基于无线通信的心电监护系统设计

李伟++杨艳++陈万++唐松

摘 要：设计了基于无线网络的远程心电监护系统，该系统方便医生实时了解病人的身体状况，患者可以得到及时、准确的医疗救护。系统中应用了性能优化的CC2530芯片，通过无线通信的方式，完成心电信号的监护。最后经过通过仿真测试，证明了所设计系统的有效性。

关键词：心电信号 无线通信 监护系统 CC2530

中图分类号：R540.41 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（b）0035-02

心血管疾病的死亡数字令人心惊，如果得心血管疾病的人都住院，在很大程度上浪费资源。因为很多人一两年都不会突发疾病，而且医院没那么多资源去应对，所以就很有必要实现一种个人心血管疾病监护的仪器，可以随身携带，基于无线传输，和医院系统或者监护人相连。现在的电子设备越做越小，功能越来越强大，无线通信方面也越发成熟，就为实现这种应用提供了技术条件。

临床医学中，用于对各种心律失常、心室心房肥大、心肌梗死和心肌缺血等病症检查的最主要手段就是心电图检测。心电医疗监护系统能够对心脏生理和病理状态进行实时的检测和监视，当病人的生理机能参数超出设定数值时发出警报，提醒医护人员或家属进行抢救。然而，传统的医疗监护系统是建立在有线连接基础上的，体积大，不便携带，要求在病人身边使用，限制了病人和医护人员的行动，增加了他们的负担和风险。动态心电图监护系统则成本昂贵，不便推广应用。因此，开发和研制一种体积小，成本低、功耗小的心电监护系统具有重要的现实意义，将无线通信网络与便携医疗设备结合起来，是低成本医疗的发展与与个人健康管理的先进理念[1]-[2]。

1 系统总体设计

设计的硬件总体框图1如下所示，由心电采集模块、信号发送模块、信号接收模块组成。通过导联系统获得微弱的心电信号经心电采集模块进行多次放大、过滤，再通过信号发送与接收模块实现信号的传递，最后由接收模块通过RS-232串口传给电脑，实现信号的观测与存储。

1.1 信号采集模块

心电信号属于低频、微弱和强噪声背景下的自然信号，为了提取有用的心电信号，使得前置放大电路应具有高共模拟制比、高输入阻抗、低噪声和低温漂等特点。为了更进一步提高前置放大电路的共模拟制效果，采用了右腿驱动电路。心电信号的频带范围主要分布在0.05～100 Hz，为了在复杂的信号中提取出有用的心电信号，采用了四阶低通滤波器和二阶高通滤波器。虽然前置放大电路对共模干扰有很强的抑制作用，但是仍有小部分50 Hz的干扰信号没有被滤除，再加上外界干扰和不可避免的因素存在，使得提取的有用信号中仍然有较强的50 Hz工频干扰，因此设计了50 Hz陷波器。此时为了后期对提取的有用心电信号进一步处理，符合A/D转换器的输入电压，需要进一步对信号进行放大，采用了二级放大电路。其整体结构如图2所示。

1.2 信号的控制与传输

信号的接受与发送采用的是TI公司经过几次优化的CC2530，该芯片适应于2.4GHz IEEE 802.15.4的RF收发器，具有极高的接受灵敏度和抗干扰能力，可编程的输出功率高达4.5 dBm，且连接简单，外电路只需接少量器件即可。微控制器选用的是MSP430F149用来实现对收发状态信息的读写。

1.3 电源供电模块

电源是各个模块必不可少的部分，各个模块所使用的电压也有所不同，本次设计包括信号采集模块电源设计、信号发送模块电源设计、信号接收模块设计和串口的电平转换模块。其中信号采集模块使用的运放有AD627、OPA333和OPA2333，其所需电压为-3.3 V，信号发射与接收模块采用芯片MSP430F149、CC2530F64，所需电压为+3.3 V。可以用三节干电池（4.5 V）来供电，对其进行电平转换。

（1）对运放AD627、OPA333和OPA2333而言，需要将4.5 V转换为-3.3 V，所采用的是ADM660芯片，可外加少量的器件即可实现电平的转换，简单易行。对MSP430F149、CC2530F64需要将4.5 V转换为+3.3 V，可用电荷泵MAX1759实现。具体电路图如图3所示：

（2）信号接收模块需要与电脑连接，从电脑端口的USB接口获取+5 V的电压，需要将5V电压转化为+3.3 V电压，才能使单片机正常工作，本次设计采用芯片LM1117实现。

（3）接收器接收的信号要通过RS-232串口传给电脑，但串口的TXD和RXD的电平为正负3伏到正负15伏之间，而单片机的输出电平为0～+3V之间。必须要进行电平转换，可用芯片MAX3232PCE来实现，该芯片所需电压为5伏，可直接由电脑USB接口供电且只需接少量器件即可实现[3]-[4]。

2 软件设计

（1）选用CC2530芯片具有低功耗的特点，采集到的心电信号通过串口通信，用Labview进行分析。由于Labview具有的高效率的信号处理模块和友好的可操作界面。如下图的心电信号采集登录系统界面。

（2）Labview具有众多图形化的通信模块和信号的采集、分析、处理等方便简洁[7]。可以减少电路的外围器件，提高电路的稳定性和可靠性，另外labview还具有对采集到的信号进行有效的保存和回放功能，可以方便医疗人员随时对心电信号进行查看比对。

3 结论

本文主要设计了基于无线网络的心电监测系统。其中硬件部分包括信号采集、滤波、放大、处理、发设、接收等。通过实验对系统进行了多次仿真测试、结果表明该心电监护系统能够正确采集、存诸、处理心电信号。使得医生能够实时、准确地了解患者心脏的活动状况，能够在突发时刻采取相应的措施，以减少死亡率。

参考文献

[1] 卫生部心血管病防治研究中心.中国心血管病报告[R].北京：中国大百科全书出版社，2006.

[2] 李洪旺.远程无线心电监护系统的设计和实现[D].中国科学技术大学硕士学位论文，2009.

[3] 陈玉兰.基于CC2420的无线传感器网络的硬件节点设计[D].南京：东南大学，2006.

[4] 成转鹏，张跃.远程心电实时监护终端的设计与实现[J].计算机工程，2007，33（11）：264-266.

[5] 顾菊康.手机心电远程监测进展[J].临床心电学杂志，2008，17（4）： 259-262.

[6] 彭晓珊.关于物联网技术发展及应用前景的研究[J].汕头科技，2010（1）：25-30.

[7] 田蕴青，孙晓静.心电图自动诊断系统的研制[J].中国医疗器械杂志，2001，2（4）：204-206.endprint