基于GPS的远程心电监护定位系统的设计

刘彩霞，刘波粒，王嫣，屈建萍

(1.河北师范大学物理科学与信息工程学院，河北石家庄050016；2.河北师范大学职业技术学院，河北石家庄050031；3.河北化工医药职业技术学院，河北石家庄050026；4.河北建筑工程学院，河北张家口075000)

心血管疾病是人类健康的大敌，在中国，其死亡率占总死亡率的36%。心血管疾病的高致残率、高死亡率与其特点密切相关。许多心血管疾病可导致晕厥，如心跳过慢、各种心动过速、主动脉瓣膜狭窄、肥厚性心肌病、肺栓塞、原发性肺动脉高压、严重心肌梗死等。心血管疾病患者未发病时无症状表现，突然发作时必须及时就医，如果丧失了及时的救治时间，会导致残疾甚至死亡。针对以上问题，本文设计了一个基于GPS的远程心电监护定位系统。这一系统不仅能对病人心电信号进行实时监测，而且当病人发病时，还能及时定位病人所在具体位置，以便及时对病人进行救助。

1 系统结构

系统结构如图1所示。心电监护探测终端被佩戴在病人身上，心电信号经心电调理电路放大滤波后传送给单片机。单片机采用神经网络算法对接收到的心电信号进行处理并做出判断，然后执行判断结果并将相应心电信号实时地经CDMA传送给PC机集中心电监控中心。当病人心电异常时，一方面单片机启动一级报警电路进行报警，告知病人和病人身边的人此时病人的心电异常；另一方面单片机启动GPS定位病人的具体位置，然后将位置信息经CDMA实时传送给PC机集中心电监控中心，告知医护人员，以便急救中心及时确定发病病人的具体位置，以便在最短时间内对病人实施救助。Flash存储器模块用于存储病人的心电数据；键盘和显示模块配合实现终端的人机交互和心电波形的显示；PC机集中心电监控中心通过CDMA网络实时接收病人的心电信号和病人心电异常时的定位信息，完成对病人心电信号存储、心电波形显示、心电信号实时分析、心电异常报警、显示心电异常病人位置信息等功能。

2 系统硬件设计

2.1 心电采集电路

2.1.1 输入保护和前置放大电路

输入保护和前置放大电路如图2所示。输入由2个二极管组成双向限幅保护电路，对来自人体或外部高压干扰进行限幅，防止因过度激励造成运放逆转而失效。由于心电信号很微弱，容易受到各种干扰(例如交流电磁干扰信号等)，并且干扰信号要比心电信号大很多，通常这些干扰信号对输入电路来说属于共模信号，要求前置放大电路有较高的共模抑制比。因此前置放大器选用美国Analog Devices公司的AD620AN模拟放大芯片。AD620的主要性能指标:最大输入失调电压50 μV，最大失调漂移0.6 μV/℃，最大偏置电流1 nA，最小共模抑制比100 dB(G=10)，低噪声。AD620的增益通过1脚和8脚之间的电阻R设置完成，公式为R=49.4 kΩ(G-1)，其中G为放大倍数。这里为了使R为整数，取G=10.98，则R6=5 kΩ。为防止后级放大器工作点漂移，可以采用漏电很小的金属膜电阻。由于心电信号是双极性交流信号，为保证负半周信号不被削波，故采用双电源供电。

2.1.2 二阶高通滤波电路

二阶高通滤波电路如图2所示。心电信号大部分有用信息集中在0.05 Hz～100 Hz之间，而且在前级还存在由于测量电极与人体皮肤表面接触形成的半电池而产生的直流电压影响，其幅值为几毫伏至几百毫伏不等，加上人体表面各部位之间还存在一定的电位差，使得心电信号检测放大器的输入端总会存在比心电信号大几十倍的直流信号，最大可达300 mV。所以设计了一个截止频率为0.05 Hz二阶高通滤波电路，以提取有用的心电信息，有效消除极化电压对心电信号的干扰。在实际电路中取截止频率为fp=0.05 Hz，R8=4.7 MΩ，R9=2.2 MΩ，R10=1 MΩ，C7=10 μF，C8=10 μF，C9=1 μF。

2.1.3 50 Hz陷波及二阶低通滤波电路

50 Hz陷波及二阶低通滤波电路如图3所示。50 Hz陷波电路带阻滤波器是用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段外的所有有用信号通过，也称为陷波器。因为人体耦合电容而引入的50 Hz工频干扰信号很强，而心电信号频带基本不含50 Hz的成分，所以必须用带阻滤波器来抑制工频的干扰。50 Hz陷波电路是带双T网络的有源滤波器，它是一个改进的、Q值可调的有源双T带阻滤波电路，与以往双T型陷波器不同的是该电路引入放大器TLC2254形成正反馈，以减小阻带宽度，使得阻带中心频率附近两边的幅值增大，品质因数Q可以通过变阻器R15来调节。为了消除肌电干扰(几百Hz以上)和电磁干扰(高频)，设计了截止频率为fp=100 Hz的二阶巴特沃思滤波电路。在实际电路中取R16=12 kΩ，R17=5.6 kΩ，C16=0.47 μF，C17=0.1 μF。

2.1.4 后置放大电路与电位平移电路

后置放大电路与电位平移电路如图3所示。为了得到符合单片机A/D转换的输入电压，需要把幅值为0.05 mV～5 mV的心电信号放大足够的倍数。本文前置放大倍数为10.98，则后置电路的放大倍数由R21决定，其增益可通过对R21阻值进行调整，改变其放大倍数，使其满足对心电信号的放大要求。心电信号经过前面的处理，最终需要进入单片机进行A/D转换，然后进行数据传输。单片机的A/D转换部分对输入电压的幅值要求为0～3.3 V，而前面的心电信号是双极性的信号，因此为了使放大后的心电信号幅值符合单片机A/D转换的幅值要求，设计了一个电位平移电路，电路为图3中下半部分电路，其移动范围为0～3.3 V，通过调节电位器R24使心电信号产生一个平移，用来满足A/D转换的幅值要求[1]。

2.2 一级报警、键盘、显示、Flash存储电路

一级报警、键盘、显示、Flash存储电路如图4所示。单片机对探测到的心电信号进行处理判断，当病人心电异常时，通过P1.4口控制声响报警，即一级报警[2]。单片机实时将报警与心电信号经CDMA网传送给PC机集中心电监控中心。使用3个按键对心电监护终端进行控制。为提供友好的人机界面和显示心电波形,增强监护功能，本监护仪采用了液晶显示器显示菜单和心电波形。考虑到LCD显示器的点阵越大则体积越大的特点，选择了一种点阵数较少、体积较小的液晶显示器。长沙太阳人公司的SMG19264A是192×64图形显示器，其控制器为KS0108B。在试验中选用该显示器后发现SMG19264A的背光耗电较大，为了降低系统的功耗和延长电池的使用寿命，不把背光电源的引脚直接接电源，而是通过一个电子开关(图4中为三极管VT2)来控制，用软件编程实现仅当有按键按下时，背光二极管才点亮15 s，有效地降低了系统的功耗。本监护终端以200 Hz的采样率采集心电数据，要记录24 h的心电数据需要极大的存储容量，且要求存储器具有掉电不丢失的特点，综合以上因素，选用Atmel公司推出的新型串行Flash芯片AT45DB081B。该芯片与单片机通过SPI总线连接，控制简单。它的存储容量大为8 Mbit，性能稳定可靠，供电电压低、范围宽、耗电少，单电源供电范围为2.7 V～3.6 V；单片擦写次数超过1万次，芯片正常工作可以维持最少3年时间[3]。

2.3 CDMA传输及GPS定位电路

CDMA传输及GPS定位电路如图5所示。CDMA网络接入设备采用中兴公司生产的MG815工业级CDMA模块。该模块基于高通的MSM6025移动MODEM和PM6610电源控制芯片，支持CDM2000-1X标准，向下兼容IS-95A/B标准，采用AT指令集通过串口进行通信，可提供153.6 kb/s的高速数据速率，同时支持最高为230 400 kb/s的串口波特率[4]。GPS模块采用瑞士U-BLOX公司新推出的第4代定位模块TIM-4H，通过串口与主控芯片连接。该GPS接收器的特点在于灵敏度高、功耗低、跟踪灵敏度达-158 dBm，使定位范围扩展到传统GPS系统不能覆盖的地方，定位精度半径可达2.5 m。该模块集成度很高，大小为25.4 mm×25.4 mm，高度只有3 mm。GPS模块以异步串行通信(UART)方式与处理器芯片MSP430F149进行数据交换，使用时将TIM-4H提供的串口TxD1和RxD1分别接至MSP430F149的UTxD1引脚和URxD1引脚。通信信号须通过上拉电阻接至+3.3V，用以提高电平满足芯片正常工作的需要。对于没有使用的串口TxD2和RxD2，RxD2为输入信号，须用上拉电阻接至高电平，TxD2为输出信号，可直接置空。RF_IN(射频输入引脚)连接到天线。VCC_RF(RF输出电压)经过RC退耦电路进行滤波，得到相对稳定的电压输入，V_ANT引脚提供天线的偏电压[5]。

2.4 PC机集中心电监控中心

PC机集中心电监控中心主要功能模块如图1所示。心电数据接收模块实时接收各心电监护终端传送的心电数据；心电数据存储模块实时存储各心电监护终端传送的心电数据；心电数据分析模块实时分析各心电监护终端传送的心电数据；心电波形显示模块用于实时显示各心电监护终端传送的心电监测波形信号；心电异常报警模块用于实时对各心电监护终端传送的异常心电监测信号进行声光报警，即二级报警；心电波形回放模块用于医生提取病人历史心电信息，进行病情分析；定位信息显示用于显示心电异常病人的具体位置。

3 监护定位终端主要程序流程图

监护定位终端主要程序流程图如图6所示。

4 实验结果

对该远程心电监护定位系统的实验表明，CDMA网络较快的分组数据传输能力为心电数据实时传输到监护中心提供了保证。移动终端向监护中心传递的心电数据包基本不会发生掉包现象，通过测试，即使最恶劣的情况下，当网络信号很不稳定时，通过应用层所设计的协议中合理的重传机制，也能及时地把心电数据包传送到监护中心，保证监护中心能够做到实时获取病人的心电情况。监护中心和移动终端之间的各项双向交互的通信协议也能稳定有效地实现。当病人发生危险时，借助GPS定位技术监护中心能及时有效地获取病人的地理位置，为医院采取下一步的医疗措施提供了重要支持。

5 系统特点

本系统具有以下特点:

(1)定位功能。该远程心电监护定位系统采用GPS技术对心电异常病人实时定位,使得控制中心可以对急救车辆随时进行调度和指挥,缩短了救助病人的时间。系统的实现从施救的时间性、决策的有效性、管理的科学性等方面都有了大幅度提高，解决了传统系统中存在的弊端。

(2)两级报警。第一级报警，即心电探测终端报警，用于及时通知病人和病人身边的照看人员得知病情而及时抢救治疗。第二级报警，即PC机集中监控中心报警，用于及时通知医护人员进行抢救治疗。两级报警，提高了抢救治疗的实时性和可靠性。

本文所述的基于GPS的远程心电监护定位系统，能够对病人的心电情况进行实时采集和存储记录，实现了病人身上的监护终端与医院监护中心之间的双向交互。通过CDMA快速的数据业务能力，监护中心能够有效获取病人的心电数据，使医生能够远程实时分析病人的心电情况。借助于GPS定位技术，当病人发病时，能及时定位病人所在具体位置，以便急救中心对病人及时的进行救助。实时监控心电图，早期发现心电异常变化，并赢得及时的救治时间，对心血管疾病患者具有重要意义。

[1]侯健，李永红.心电监护系统信号调理电路的设计[J].工业控制计算机.2009，22(1):81-84.

[2]蒋佳佳，赵华，张瑜.基于80C51单片机的多路智能遥控节电器[J].电子技术应用.2009，33(1):38-42.

[3]刘培亮，叶湘滨，史永斌.基于Flash AT45DB081B的机车火灾数据的存储系统[J].中国仪器仪表，2005，171(12):85-88.

[4]蒋建国，李化雷，齐美彬，等.基于CDMA的视频监控终端及系统的实现[J].合肥工业大学学报，2008，31(8):1185-1188.

[5]陈言言，丑武胜，黄荣瑛，等.微小型仿生机器人远程监控平台的设计[J].测控技术，2006，25(8):14-16.