遠程無線心電監護系統的硬件設計

施敏敏，何學紅

（1.鹽城工學院 實驗教學部，江蘇 鹽城 224000；2.江蘇林洋電子股份有限公司 江蘇 啟東 226200）

隨著社會經濟的快速發展，人們生活水平日益提高，工作節奏不斷加快，心血管疾病已逐漸成為威脅人類生命安全的最主要疾病，而且發病率明顯上升，并呈低齡化趨勢。通過心電信號來發現并及時診治心血管疾病是降低發病率和死亡率的一個有效途徑。

利用當前迅猛發展并日趨成熟的電子技術、通信技術，設計開發一套操作簡單、攜帶方便、價格適宜的遠程心電監護系統具有很好的應用價值。患者可以隨時隨地對自己的心臟狀態進行監護，減輕了奔波勞累和經濟開支，節省了時間和社會醫療資源；患者在熟悉的環境中實時監測，提高了心電信號的準確性，從而為病情的發現和診治贏得絕對的時間；對于行動不便或自理能力較差的用戶實施遠程監護，遇到病情突變時能夠迅速報警，為患者提供及時的救助[1]。

1 系統整體結構

文中選擇以GPRS通信技術為平臺，設計了一套基于飛思卡爾DSC的遠程心電信號監護系統。該系統主要包括心電采集、數據傳輸和遠程監護軟件3個部分。整體框架如圖1所示。

圖1 系統整體框架Fig.1 System framework

心電信號采集模塊負責對患者的心電信號進行長時間的實時采集，同時輔以心電信號調理電路，對采集到的微弱心電信號進行放大、濾波，然后由微控制器控制遠程通信模塊將心電信號數據發送到醫院中心監測站的遠程服務器，醫護工作人員操作遠程服務器上的心電信號監護軟件，對接收到的心電信號數據進行進一步的處理和分析，給出診斷意見，為患者的治療提供實時的遠程指導；對一些突發病情，可以贏得寶貴的搶救時間[1]。

2 系統硬件設計與實現

系統的硬件部分包括心電信號采集模塊和遠程通信模塊兩部分。心電信號采集模塊主要包括電極、心電導聯系統、前置放大電路及右腿驅動、高低通濾波電路、50 Hz陷波電路、后置放大及電平抬升電路等幾個部分。遠程通信模塊主要由MC9S12XS128單片機、GPRS模塊、SIM卡電路、電源電路組成。整個硬件組成如圖2所示。

圖2 遠程心電監護系統硬件框圖Fig.2 Remote ECG monitoring system hardware diagram

2.1 心電信號檢測電路設計

1）保護與輸入緩沖電路

心電信號從人體傳輸到電極輸入端的過程中，經過人體電阻等不穩定元素的衰減會出現失真；因此我們在輸入端增加一個保護與輸入緩沖電路來抑制有效信息的衰減，電路如圖3所示。保護電路是由兩個二極管組成的雙向限幅電路，對人體靜電或外部其他高壓干擾進行限幅，防止因過度激勵造成運放逆轉而失效。輸入緩沖電路中的輸入緩沖器選擇了AD公司的一款模擬運算放大器芯片：OP295，它是一個電壓跟隨器，輸入阻抗高，輸出阻抗低，便于和后續電路匹配[3]。

圖3 保護電路與輸入緩沖Fig.3 Protection circuit with the input buffer

2）前置放大電路及右腿驅動電路

①前置放大電路[4]

人體體表采集到的心電信號非常微弱，一般為0.05～5 mV，而且信號源阻抗比較大，這就要求放大電路增益大，輸入阻抗高；但是又因為心電信號存在強大的干擾，增益太大有可能導致靜態工作點的偏離，甚至進入截止或飽和，引起心電放大器的阻塞。因此設計中考慮放大電路分為兩級實現，前置放大增益為10左右，選擇由AD公司的儀表放大器AD620及外圍器件組成，電路原理圖如圖4右半部分所示。AD62O的1、8號引腳之間接入的電阻R決定信號的增益，增益方程式為：G=1+49.4 kΩ/R，對于所設定的增益，控制電阻值為：R=49.4/（G-1）kΩ。本課題中為了使R為整數，取G=10.88，則 R=5 kΩ，即圖 4 中 R10為 5 kΩ。

②右腿驅動電路

心電信號采集時，很多的共模干擾會把微弱的心電信號淹沒，因此要求放大電路有很高的共模抑制比（CMRR）。為了進一步提高前置放大電路的共模抑制比，去除人體攜帶的交流共模干擾，我們選擇使用圖4左半部分的右腿驅動電路：由低功耗運放AD705、電阻網絡R8、R9、R10組成。其工作原理是：從前置放大電路的增益調節電阻處提取反饋信號，如果檢測出共模電壓，則輸入右腿驅動放大電路（R6、C5、R7、AD705）進行反相放大后反饋到右腿電極，這有效地降低了共模電壓。

圖4 前置放大及右腿驅動電路Fig.4 Preamplifier and driven right leg circuit

3）濾波電路

①高低通濾波電路[2]

圖5 濾波電路Fig.5 Filter circuits

②雙T網絡有源陷波電路

4）后置放大電路與電平抬升電路

另外，MC9SXS128單片機A/D輸入電壓為單極性的，但是心電信號是雙極性信號，所以在對心電信號放大濾波處理后需要施加一個偏置電壓，抬升其電平使之成為單極性信號。

后置放大電路與電平抬升電路如圖6所示[1]。

圖6 后置放大與電平抬升電路Fig.6 Uplift of the amplification level circuit

2.2 數據傳輸電路設計

本課題是通過單片機控制GPRS模塊來實現心電數據的無線傳輸。單片機主要工作就是對心電信號進行采集，通過串口對GPRS模塊發送AT指令，使其完成對數據的無線傳輸。GPRS模塊主要完成與單片機之間的數據交換和通過通信公司的GPRS網絡與遠程服務器進行數據交換。

單片機選擇飛思卡爾半導體 （Freescale）公司的MC9S12XS128，將總線頻率設置為80 Mhz，處理能力強勁，其SCI外設與SIM300模塊進行通信，A/D口采樣轉換心電信號調理模塊的輸出。GPRS模塊選擇的是西門子公司的SIM300，單片機通過 AT指令（Attention）對 SIM300實現控制，兩者之間的數據交換通過單片機的SCI串口來進行。

2.3 心電信號采集測試

根據心電信號調理電路圖和SIM模塊電路、電源電路，設計的電路板如圖7所示。

本課題設計的遠程無線心電監護系統樣機完成以后，在強烈的噪聲中，能夠采集到準確的心電信號，盡可能地減小了失真，如圖8所示。

圖7 心電信號調理模塊實物圖Fig.7 ECG signal conditioning module picture

圖8 系統樣機測試Fig.8 System prototype testing

3 結束語

本文雖然完成了遠程心電信號監護系統的硬件設計，但是某些內容的研究不夠深入全面，還存在許多不足之處。今后將從以下幾個方面繼續努力研究：

1）進一步改進硬件電路中心電信號提取及調理電路，關鍵是放大、濾波部分，增強其抗干擾能力和提取有用信號的能力。

2）隨著電子技術的快速發展，可以更好地選擇速度快、功能強的電子元件和微處理器，以滿足低功耗、低成本目的，以此來提高心電信號監護系統的性能。

3）在遠程服務器的監護軟件設計上結合心電信號處理的算法，對心電信號數據做更深入的分析處理，優化監護軟件的功能，使得遠程無線心電監護系統更加人性化、智能化。

[1]施敏敏.基于飛思卡爾DSC與GPRS的遠程無線心電監護系統[D].南京：南京理工大學，2011.

[2]張開玉.基于GPRS的遠程心電監護系統研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2008.

[3]席景叢.遠程心電監護系統的研究與設計[D].北京：中國地質大學，2010.

[4]張旭.便攜式遠程實時動態心電監護系統的研究[D].黑龍江：東北農業大學，2010.

[5]李旺.遠程心電監護系統的設計[D].北京：北京郵電大學，2010.

[6]汪明.基于ARM7的遠程心電監護終端設計與實現[D].南京：南京理工大學，2009.