏈路傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)中心服務(wù)器上, 并由服務(wù)器上的心電分析軟件進(jìn)行分析,醫(yī)生則根據(jù)軟件分析結(jié)果及自己的判斷來給患者適當(dāng)?shù)尼t(yī)囑, 必要時(shí)采取相應(yīng)的救治措施。
 
    本文只介紹監(jiān)護(hù)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn), 服務(wù)器端的心電綜合分析軟件這里不再贅述。

2 監(jiān)護(hù)終端硬件設(shè)計(jì)
    監(jiān)護(hù)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(jī)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(hào)的主要頻率范圍為0.05～100Hz, 幅值范圍為0.5～5mV。心電信號(hào)中通常混雜有其他生物電信號(hào), 還容易受到以50Hz 工頻干擾為主的電磁信號(hào)干擾,因此對(duì)心電信號(hào)的檢測(cè)屬于強(qiáng)噪聲背景下低頻微弱信號(hào)的檢測(cè)。為得到適合于臨床應(yīng)用的干凈心電信號(hào), 必須對(duì)心電信號(hào)進(jìn)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(hào)十分微弱,且存在許多干擾信號(hào), 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(diào)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(yīng), 使電極之間存在連續(xù)的電位差, 為避免該電位差經(jīng)過放大后造成后級(jí)電路飽和, 前置放大器的增益設(shè)置為5。信號(hào)需放大至數(shù)伏量級(jí)才能滿足A/D 轉(zhuǎn)換的要求, 因此設(shè)置次級(jí)放大的增益為200。這里采用了具有寬增益、低失調(diào)電壓和漂移、低噪聲的運(yùn)算放大器OPA335。兩級(jí)放大后的總增益為1000, 符合要求。
    心電信號(hào)中常混有低頻和直流干擾, 其中, 由于金屬電極、導(dǎo)電介質(zhì)和皮膚之間的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的直流偏壓是主要干擾成分, 因此設(shè)計(jì)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(yīng)地, 高頻干擾信號(hào)通過一個(gè)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(yùn)算放大器生成的共模電壓使共模信號(hào)反相, 經(jīng)限流電阻回送至人體來抑制50Hz工頻干擾。反相共模信號(hào)通過右腿驅(qū)動(dòng)電極回送至人體, 這對(duì)50Hz 工頻干擾而言是一種深度負(fù)反饋, 因而可以有效加以抑制[3]。
    實(shí)驗(yàn)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(dǎo)聯(lián)脫落或松動(dòng)而造成誤判, 還設(shè)計(jì)了導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)及報(bào)警電路。運(yùn)算放大器LM358 采用單電源供電時(shí)可接成跟隨器, 當(dāng)其同相端處于懸空狀態(tài)時(shí)會(huì)輸出穩(wěn)定的高電平。導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路就是利用LM358 的這一特性而設(shè)計(jì)的。

2 .2 主控單片機(jī)模塊
    主控單片機(jī)采用PIC16F877A 單片機(jī)。該單片機(jī)可在線調(diào)試和編程, 便于開發(fā), 而且功耗很低, 適合應(yīng)用于對(duì)功耗敏感的場(chǎng)合。主控單片機(jī)主要完成心電信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換并與GPRS 模塊進(jìn)行通信, 還負(fù)責(zé)外擴(kuò)Flash 存儲(chǔ)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘的管理。
    PIC16F877A 單片機(jī)具有10 位片內(nèi)A/D 轉(zhuǎn)換器, 其工作方式和轉(zhuǎn)換結(jié)果存放格式通過寄存器ADCON0 和ADCON1 進(jìn)行設(shè)置, A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果則存于寄存器ADRESH 和ADRESL 中[4]。在本設(shè)計(jì)中, 選擇系統(tǒng)時(shí)鐘作為A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)鐘, RA0 作為模擬輸入通道。轉(zhuǎn)換結(jié)果格式為左對(duì)齊, 即高8 位存于ADRESH 中, 低2 位存于ADRESL 中。考慮到A/D 轉(zhuǎn)換本身存在的誤差以及壓縮無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)量的要求, 在設(shè)計(jì)中忽略ADRESL 寄
存器中的數(shù)據(jù), 即只采用轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8 位。系統(tǒng)中心電信號(hào)的采樣頻率為500Hz, 采用定時(shí)器TMR0 完成2ms 定時(shí)。
    單片機(jī)片外擴(kuò)展了4MB Nand Flash 存儲(chǔ)器, 用于暫存心電數(shù)據(jù), 經(jīng)過一定時(shí)間后由無線模塊集中發(fā)送, 用戶也可以選擇在A/D 轉(zhuǎn)換后不經(jīng)存儲(chǔ)就直接發(fā)送。在心電監(jiān)護(hù)中, 醫(yī)生常要求知道心電信號(hào)出現(xiàn)異常的時(shí)間, 因此使用DS1302設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。

2 .3 GPRS 無線模塊
    GPRS 無線模塊采用Wavecom 公司的WISMO QuikQ2406B。該模塊工作頻帶為雙頻EGSM 900/GSM1800MHz 或GSM 850/GSM 1900MHz, 支持GPRS 多時(shí)隙class 10, 可提供語音、數(shù)據(jù)、傳真和短信息服務(wù)功能。模塊射頻部分和基帶部分可共用一個(gè)電源, 電壓范圍為3.3V～4.5V[5]。模塊基帶部分內(nèi)嵌了GSM/GPRS 協(xié)議棧,是否嵌入TCP/IP 協(xié)議?？捎捎脩暨x擇。根據(jù)系統(tǒng)需要,這里選擇了內(nèi)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(jī)對(duì)無線模塊的控制通過無線模塊主串口實(shí)現(xiàn)。無線模塊提供了一個(gè)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(fù)用的DCD 和RI 信號(hào)接口。為節(jié)省單片機(jī)引腳資源, 在設(shè)計(jì)中將無線模塊的CTS 和RTS 短接, TX、RX 引腳分別與單片機(jī)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(jī)發(fā)送AT 命令和心電數(shù)據(jù)給無線模塊, 無線模塊則將響應(yīng)信息發(fā)送給單片機(jī), 從而完成單片機(jī)對(duì)無線模塊的狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)發(fā)送。無線模塊提供了與SIM卡相關(guān)的信號(hào)接口, SIMVCC 為SIM 卡供電, SIMRST 為低時(shí)使SIM 卡復(fù)位, SIMCLK 提供時(shí)鐘信號(hào), SIMDATA 用來實(shí)現(xiàn)與SIM 卡的數(shù)據(jù)通信, SIMPRES 用來檢測(cè)SIM 卡是否插入。其中, SIMPRES 信號(hào)接口可以不使用, 如果不用則將其與VCC 相連[5]。為調(diào)試和使用方便, 在設(shè)計(jì)中還提供了GPRS 連接狀態(tài)指示燈和硬件復(fù)位電路。
 
2 .4 電源模塊
     系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)連續(xù)24 小時(shí)心電監(jiān)護(hù), 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(jī)、儀表放大器、運(yùn)算放大器等芯片的電源電壓應(yīng)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(chǎn)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(shè)計(jì)4V 和5V 電源電路, 4V電源電路的驅(qū)動(dòng)電流接近2A。系統(tǒng)還使用RT9501 設(shè)計(jì)了鋰電池的充電電路, 當(dāng)電路板連接外部電源時(shí), 將由外部電源為系統(tǒng)供電, 同時(shí)為鋰電池充電。此外, 還用RT9801 設(shè)計(jì)了低壓報(bào)警電路, 在電池電量不足時(shí)及時(shí)提醒用戶為電池充電或更換電池。Q2406B 無線模塊使用了一個(gè)接收端口和一個(gè)發(fā)送端口, 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)電
流約為150mA, 而1 秒內(nèi)只需發(fā)送500 字節(jié)數(shù)據(jù), 即大部分時(shí)間并不處于數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài), 所以其平均電流只有幾十毫安。用直流電源對(duì)電路板進(jìn)行供電, 發(fā)現(xiàn)電路板的平均電流約為90mA。長時(shí)間測(cè)試表明, 電源模塊工作穩(wěn)定, 可以保證約24 小時(shí)的連續(xù)心電監(jiān)護(hù)。

3 監(jiān)護(hù)終端軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)中單片機(jī)的主要任務(wù)是完成心電信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換并與GPRS 無線模塊進(jìn)行通信以完成數(shù)據(jù)傳輸。本文只對(duì)這部分的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)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(shè)置為串口輸出,RC7 設(shè)置為串口輸入, 波特率設(shè)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(zhuǎn)換的時(shí)鐘及其頻率、模擬輸入通道、轉(zhuǎn)換結(jié)果的對(duì)齊方式等, 定時(shí)器0 的初始化主要是選擇定時(shí)器的分頻比。然后單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的AT 命令給GPRS 無線模塊, 使其進(jìn)入數(shù)據(jù)狀態(tài)( 具體AT 命令從略) 。完成單片機(jī)和GPRS 無線模塊初始化后, 單片機(jī)即以500Hz 采樣頻率對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行采樣, 并通過GPRS 無線模塊向外發(fā)送心電數(shù)據(jù), 該過程不斷地循環(huán)。當(dāng)監(jiān)護(hù)結(jié)束時(shí)可以通過發(fā)送Ctrl+z( 0x1a ) 使GPRS 無線模塊退出數(shù)據(jù)狀態(tài), 然后通過AT 命令將其關(guān)閉。
    監(jiān)護(hù)終端在深圳、北京、長沙等地已進(jìn)行了約兩個(gè)月的測(cè)試, 整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠, 并結(jié)合軟件組同學(xué)開發(fā)的心電綜合分析軟件完成了心電信號(hào)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(nèi)科主任醫(yī)師的好評(píng)。但測(cè)試中發(fā)現(xiàn)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)較為繁忙的時(shí)段, 心電數(shù)據(jù)的傳輸速度會(huì)有所下降, 導(dǎo)致心電綜合分析軟件中顯示的心電波形有時(shí)會(huì)不連續(xù), 可以考慮在數(shù)據(jù)發(fā)送策略、波形顯示方式等方面做進(jìn)一步的改進(jìn)。