基于GPRS的便攜式無線心電監護儀的設計

戴真楨

（浙江省立同德醫院 設備科，浙江杭州 310012）

基于GPRS的便攜式無線心電監護儀的設計

戴真楨

（浙江省立同德醫院 設備科，浙江杭州 310012）

將心電圖儀和無線傳輸模塊GPRS集成，設計一種便攜式無線心電監護儀，實現對心臟病人的實時監護。

便攜式心電監護儀；遠程監護；GPRS

TH772+.2

A

0 前言

21世紀我國將面臨人口眾多、交通擁擠、醫院容量有限等一系列嚴重的社會問題，遠程醫療技術的發展已成為醫療領域的熱門話題，它可望為我們提供一個緩解上述問題的有效途徑[1]。我們知道人體心臟是疾病的高發部位，心臟病是威脅人生命安全的一種常見病癥，它可能在沒有任何前期反應時突然發作。在1999年全球因心臟疾病而死亡的比率為30%[2]，特別是一些老年人，一般患有慢性疾病，心臟狀況需要監控。隨著科技的不斷創新發展，國內外已經研制出許多種可移動心電監護儀，但是這些心電監護儀大多數是點式可移動設備，是最簡單的遠程醫療形式，其工作原理是：在特定時間或按下信號按鈕“時間記錄”后，對病人進行記錄，然后通過公共電話網絡(Public telephone network，PTN)將這些記錄傳送到控制中心[3、4]。考慮到許多病人發病不是在特定時期內，病人需要進行不間斷監護，我們決定結合當前移動通信系統，研究一種新型的基于GPRS通信的心電監護儀。這種新型的心電監護儀具有很大的潛力[5-7,8]，能夠實現病人的實時監護，在情況危急時可以及時聯系醫療服務中心。

1 系統設計

無線心電監護儀由心電信號采集部分、MCU控制部分、人機接口部分（鍵盤和LCD）、無線通信部分、電源部分等組成。無線心電儀系統結構如圖1所示。

圖1 整體功能框圖

無線心電監護儀的工作原理如下：人體心電信號經過導聯電極由低噪聲、高輸入阻抗、高增益、高共模抑制比的生物信號前置放大器進行放大和濾波，由單片機自帶的A/D轉換器將模擬心電信號轉換成數字信號，并檢測QRS波統計心率。發射模塊配備了按鍵輸入；段碼LCD顯示屏顯示心率和模塊工作情況。心電數據通過GPRS無線模塊傳輸給遠程服務器進行后續處理。

1.1 心電信號采集與調理

1.1.1 心電信號前置放大

可采集的心電信號是心臟的動作電位產生的。心壁收縮產生的動作電位將電流從心臟傳遍全身，傳播電流在身體的不同位置產生不同的電位，可由電極通過使用金屬和鹽制成的生物變送器在表皮感應到。此電位是一種帶寬為 0.05Hz～100Hz（有時高達 1kHz）的 AC 信號。存在更大的外部高頻噪聲加 50Hz/60Hz 干擾的正常模式（與電極信號混合）和共模電壓（所有電極信號共有）時，它的峰至峰值一般約為1mV。

共模電壓部分由兩個部分組成：①50Hz 或 60Hz 干擾；② DC 電極偏移電位。生物物理帶寬范圍內的其它噪音或更高頻率來自移動偽像，移動偽像會改變皮膚電極接口、肌肉收縮或肌電圖峰值、呼吸（可以是有節奏的或無節奏的）、電磁干擾 (EMI) 以及源自輸入耦合的其它電子器件的噪聲。有些噪聲可借助高輸入阻抗儀器放大器 (INA)消除，這種放大器可消除兩種輸入常見的 AC 線路噪聲，并放大輸入中存在的剩余不規則信號；共模抑制比(CMRR)越高，噪聲抑制就越高。

儀表放大器基本要求：低增益下的穩定性（G為1～10）高共模抑制 (CMR) 低輸入偏置電流 (IB)。 在此要求下，選擇使用ANALOG DEVICES公司的儀表放大器AD8221。

AD8221主要有如下特點：具有優異的交流特性，共模抑制比高，當G為1V/V時，共模抑制比最小為80dB；優異的直流特性，最大輸入失調電壓為25μV；最大輸入失調電壓溫漂為0.3μV/℃；最大失調電流為0.4nA；噪聲非常低，在頻率為0.1Hz～10Hz時，僅有0.25μV的輸入噪聲；增益可由單一電阻進行控制為1～1000V/V。由于AD8221具有低失調電壓、低失調電壓溫漂、低增益漂移、高增益精度等特點可廣泛用于精確數據采集、生物醫學信號分析和航空航天儀器系統中。

1.1.2 心電信號二級放大與濾波

因為人體的個性差異及導聯粘貼的位置不同，采集到的心電信號幅值會有較大差異，所以通過數字電位器控制前置放大的放大倍數，使放大后的心電信號有較一致的幅值。數字電位器選用MAXIM的MAX5413，電阻大小在0～10kΩ可編程控制。

運算放大器選用TI的OPA2348，OPA2348是2運放，OPA2348具有以下特點：45μA供電電流，軌到軌輸入輸出，2.1到5.5V供電，封裝尺寸也很小，可應用于電池供電的便攜式醫療儀器中。使用OPA2348的一顆運放做二級放大和低通濾波，另一顆運放做高通濾波，保留.05～100Hz的心電信號。1.2 處理器（MSP430F449）

MSP430通過自帶的ADC采集心電數據，監控電源，處理按鍵輸入，驅動LCD顯示，驅動無線模塊完成無線通信。根據系統的需要和成本的考慮，選擇MSP430F449。

處理器選擇使用TI的MSP430X4XX系列低功耗微處理器。我們選擇使用MSP430F449，具有60K Flash，2K RAM，工作電壓為 1.8～3.6V，包含集成的 LCD 控制器，在工作模式下電流<1mA，在睡眠模式下電流僅僅有1μA，是手持的低功耗測量和醫療儀器應用的理想選擇。

系統使用MSP430F449的12-Bit A/D 轉換器（內部參考電壓、采樣保持和自動掃描）采集調理好的心電信號，采用單通道、單次轉換和定時器觸發的工作方式對心電信號進行模數轉換，采樣頻率設置為512 Hz。

使用定時器按采樣頻率的速度在LCD上描點并連接就能得到心電波形。可以看到，原始數據的波形還是帶有一些高頻噪聲（如圖2），采用FIR低通濾波濾除高頻噪聲后能夠得到很干凈的心電波形數據（如圖3）。最后使用FIR高通濾波，去掉基線漂移可能引起的誤差后，使用閾值探測和時間窗口得到每分鐘的心率數據（如圖4）。

圖2 原始數據

圖3 FIR低通濾波后數據

圖4 FIR高通濾波后數據

1.3 無線發射模塊

微處理器采集的心電數據通過GPRS模塊發射到遠程服務器。微處理器與無線模塊的物理接口為RS232，通過AT命令控制GPRS模塊的應用。 無線模塊采用Sony Ericsson的GR47作為主芯片。很多GSM模塊可以通過GSM/GPRS直接接入互聯網，如果模塊上沒有TCP/IP協議棧，它則必須在其應用或外圍的微處理器中體現。索尼愛立信GR47/48模塊正是一種內置TCP/IP協議棧的模塊之一，為開發基于GSM/GPRS網的TCP/IP應用提供了一套完整工具。其機對機通信商業解決方案(M2mpower Business Solution)是一個強有力的支持環境，專為促進提高成本效益比率的無線機對機應用的研發而設計。M2mpower使開發者通過運用特定的開發工具，能夠更容易地將無線應用直接嵌入兼容的索尼愛立信機對機產品中。M2mpower與可編程無線器件GR47/48一同被引入，其腳本語言是建立在工業級ANSI C語言的基礎之上，使開發者將現有的應用可以平滑地轉換到M2mpower。

GR47/48模塊具有的功能：其TCP/UDP會話可以通過一個命令啟動；它還提供為統一資源定位器(URL)查詢IP地址的功能；最有用的特點之一是IP服務器偵聽功能，該功能允許通信模塊啟動與網絡的對話，例如，一個被分配的IP地址無需連接任何部分，只要等待該單元接收一個基于IP的連接引入請求，即可實現。

1.4 電源管理

由于GPRS通信消耗較大電流，所以無線心電儀采用三節NiMH電池輸入。電源管理部分，選用TI的BQ2002T NiMH電池充電管理芯片實現充電功能；選用TI的TPS61026輸出3.3V電源，使用MAX1687得到負電源軌。

BQ2002T是TI公司的低價格、CMOS的電池充電管理芯片，能為多節NiMH或NiCd電池充電。TPS61026是TI公司的DCDC，具有96%的效率，輸入電壓0.9～5.5V，輸出電壓為3.3V時，最大輸出電流為1.5A，滿足GPRS通信的需要。

2 結論及展望

本文介紹了基于GPRS的一種便攜式心電監護儀的設計，它將心電圖儀、高效的數據處理模塊、GPRS調制解調器集中在一起。其優點：

(1) 它可對病人進行方便、安全、可靠的全程監護。無線通訊采用GPRS網絡，它具有永遠在線的特點。無論何時病人感覺不適或心律異常，他的心電圖信號都會被傳到醫療中心加以分析。而以前的心電監護儀是無法實現實時監控的功能的。

(2) 通過這種新型儀器，在接收端,一個監護站可以同時監護多個不同的病人，可以大大提高醫療工作的效率，提高醫療資源的利用率。隨著科技的不斷發展,我們還可以將最新的移動通信技術3G標準引用到這個系統中來。這樣,可以大大提高數據傳輸的速度及抗干擾能力,使得監護效果不斷增強。

當然，這套系統還有許多的不足：

(1) 服務器端工作站軟件的設計還需不斷改進，尤其是對多用戶的同時監護及對被監護病人心電波形異常的報警。

(2) 在服務器端監護的醫生的支持還需加強。這套系統暫時只能做為臨床醫生的輔助工具，還不能代替醫生作出診斷。因此，服務器端醫生診斷能力的高低及對這套系統的掌握程度直接影響到系統功能的發揮。

(3) 這套系統是需要大量的配套設施支持的，以一個醫院為單位來運行這套系統，可能無法發揮它的最大功效。

在其他許多文章中，提到過以一個地區為單位建立一個遠程醫療監護中心，將這套系統歸為遠程醫療監護中心的一部分來運作，會有較好的效果。所有這些都是我們在下一步研究工作中要改進的地方。相信有一天無線心電監護能為人類戰勝心臟疾病做出重要的貢獻。

[1] 堯德中,李永杰,周山宏.生物醫學中的信息技術[J].電子科技大學學報,2001,2(3):33.

[2] 唐艷,湯井田.應用移動通訊技術設計心電監護系統[J].生物醫學工程學雜志,2006,23(5):1130.

[3] 安源,沙洪.電話傳輸式心電遠程監護系統的研制[J].醫療衛生裝備,2001,22(3):53.

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[6] Woodward B,Istepanian RH,Richards C.Design of telemedicine system using a mobile telephone[J].IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine,2001,5(1):13.

[7] Pattiches S,Kyriacou E.Wireless telemedicine systems an overview[J].IEEE Antenna's&Propagation Magazine,2002,44(1):143.

[8]梁妃學,等.面向過程醫療的生理監護系統[J].中國醫療設備,2008(6):11-13.

Design of a Portable Wireless Electrocardiogram(ECG) Monitor Based on GPRS

DAI Zhen-zhen
(Equipment Department, Zhejiang Provincial Tongde Hospital,Hangzhou Zhejiang 310012,China)

Design a portable wireless electro-cardiogram monitor by integrating electrocardiograph and wireless transmission module, and realized the real-time monitoring to cardiac patient.

portable wireless electrocardiogram monitor;remote monitoring;GPRS

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.02.008

1674-1633(2010)02-0021-03

2009-05-25

2010-01-07

作者郵箱：hzdzz@163.com