远程心电监测系统的研究

2012-07-03苏维嘉阮彬鑫

电子技术应用 2012年4期

苏维嘉，李鑫，阮彬鑫

（1.辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新123000；2.辽宁工程技术大学研究生学院，辽宁阜新123000）

心电图是诊断心脏疾病的重要工具之一，传统的心电仪虽能有效地监测心电、降低心脏病患者的死亡率，但不能对患者进行长时间的实时监护，且存在体积大、功耗高、携带不便等缺点。本文设计了一种结构简单、性能稳定可靠的便携式远程心电监测仪，能够在家庭、户外等场所对心电进行实时监测，具有十分广泛的应用前景。

1 系统概述

远程心电监测系统由心电采集电路、控制芯片、显示模块、射频模块、无线通信网络、医院监护中心的计算机组成[1-2]，系统框图如图1所示。

本文设计的心电监护终端主要用来完成对病人心电信号的采集、处理、显示并将监测数据通过GPRS无线网络传输到医院监护中心的远程计算机上，实现对病人的远程监测。医生根据传输回来的数据进行诊断并及时对病人提供诊断结果。

2 系统硬件设计

为了实现体积小、处理速度快、满足嵌入式系统Linux对硬件要求的心电监测终端，该系统采用三星公司生产的S3C2440单片机作为微处理器。该单片机为32 bit RISC微处理器，具有低价格、低功耗、体积小、精简指令集、高性能、驱动能力强等优点。而且S3C2440片内资源十分丰富，片内含有A/D转换通道，从而可以省去专门的A/D芯片，因此简化了外围电路，为电路设计节省了空间，满足设计要求。

2.1 心电采集电路设计

心电信号的采集电路是该系统的重要环节之一，其功能主要包括前置放大、50 Hz陷波、高通滤波、低通滤波和后级放大，其电路结构如图2所示。因为体表ECG信号一般在0.05 mV～5 mV之间，信号非常微弱，并且易受到肌电、呼吸、电磁等干扰。所以采用高输入阻抗、高共模抑制比的差分放大电路进行前置放大，以增大输入阻抗、减少共模信号干扰。50 Hz陷波电路的作用是滤除50 Hz工频对心电信号的干扰。前置放大电路与50 Hz陷波电路如图3所示(放大器型号为TLC2254CD)。带通滤波电路主要由高通滤波器和低通滤波器组成，通频带为0.5 Hz～100 Hz，用于滤除心电频率范围以外的干扰信号。后级放大器将ECG信号进一步放大100倍左右(0 V～3.3 V之间)后，将采集信号输入到控制芯片S3C2440的A/D转换模块中。

2.2 GPRS模块的外围接口电路

控制芯片S3C2440通过控制GPRS模块实现心电数据的无线传输，通过串口对GPRS模块发送控制指令，使其完成对心电数据的无线传输。GPRS模块的功能：实现与S3C2440之间的数据交换和通过GPRS无线网络与医院监护中心的远程计算机进行数据交换。GPRS模块选择索尼爱立信公司生产的GM47。GM47具有性价比高、使用简便、模块内嵌 TCP/IP协议栈、有很好的技术支持等优点。GM47串口采用2.75 V的CMOS电平，而S3C2440串口是TTL电平，因此两者互相连接时需要电平转换。GM47的外围接口电路如图4所示。

3 系统软件设计

远程心电监测系统的软件包括系统软件和应用软件两大部分。系统软件主要由系统启动代码Bootloader、Linux操作系统内核、yaffs2根文件系统和 ADC、GPRS的驱动程序组成。应用软件主要由心电数据采集、数据处理、数据存储、LCD显示和GPRS数据发送5部分组成，应用软件流程图如图5所示。

系统软件的组建过程：

(1)制作 Bootloader、Linux内核和文件系统。其中，Linux内核中要添加ADC和GPRS的驱动文件，并在.config文件中进行相应的配置,最后make生成Linux内核；向Nand Flash中依次烧写制作好的 Bootloader、Linux内核和文件系统[3]。

(2)移植Web服务器 Boa。通过修改 boa.conf文件，设定默认网页名称和网页文件、cgi-bin文件的存放路径。通过修改rcS文件，使Linux启动后自动设置IP地址并启动Boa服务器。

(3)用HTML语言编写登录页面[4]并将其存放到boa.conf文件设定的/home/boa/www文件夹中。

(4)把用 C 语言编写的脚本文件 login.c、main.c、adc.c、gprs.c和.h头文件放到Linux系统中，用交叉编译器armlinux-gcc编译成 login.cgi和 main.cgi文件。把 login.cgi、main.cgi两个脚本文件和心电监测页面内容文件main_html一起存放到/home/boa/www/cgi-bin文件夹中。

(5)打开远程计算机，输入在rcS文件中设置的IP地址就可以进入远程心电监测系统的登录界面，输入合法的用户名和密码就可以进入远程心电监测系统的监测页面，如图6所示。在监测页面上，医生可以看见心电监测终端传送来的心电波形、心率、QRS波振幅和时限、P波振幅和时限、T波振幅和时限、P-R间期和Q-T间期等指标。

4 实验结果

为了验证系统采集处理心电信号的准确性，采用远程心电监测系统和传统的心电监测仪进行比对试验。用心电信号模拟发生器产生各种监测信号，把相同的监测信号输入到远程心电监测系统和传统的心电监测仪，统计并对比两个仪器分析的QRS波振幅和时限、P波振幅和时限、T波振幅和时限、P-R间期和Q-T间期等指标，对比结果如表1所示。从表1中可以看出，该系统能够保证心电监测数据的准确性，满足设计要求。