基于ATmega128的无线心电监护系统开发与设计

马新江，王洪福，黎芳芳，张燕

1.滨州医学院附属医院 国有资产管理处，山东 滨州 256603；2.南昌航空大学 测试与光电工程学院，江西 南昌330063

基于ATmega128的无线心电监护系统开发与设计

马新江1，王洪福1，黎芳芳2，张燕1

1.滨州医学院附属医院 国有资产管理处，山东 滨州 256603；2.南昌航空大学 测试与光电工程学院，江西 南昌330063

目的 研制一种无线心电实时监护系统，可对患者的心电信号进行采集、传输和处理。方法 该系统主要由监护终端和数据处理系统组成。监护终端包括心电信号采集模块和无线收发模块，由患者随身携带，负责采集和无线传送心电信号；数据处理系统由无线收发模块和嵌入式计算机系统组成，负责接收心电信号，同时进行数据处理、显示。结果 在明视距离小于400m、室内通讯距离小于50m范围内，该系统能够实现设计要求，同时可用于健康人群的健身运动监护、为其提供生命状态数据。结论 该系统结构简单、功能齐全，适合医院和家庭使用。

心电监护系统；无线通信；嵌入式系统；ATmega128

心血管疾病是现代社会中严重威胁人类生命健康的主要疾病，而且此类疾病往往具有突发性，如果不能及时发现并进行治疗将会产生非常严重的后果，给个人、家庭和社会带来沉重的精神压力和经济负担。心电监护系统是此类疾病重要的监测手段，它对于保障患者生命安全和降低患者死亡率具有十分重要的意义。伴随现代科技和医学技术的的发展，心电监护系统的研制水平不断提高，开发手段日趋多样化，并逐步从静态心电监护方式向动态心电监护方式发展[1]。为此，我们开发设计了一种无线心电监护系统，力求达到携带方便，实时准确地监测患者动态心电变化，为临床诊断提供准确的心电信号参数。

1 系统组成

该系统包括佩带式无线监护终端和数据处理平台两大部分。无线监护终端包括心电心号采集模块和无线收发模块，由患者随身携带，负责采集心电信号，并进行放大、滤波、A/D转换和数据传送；数据处理平台由无线收发模块、ATmega128[2]单片机控制系统及监护服务器组成，负责接收心电信号，同时进行软件处理、显示。为减小监护终端的设计尺寸，模数转换使用单片机集成的A/D转换器，各芯片选用体积小、功耗低的贴片封装芯片。为避免各种原因丢失数据，监护终端扩展了一片256Mbytes的FLASH存储器，它能够连续存储24h的生理参数数据。系统总体框图如图 1 所示 ：

图1 系统总体设计框图

2 无线监护终端

2.1 芯片选择

心电信号采集模块采用ATmega128作为主芯片。它是ATMEL公司推出的高档系列产品,是基于AVR RISC的低功耗CMOS 8位单片机，虽为8位机，但采用介于8位和16位的硬件结构。AVR单片机结构有利于用C语言编程，从而能高效地开发出目标产品，通过在一个时钟周期内执行一条指令,其性能可以达到1MIPS/MHz。它将32个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起，使所有工作寄存器和ALU直接相连,同时具有128KB的Flash存储器，4KB在线可编程EEPROM，4096字节SRAM，SPI接口，2个16位定时器/计数器，一个性能良好的8通道10位A/D转换器等。

无线收发模块采用nRF905，它是Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.9～3.6 V，工作于433/868/915MHz三个ISM频段，频道转换时间小于650μs，最大数据速率为100 KB/s。ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和循环冗余检验，使用SPI接口与微控制器通信，配置简便。此外，其功耗很低，以10dBm输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，具有窄闲模式与关机模式，易于实现功率管理。单片机与nRF905的连接如图2所示：

图2 单片机与nRF905的连接

ATmega128与nRF905之间的双向数据传输使用SPI接口，单片机的PB0-PB3连接nRF905的SPI接口，PB4-PB6、PD0-PD1及PD4连接nRF905的控制信号和检测信号，用于nRF905的模式切换以及通信过程中必须的信号指示接口。

2.2 心电信号的采集电路设计与工作原理

患者不同负荷状态时心电图各波的电压和时长有所变化，但与静息状态下相比较均无显著性差异[3]，然而汗液分泌、各种干扰信号与静态时相比则大大增强，例如电极与体表的接触电阻一般高达几ΜΩ，而有汗液存在时则下降为10kΩ左右。为此，对心电信号的采集模块进行了简化设计，将检测带宽从常用的0.05～100Hz降到0.5～40Hz。这样做基本不影响心率参数的提取，可滤去更多的噪声，大大提高了电路抗干扰能力，特别是抗50Hz工频干扰的能力，使电路结构简化，功耗降低。由于该系统监护终端为便携式设计，其心电心号采集传感器采用通用型Ag-Agcl电极，连接方式为标准三导联。

在采集过程中首先将心电信号经过AD623放大8倍左右,然后通过0.5Hz的高通电路除去基线漂移,这时的心电信号幅值很小，需要后置放大电路再次放大100倍左右后，通过40Hz的低通电路，滤除各种高频噪声干扰，最后让心电信号通过电平偏移电路和放大倍数调理电路就可以得到心电信号的原型。整个心电信号采集电路包括：输入保护电路、前置放大电路、右腿驱动电路设计、高低通滤波器、50Hz陷波器、后置放大电路、电极脱落和心电信号异常报警电路等。前置放大电路如图3所示：

图3 前置放大电路

2.3 数据采集发送过程

患者通过按键控制监护终端，首先启动初始化处理，向数据处理平台发送注册信息，注册包记录了监护终端的一些基本信息，包括：数据包头（DYECG）、采样位数、采样频率、数据编码方式、ADC 高低电平等。经确认后，采集心电心号；单片机接收数据后，将需发送的数据(这里包括目标设备地址和所要发送的数据)通过SPI接口传送至nRF905，nRF905将数据加前导码和CRC码，然后发送数据包[4]。

2.4 人机交换界面的设计

选用MG-12864-7单色图形点阵液晶显示模块，其点阵数128×64，8位数据线与ATmega128的I/O口相连，同串口键盘一起形成菜单方式的人机交换界面，控制相应的采集模块，设定具体的参数，显示相应生理数据，并附带有报警按键，以供处理紧急情况。

2.5 监护终端电源模块

监护终端需要两种电源电压，即单片机电路、滤波电路、显示电路需要5V电压，无线收发模块需要3.3V电压。为此，选用DC/DC芯片RT9278，其封装尺寸小，转换效率高，输出电流高达2A，通过调整外围电路可以输出0～20V的多种电压，可满足多电压混合系统的设计。电源供电选用可充电的2200mAh锂电池。为了降低功耗，采集模块和无线发送模块均采用了低功耗设计，即工作状态时上电、休闲状态时掉电模式，该机正常工作时最大电流小于100mA。

3 数据接收处理平台

3.1 组成与功能

数据接收处理平台包括无线收发模块、ATmega128单片机控制系统、监护服务器，主要完成监护终端心电信号的接收，心电心号数据的后期处理和计算，提取所需的心电信号参数并进行分析诊断。其中无线收发模块、ATmega128单片机控制系统与监护终端设计选择相同。

3.2 数据接收处理过程

当nRF905接收到有效数据后，DR置高，ATmega128单片机控制系统检测到DR为高电平后，复位TRX_CE引脚，使nRF905进入空闲模式，并通过SPI接口从nRF905中读出接收数据，然后由RS232串口传送至监护服务器进行数据处理、分析诊断，如出现异常情况及时向监护终端发出报警信号。

4 系统软件设计

4.1 整体设计

图4 系统主体程序流程图

系统的软件设计可以分为两大部分：一个是基于单片机ATmega128的下位机软件设计，用C 语言编写[5]；另一个是基于监护服务器的上位机软件设计，用Visual C++ 6.0编写[6]。系统终端的软件设计包括系统初始化子程序、心电监护子程序、显示子程序、存储子程序等几个部分，其中系统的初始化用以完成系统的连接以及数据的采集处理，模数转换由ATmega128自带的十位A/D转换器完成。监护服务器上位机软件包括：主界面程序设计、信号参数选择与功能设置模块、串行口通信程序设计、数据存储与回放、多媒体功能和波形、数据显示等，整个软件使用菜单化操作，所有功能都可以在主界面进行操作。系统软件流程如图4所示。

4.2 心电信号预处理

我们通过体表电极采集的原始信息中不但含有心电信号，而且掺杂了基线漂移、工频干扰等多种不同类型的噪声信号。心电信号是很微弱的，它们的信号幅度基本处于mV甚至μV级，相对于噪声信号，尤其是50Hz工频干扰往往相差4～5个数量级。要在如此反差的强噪声背景下提取、复原正常心电信号是一件非常困难的事情。为了增强正常人体生理信号，进一步抑制原始信息中的噪声和干扰，提高心电信号检测的准确率，除了在硬件电路中增加滤波电路外，还需要对A/D采样转换后的生理信号进行软件处理。

本文中，生物信号预处理是指应用数字信号处理技术对噪声信号加以消除或抑制，主要方法是在下位机软件预处理中采用计算简单、实时性好的自适应相干模板法同时滤除基线漂移和50Hz工频干扰。采用该方法可降低设计难度，适于单片机处理，并可保证心电信息的完整性，降低无线传输过程中的信息失真率。

自适应相干模板法[7]根据工频干扰的特点，从原始信号中获取工频干扰信号的模板，再从原始信号中减去干扰模板，从而实现滤除工频干扰的目的。进一步改进其滤波器[8-9]，先利用50Hz和100Hz两种频率下的自适应相干模板法滤波相结合，形成在0～100Hz频率范围内只滤除50Hz工频干扰的一种滤波器，然后与原自适应相干模板法滤除工频干扰的滤波器级联，构成一个50Hz处的阻带宽度与0Hz处的阻带宽度无关的滤波器，再分别获取相应的滤波器带宽，可以同时较好的滤除基线漂移和工频干扰。该算法仅通过采样数据的累加、移位及减法操作即可实现，较为简便，适合于在单片机系统上实现[10]。

经过改进的自适应相干模板滤波法对基线漂移和工频干扰具有较好的效果，并具有一定自适应调整功能。

4.3 心电图波形识别

心电图波形包括P、Q、R、S、T及U波等，其中，在心电信号的分析中，最首要和最关键的问题是QRS波群的检测。这是因为可靠的QRS波群检测，不仅是诊断心律失常的重要依据，而且只有在确定QRS波群后，才有可能计算心率、心率变异性，并进一步检测和分析心电信号的其他重要信息[11]。

在心电波形中，R波具有波形陡峭、幅度大、宽度窄、变化趋势明显等显著特点，因此，一般QRS波群检测算法都是利用这一特点来实现的。本系统对R波的识别采用两阶差分阈值判别法，即t(n)=x(n-2)-2x(n)+ x(n+2)。系统启动后，首先进行10s的自学习过程，计算并记录每秒钟内得到的差分的最大值，然后求其均值，再乘上一系数X作为以后判断R波的依据。差分得到的新数组为t(n)，其中若某点满足：① 大于自学习阶段计算得到的阈值；② 大于其前后几个点的数值。则t(n)对应的x(n)点就是R波的峰值。检测出R波之后，根据前、后两个波的时间间隔就能很容易地计算出当时的心率，并可进一步计算出RR间期、QRS波宽等其他心电数据。由于差分运算是前后两值之间的相对差，而在较短时间内信号中的干扰及基线漂移不会很快消失，所以上述干扰对差分值的影响很小，可见采用差分阈值法具有较强的抗干扰能力。

5 结果与讨论

本系统针对患者动态心电监护方式的需求和特点，将无线通讯技术应用到监护终端，有针对性的设计了心电监护模块。初步进行了分模块和整机使用试验：由受试人员携带监护终端在室内有障碍及室外空旷条件下分别进行最大通讯距离、性能可靠性等试验，结果表明在明视距离小于400m、室内有障碍距离小于50m范围内，系统可稳定工作[12-13]，其测量结果对比动态心电图（Holter）测量数据吻合度好。主要存在的问题是随着距离的增加心电信号噪声随之增强，在条件不变的情况下，实验结果的重复性较好。实验表明，该系统基本实现了设计目的，具有便于携带、可靠性高等优点。下一步的工作是继续对整机结构优化和软件功能完善。

图5 实时监护工作界面

监护服务器实时监护工作界面如图5所示。

[1] Khoor S,Nieberl J,Fugedi K,et al.Internet-based,GPRS,Longterm ECG Monitoring and Non-linear Heart-rate Analysis for Cardiovascular Telemedicine Manegement[J]. Computers in Cardiology,2003,20(3):209-212．

[2] 刘玉香,张秋生.ATmega128单片机应用与开发实例[M].北京:机械工业出版社,2006.

[3] 刘丽萍,金成洙,郑基永,等.不同负荷状态时运动员的动态心电图变化[J].延边大学医学学报,2004,27(4):267-269.

[4] 马新江.运动员用多参数无线监护系统的开发与设计[D].青岛:中国海洋大学,2009.

[5] 金春林,邱慧芳,张皆喜.AVR系列单片机C语言编程与应用实例[M].北京:清华大学出版社,2003.

[6] 郝蕴.Visual C++6.0开发与实例[M].北京:电子工业出版社,1999.

[7] Pan J,Tompkins WJ,A real-time QRS detection algorithm[J].IEEE Trans Biomed Eng,1985,32(3):230-236.

[8] 叶文宇,李刚,林凌,等.自适应相干模板法滤波的分析及改进[J].仪器仪表学报,2004,25(2):248-252.

[9] 谌雅琴,李刚,等.自适应相干模板法在心电图机中应用的一种改进算法[J].信号处理,2002,18(3):244-248.

[10] Simon Haykin.AdaptiveFilter Theory[J].EnglewoodCliffs:Prenti ce2Hallin,1996:338～444.

[11] Daskalov IK,Christov II.Electrocadiogram signal preprocessing for automatic detection of QRS boundaries[J].Medical Engineering and Physics,1999,21:37-44.

[12] 李世光,等.基于STM32的心电记录分析系统设计[J].中国医疗设备,2010,25(9):13-15.

[13] 马新江,亓夫军,等.运动员用多参数无线监护系统的研制[J].医疗卫生装备,2008,(6):14-16.

Development of a Wireless ECG Monitoring System Based on ATmega128

MA Xin-jiang1, WANG Hong-fu1,LI Fang-fang2, ZHANG Yan1
1. Asset Management Department,Stateowned Assets Management Department,Affiliated Hospital of Binzhou Medical University, Binzhou Shandong 256603,China; 2. Testing and Photoelectrical Engineering Institute, Testing and photoelectrical Engineering Institute,Nanchang Hangkong University,Nanchang Jiangxi 330063, China

Objective To develop a suit of wireless real-time ECG monitoring system which can gather,transmit and deal with patient's ECG signal. Methods The system consisted of monitoring terminal and data management module. The monitoring terminal schlepped by patients consisted of data acquisition module and wireless transceiver module. It can gather and transmit ECG parameters. The data management module consisted of wireless transceiver module and embedded computer System. It can receive, deal with and display patient's ECG signal. Results The system met the requirement when it was located within the outdoor distance of 400 m or indoor distance of 50m. Conclusion The system is simplestructured,complete-functioned,and is suit to both hospital and home application.

wireless communication; embedded system; ATmega128; ECG monitoring system

TP277；R540.4+1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.07.006

1674-1633(2011)07-0034-04

2011-01-25

2011-03-02

本文作者：马新江，硕士研究生。

王洪福，高级工程师。

作者邮箱：mxjyjs@163.com