基于GPRS的便携式无线心电监护仪的设计

戴真桢

（浙江省立同德医院 设备科，浙江杭州 310012）

基于GPRS的便携式无线心电监护仪的设计

戴真桢

（浙江省立同德医院 设备科，浙江杭州 310012）

将心电图仪和无线传输模块GPRS集成，设计一种便携式无线心电监护仪，实现对心脏病人的实时监护。

便携式心电监护仪；远程监护；GPRS

TH772+.2

A

0 前言

21世纪我国将面临人口众多、交通拥挤、医院容量有限等一系列严重的社会问题，远程医疗技术的发展已成为医疗领域的热门话题，它可望为我们提供一个缓解上述问题的有效途径[1]。我们知道人体心脏是疾病的高发部位，心脏病是威胁人生命安全的一种常见病症，它可能在没有任何前期反应时突然发作。在1999年全球因心脏疾病而死亡的比率为30%[2]，特别是一些老年人，一般患有慢性疾病，心脏状况需要监控。随着科技的不断创新发展，国内外已经研制出许多种可移动心电监护仪，但是这些心电监护仪大多数是点式可移动设备，是最简单的远程医疗形式，其工作原理是：在特定时间或按下信号按钮“时间记录”后，对病人进行记录，然后通过公共电话网络(Public telephone network，PTN)将这些记录传送到控制中心[3、4]。考虑到许多病人发病不是在特定时期内，病人需要进行不间断监护，我们决定结合当前移动通信系统，研究一种新型的基于GPRS通信的心电监护仪。这种新型的心电监护仪具有很大的潜力[5-7,8]，能够实现病人的实时监护，在情况危急时可以及时联系医疗服务中心。

1 系统设计

无线心电监护仪由心电信号采集部分、MCU控制部分、人机接口部分（键盘和LCD）、无线通信部分、电源部分等组成。无线心电仪系统结构如图1所示。

图1 整体功能框图

无线心电监护仪的工作原理如下：人体心电信号经过导联电极由低噪声、高输入阻抗、高增益、高共模抑制比的生物信号前置放大器进行放大和滤波，由单片机自带的A/D转换器将模拟心电信号转换成数字信号，并检测QRS波统计心率。发射模块配备了按键输入；段码LCD显示屏显示心率和模块工作情况。心电数据通过GPRS无线模块传输给远程服务器进行后续处理。

1.1 心电信号采集与调理

1.1.1 心电信号前置放大

可采集的心电信号是心脏的动作电位产生的。心壁收缩产生的动作电位将电流从心脏传遍全身，传播电流在身体的不同位置产生不同的电位，可由电极通过使用金属和盐制成的生物变送器在表皮感应到。此电位是一种带宽为 0.05Hz～100Hz（有时高达 1kHz）的 AC 信号。存在更大的外部高频噪声加 50Hz/60Hz 干扰的正常模式（与电极信号混合）和共模电压（所有电极信号共有）时，它的峰至峰值一般约为1mV。

共模电压部分由两个部分组成：①50Hz 或 60Hz 干扰；② DC 电极偏移电位。生物物理带宽范围内的其它噪音或更高频率来自移动伪像，移动伪像会改变皮肤电极接口、肌肉收缩或肌电图峰值、呼吸（可以是有节奏的或无节奏的）、电磁干扰 (EMI) 以及源自输入耦合的其它电子器件的噪声。有些噪声可借助高输入阻抗仪器放大器 (INA)消除，这种放大器可消除两种输入常见的 AC 线路噪声，并放大输入中存在的剩余不规则信号；共模抑制比(CMRR)越高，噪声抑制就越高。

仪表放大器基本要求：低增益下的稳定性（G为1～10）高共模抑制 (CMR) 低输入偏置电流 (IB)。 在此要求下，选择使用ANALOG DEVICES公司的仪表放大器AD8221。

AD8221主要有如下特点：具有优异的交流特性，共模抑制比高，当G为1V/V时，共模抑制比最小为80dB；优异的直流特性，最大输入失调电压为25μV；最大输入失调电压温漂为0.3μV/℃；最大失调电流为0.4nA；噪声非常低，在频率为0.1Hz～10Hz时，仅有0.25μV的输入噪声；增益可由单一电阻进行控制为1～1000V/V。由于AD8221具有低失调电压、低失调电压温漂、低增益漂移、高增益精度等特点可广泛用于精确数据采集、生物医学信号分析和航空航天仪器系统中。

1.1.2 心电信号二级放大与滤波

因为人体的个性差异及导联粘贴的位置不同，采集到的心电信号幅值会有较大差异，所以通过数字电位器控制前置放大的放大倍数，使放大后的心电信号有较一致的幅值。数字电位器选用MAXIM的MAX5413，电阻大小在0～10kΩ可编程控制。

运算放大器选用TI的OPA2348，OPA2348是2运放，OPA2348具有以下特点：45μA供电电流，轨到轨输入输出，2.1到5.5V供电，封装尺寸也很小，可应用于电池供电的便携式医疗仪器中。使用OPA2348的一颗运放做二级放大和低通滤波，另一颗运放做高通滤波，保留.05～100Hz的心电信号。1.2 处理器（MSP430F449）

MSP430通过自带的ADC采集心电数据，监控电源，处理按键输入，驱动LCD显示，驱动无线模块完成无线通信。根据系统的需要和成本的考虑，选择MSP430F449。

处理器选择使用TI的MSP430X4XX系列低功耗微处理器。我们选择使用MSP430F449，具有60K Flash，2K RAM，工作电压为 1.8～3.6V，包含集成的 LCD 控制器，在工作模式下电流<1mA，在睡眠模式下电流仅仅有1μA，是手持的低功耗测量和医疗仪器应用的理想选择。

系统使用MSP430F449的12-Bit A/D 转换器（内部参考电压、采样保持和自动扫描）采集调理好的心电信号，采用单通道、单次转换和定时器触发的工作方式对心电信号进行模数转换，采样频率设置为512 Hz。

使用定时器按采样频率的速度在LCD上描点并连接就能得到心电波形。可以看到，原始数据的波形还是带有一些高频噪声（如图2），采用FIR低通滤波滤除高频噪声后能够得到很干净的心电波形数据（如图3）。最后使用FIR高通滤波，去掉基线漂移可能引起的误差后，使用阈值探测和时间窗口得到每分钟的心率数据（如图4）。

图2 原始数据

图3 FIR低通滤波后数据

图4 FIR高通滤波后数据

1.3 无线发射模块

微处理器采集的心电数据通过GPRS模块发射到远程服务器。微处理器与无线模块的物理接口为RS232，通过AT命令控制GPRS模块的应用。 无线模块采用Sony Ericsson的GR47作为主芯片。很多GSM模块可以通过GSM/GPRS直接接入互联网，如果模块上没有TCP/IP协议栈，它则必须在其应用或外围的微处理器中体现。索尼爱立信GR47/48模块正是一种内置TCP/IP协议栈的模块之一，为开发基于GSM/GPRS网的TCP/IP应用提供了一套完整工具。其机对机通信商业解决方案(M2mpower Business Solution)是一个强有力的支持环境，专为促进提高成本效益比率的无线机对机应用的研发而设计。M2mpower使开发者通过运用特定的开发工具，能够更容易地将无线应用直接嵌入兼容的索尼爱立信机对机产品中。M2mpower与可编程无线器件GR47/48一同被引入，其脚本语言是建立在工业级ANSI C语言的基础之上，使开发者将现有的应用可以平滑地转换到M2mpower。

GR47/48模块具有的功能：其TCP/UDP会话可以通过一个命令启动；它还提供为统一资源定位器(URL)查询IP地址的功能；最有用的特点之一是IP服务器侦听功能，该功能允许通信模块启动与网络的对话，例如，一个被分配的IP地址无需连接任何部分，只要等待该单元接收一个基于IP的连接引入请求，即可实现。

1.4 电源管理

由于GPRS通信消耗较大电流，所以无线心电仪采用三节NiMH电池输入。电源管理部分，选用TI的BQ2002T NiMH电池充电管理芯片实现充电功能；选用TI的TPS61026输出3.3V电源，使用MAX1687得到负电源轨。

BQ2002T是TI公司的低价格、CMOS的电池充电管理芯片，能为多节NiMH或NiCd电池充电。TPS61026是TI公司的DCDC，具有96%的效率，输入电压0.9～5.5V，输出电压为3.3V时，最大输出电流为1.5A，满足GPRS通信的需要。

2 结论及展望

本文介绍了基于GPRS的一种便携式心电监护仪的设计，它将心电图仪、高效的数据处理模块、GPRS调制解调器集中在一起。其优点：

(1) 它可对病人进行方便、安全、可靠的全程监护。无线通讯采用GPRS网络，它具有永远在线的特点。无论何时病人感觉不适或心律异常，他的心电图信号都会被传到医疗中心加以分析。而以前的心电监护仪是无法实现实时监控的功能的。

(2) 通过这种新型仪器，在接收端,一个监护站可以同时监护多个不同的病人，可以大大提高医疗工作的效率，提高医疗资源的利用率。随着科技的不断发展,我们还可以将最新的移动通信技术3G标准引用到这个系统中来。这样,可以大大提高数据传输的速度及抗干扰能力,使得监护效果不断增强。

当然，这套系统还有许多的不足：

(1) 服务器端工作站软件的设计还需不断改进，尤其是对多用户的同时监护及对被监护病人心电波形异常的报警。

(2) 在服务器端监护的医生的支持还需加强。这套系统暂时只能做为临床医生的辅助工具，还不能代替医生作出诊断。因此，服务器端医生诊断能力的高低及对这套系统的掌握程度直接影响到系统功能的发挥。

(3) 这套系统是需要大量的配套设施支持的，以一个医院为单位来运行这套系统，可能无法发挥它的最大功效。

在其他许多文章中，提到过以一个地区为单位建立一个远程医疗监护中心，将这套系统归为远程医疗监护中心的一部分来运作，会有较好的效果。所有这些都是我们在下一步研究工作中要改进的地方。相信有一天无线心电监护能为人类战胜心脏疾病做出重要的贡献。

[1] 尧德中,李永杰,周山宏.生物医学中的信息技术[J].电子科技大学学报,2001,2(3):33.

[2] 唐艳,汤井田.应用移动通讯技术设计心电监护系统[J].生物医学工程学杂志,2006,23(5):1130.

[3] 安源,沙洪.电话传输式心电远程监护系统的研制[J].医疗卫生装备,2001,22(3):53.

[4] 沙洪,等.电远程监护系统的研制[J].中国心血管杂志,2000,5(2):943.

[5] Istepanian RSH.Guest editorial special issue on mobile telemedicine and telehealth systems[J].IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine,2000,4(3):194.

[6] Woodward B,Istepanian RH,Richards C.Design of telemedicine system using a mobile telephone[J].IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine,2001,5(1):13.

[7] Pattiches S,Kyriacou E.Wireless telemedicine systems an overview[J].IEEE Antenna's&Propagation Magazine,2002,44(1):143.

[8]梁妃学,等.面向过程医疗的生理监护系统[J].中国医疗设备,2008(6):11-13.

Design of a Portable Wireless Electrocardiogram(ECG) Monitor Based on GPRS

DAI Zhen-zhen
(Equipment Department, Zhejiang Provincial Tongde Hospital,Hangzhou Zhejiang 310012,China)

Design a portable wireless electro-cardiogram monitor by integrating electrocardiograph and wireless transmission module, and realized the real-time monitoring to cardiac patient.

portable wireless electrocardiogram monitor;remote monitoring;GPRS

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.02.008

1674-1633(2010)02-0021-03

2009-05-25

2010-01-07

作者邮箱：hzdzz@163.com