远程无线心电监护系统的硬件设计

2012-09-19施敏敏何学红

电子设计工程 2012年21期

施敏敏，何学红

（1.盐城工学院实验教学部，江苏盐城 224000；2.江苏林洋电子股份有限公司江苏启东 226200）

随着社会经济的快速发展，人们生活水平日益提高，工作节奏不断加快，心血管疾病已逐渐成为威胁人类生命安全的最主要疾病，而且发病率明显上升，并呈低龄化趋势。通过心电信号来发现并及时诊治心血管疾病是降低发病率和死亡率的一个有效途径。

利用当前迅猛发展并日趋成熟的电子技术、通信技术，设计开发一套操作简单、携带方便、价格适宜的远程心电监护系统具有很好的应用价值。患者可以随时随地对自己的心脏状态进行监护，减轻了奔波劳累和经济开支，节省了时间和社会医疗资源；患者在熟悉的环境中实时监测，提高了心电信号的准确性，从而为病情的发现和诊治赢得绝对的时间；对于行动不便或自理能力较差的用户实施远程监护，遇到病情突变时能够迅速报警，为患者提供及时的救助[1]。

1 系统整体结构

文中选择以GPRS通信技术为平台，设计了一套基于飞思卡尔DSC的远程心电信号监护系统。该系统主要包括心电采集、数据传输和远程监护软件3个部分。整体框架如图1所示。

图1 系统整体框架Fig.1 System framework

心电信号采集模块负责对患者的心电信号进行长时间的实时采集，同时辅以心电信号调理电路，对采集到的微弱心电信号进行放大、滤波，然后由微控制器控制远程通信模块将心电信号数据发送到医院中心监测站的远程服务器，医护工作人员操作远程服务器上的心电信号监护软件，对接收到的心电信号数据进行进一步的处理和分析，给出诊断意见，为患者的治疗提供实时的远程指导；对一些突发病情，可以赢得宝贵的抢救时间[1]。

2 系统硬件设计与实现

系统的硬件部分包括心电信号采集模块和远程通信模块两部分。心电信号采集模块主要包括电极、心电导联系统、前置放大电路及右腿驱动、高低通滤波电路、50 Hz陷波电路、后置放大及电平抬升电路等几个部分。远程通信模块主要由MC9S12XS128单片机、GPRS模块、SIM卡电路、电源电路组成。整个硬件组成如图2所示。

图2 远程心电监护系统硬件框图Fig.2 Remote ECG monitoring system hardware diagram

2.1 心电信号检测电路设计

1）保护与输入缓冲电路

心电信号从人体传输到电极输入端的过程中，经过人体电阻等不稳定元素的衰减会出现失真；因此我们在输入端增加一个保护与输入缓冲电路来抑制有效信息的衰减，电路如图3所示。保护电路是由两个二极管组成的双向限幅电路，对人体静电或外部其他高压干扰进行限幅，防止因过度激励造成运放逆转而失效。输入缓冲电路中的输入缓冲器选择了AD公司的一款模拟运算放大器芯片：OP295，它是一个电压跟随器，输入阻抗高，输出阻抗低，便于和后续电路匹配[3]。

图3 保护电路与输入缓冲Fig.3 Protection circuit with the input buffer

2）前置放大电路及右腿驱动电路

①前置放大电路[4]

人体体表采集到的心电信号非常微弱，一般为0.05～5 mV，而且信号源阻抗比较大，这就要求放大电路增益大，输入阻抗高；但是又因为心电信号存在强大的干扰，增益太大有可能导致静态工作点的偏离，甚至进入截止或饱和，引起心电放大器的阻塞。因此设计中考虑放大电路分为两级实现，前置放大增益为10左右，选择由AD公司的仪表放大器AD620及外围器件组成，电路原理图如图4右半部分所示。AD62O的1、8号引脚之间接入的电阻R决定信号的增益，增益方程式为：G=1+49.4 kΩ/R，对于所设定的增益，控制电阻值为：R=49.4/（G-1）kΩ。本课题中为了使R为整数，取G=10.88，则 R=5 kΩ，即图 4 中 R10为 5 kΩ。

②右腿驱动电路

心电信号采集时，很多的共模干扰会把微弱的心电信号淹没，因此要求放大电路有很高的共模抑制比（CMRR）。为了进一步提高前置放大电路的共模抑制比，去除人体携带的交流共模干扰，我们选择使用图4左半部分的右腿驱动电路：由低功耗运放AD705、电阻网络R8、R9、R10组成。其工作原理是：从前置放大电路的增益调节电阻处提取反馈信号，如果检测出共模电压，则输入右腿驱动放大电路（R6、C5、R7、AD705）进行反相放大后反馈到右腿电极，这有效地降低了共模电压。

图4 前置放大及右腿驱动电路Fig.4 Preamplifier and driven right leg circuit

3）滤波电路

①高低通滤波电路[2]

图5 滤波电路Fig.5 Filter circuits

②双T网络有源陷波电路

4）后置放大电路与电平抬升电路

另外，MC9SXS128单片机A/D输入电压为单极性的，但是心电信号是双极性信号，所以在对心电信号放大滤波处理后需要施加一个偏置电压，抬升其电平使之成为单极性信号。

后置放大电路与电平抬升电路如图6所示[1]。

图6 后置放大与电平抬升电路Fig.6 Uplift of the amplification level circuit

2.2 数据传输电路设计

本课题是通过单片机控制GPRS模块来实现心电数据的无线传输。单片机主要工作就是对心电信号进行采集，通过串口对GPRS模块发送AT指令，使其完成对数据的无线传输。GPRS模块主要完成与单片机之间的数据交换和通过通信公司的GPRS网络与远程服务器进行数据交换。

单片机选择飞思卡尔半导体（Freescale）公司的MC9S12XS128，将总线频率设置为80 Mhz，处理能力强劲，其SCI外设与SIM300模块进行通信，A/D口采样转换心电信号调理模块的输出。GPRS模块选择的是西门子公司的SIM300，单片机通过 AT指令（Attention）对 SIM300实现控制，两者之间的数据交换通过单片机的SCI串口来进行。