遠程心電監測系統的研究

蘇維嘉 ，李 鑫 ，阮彬鑫

（1.遼寧工程技術大學 機械工程學院，遼寧 阜新123000；2.遼寧工程技術大學 研究生學院，遼寧 阜新123000）

心電圖是診斷心臟疾病的重要工具之一，傳統的心電儀雖能有效地監測心電、降低心臟病患者的死亡率，但不能對患者進行長時間的實時監護，且存在體積大、功耗高、攜帶不便等缺點。本文設計了一種結構簡單、性能穩定可靠的便攜式遠程心電監測儀，能夠在家庭、戶外等場所對心電進行實時監測，具有十分廣泛的應用前景。

1 系統概述

遠程心電監測系統由心電采集電路、控制芯片、顯示模塊、射頻模塊、無線通信網絡、醫院監護中心的計算機組成[1-2]，系統框圖如圖1所示。

本文設計的心電監護終端主要用來完成對病人心電信號的采集、處理、顯示并將監測數據通過GPRS無線網絡傳輸到醫院監護中心的遠程計算機上，實現對病人的遠程監測。醫生根據傳輸回來的數據進行診斷并及時對病人提供診斷結果。

2 系統硬件設計

為了實現體積小、處理速度快、滿足嵌入式系統Linux對硬件要求的心電監測終端，該系統采用三星公司生產的S3C2440單片機作為微處理器。該單片機為32 bit RISC微處理器，具有低價格、低功耗、體積小、精簡指令集、高性能、驅動能力強等優點。而且S3C2440片內資源十分豐富，片內含有A/D轉換通道，從而可以省去專門的A/D芯片，因此簡化了外圍電路，為電路設計節省了空間，滿足設計要求。

2.1 心電采集電路設計

心電信號的采集電路是該系統的重要環節之一，其功能主要包括前置放大、50 Hz陷波、高通濾波、低通濾波和后級放大，其電路結構如圖2所示。因為體表ECG信號一般在0.05 mV～5 mV之間，信號非常微弱，并且易受到肌電、呼吸、電磁等干擾。所以采用高輸入阻抗、高共模抑制比的差分放大電路進行前置放大，以增大輸入阻抗、減少共模信號干擾。50 Hz陷波電路的作用是濾除50 Hz工頻對心電信號的干擾。前置放大電路與50 Hz陷波電路如圖3所示(放大器型號為TLC2254CD)。帶通濾波電路主要由高通濾波器和低通濾波器組成，通頻帶為0.5 Hz～100 Hz，用于濾除心電頻率范圍以外的干擾信號。后級放大器將ECG信號進一步放大100倍左右(0 V～3.3 V之間)后，將采集信號輸入到控制芯片S3C2440的A/D轉換模塊中。

2.2 GPRS模塊的外圍接口電路

控制芯片S3C2440通過控制GPRS模塊實現心電數據的無線傳輸，通過串口對GPRS模塊發送控制指令，使其完成對心電數據的無線傳輸。GPRS模塊的功能：實現與S3C2440之間的數據交換和通過GPRS無線網絡與醫院監護中心的遠程計算機進行數據交換。GPRS模塊選擇索尼愛立信公司生產的GM47。GM47具有性價比高、使用簡便、模塊內嵌 TCP/IP協議棧、有很好的技術支持等優點。GM47串口采用2.75 V的CMOS電平，而S3C2440串口是TTL電平，因此兩者互相連接時需要電平轉換。GM47的外圍接口電路如圖4所示。

3 系統軟件設計

遠程心電監測系統的軟件包括系統軟件和應用軟件兩大部分。系統軟件主要由系統啟動代碼Bootloader、Linux操作系統內核、yaffs2根文件系統和 ADC、GPRS的驅動程序組成。應用軟件主要由心電數據采集、數據處理、數據存儲、LCD顯示和GPRS數據發送5部分組成，應用軟件流程圖如圖5所示。

系統軟件的組建過程：

(1)制作 Bootloader、Linux內核和文件系統。其中，Linux內核中要添加ADC和GPRS的驅動文件，并在.config文件中進行相應的配置,最后make生成Linux內核；向Nand Flash中依次燒寫制作好的 Bootloader、Linux內核和文件系統[3]。

(2)移植Web服務器 Boa。通過修改 boa.conf文件，設定默認網頁名稱和網頁文件、cgi-bin文件的存放路徑。通過修改rcS文件，使Linux啟動后自動設置IP地址并啟動Boa服務器。

(3)用HTML語言編寫登錄頁面[4]并將其存放到boa.conf文件設定的/home/boa/www文件夾中。

(4)把用 C 語言編寫的腳本文件 login.c、main.c、adc.c、gprs.c和.h頭文件放到Linux系統中，用交叉編譯器armlinux-gcc編譯成 login.cgi和 main.cgi文件。 把 login.cgi、main.cgi兩個腳本文件和心電監測頁面內容文件main_html一起存放到/home/boa/www/cgi-bin文件夾中。

(5)打開遠程計算機，輸入在rcS文件中設置的IP地址就可以進入遠程心電監測系統的登錄界面，輸入合法的用戶名和密碼就可以進入遠程心電監測系統的監測頁面，如圖6所示。在監測頁面上，醫生可以看見心電監測終端傳送來的心電波形、心率、QRS波振幅和時限、P波振幅和時限、T波振幅和時限、P-R間期和Q-T間期等指標。

4 實驗結果

為了驗證系統采集處理心電信號的準確性，采用遠程心電監測系統和傳統的心電監測儀進行比對試驗。用心電信號模擬發生器產生各種監測信號，把相同的監測信號輸入到遠程心電監測系統和傳統的心電監測儀，統計并對比兩個儀器分析的QRS波振幅和時限、P波振幅和時限、T波振幅和時限、P-R間期和Q-T間期等指標，對比結果如表1所示。從表1中可以看出，該系統能夠保證心電監測數據的準確性，滿足設計要求。

表1 兩種儀器心電圖波形對比

[1]張亞群，于龍飛，王坤林.網絡控制中心的遠程智能監控系統.計算機系統應用[J].2011，20(4)：1-5.

[2]張石，董建威，王軍輝，等.便攜式無線心電監護儀的低功耗設計[J].醫療衛生裝備，2006(7).

[3]王曉寧，王振臣，張少兵，等.Linux操作系統在 ARM9處理器上的移植[J].化工自動化及儀表，2010，37(02)：67-69.

[4]強鋒科技.HTML+CSS網頁設計指南[M].趙輝譯.北京：清華大學出版社，2010.