用單片機實(shí)現三導聯(lián)遠程心電監護系統

1 引 言

隨著(zhù)人們生活水平的提高、生活節奏的加快，心血管疾病的發(fā)病率迅速上升，已成為威脅人類(lèi)身體健康的主要因素之一。而心電圖則是治療此類(lèi)疾病的主要依據，具有診斷可靠，方法簡(jiǎn)便，對病人無(wú)損害的優(yōu)點(diǎn)，在現代醫學(xué)中，變得越來(lái)越重要。常規心電圖是病人在靜臥情況下由心電圖儀記錄的心電活動(dòng)，歷時(shí)僅為幾s～1 m，只能獲取少量有關(guān)心臟狀態(tài)的信息，所以在有限時(shí)間內即使發(fā)生心率失常，被發(fā)現的概率也是很低的。因此有必要通過(guò)相應的監護裝置對患者進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的實(shí)時(shí)監護，記錄患者的心電數據。又由于心臟病的發(fā)生具有突發(fā)性的特點(diǎn)，患者不可能長(cháng)時(shí)間地靜臥在醫院，但又需實(shí)時(shí)得到醫護人員的監護，所以研發(fā)相應的便攜式無(wú)線(xiàn)心電監護產(chǎn)品就顯得更加重要。

目前雖說(shuō)國內已有成型的無(wú)線(xiàn)心電監護產(chǎn)品，但其采用的方案大都是“采集器+發(fā)送器（pda或手機）”，這必然導致其價(jià)格昂貴，且pda或手機的其他功能對于絕大部分患者完全沒(méi)有必要，所以到目前為止國內實(shí)用的無(wú)線(xiàn)心電監護產(chǎn)品領(lǐng)域還是空白。本文所述的遠程心電監護系統是在醫院的提案基礎之上，進(jìn)行充分調研之后設計的總體方案，主要實(shí)現如下功能： 三導聯(lián)心電信號采集； 無(wú)線(xiàn)傳輸緊急情況下40 s的心電數據及診斷結果； 24小時(shí)心電圖連續記錄； 通過(guò)高速u(mài)sb上傳心電數據至pc機； 緊急呼叫。

2 系統總體設計

作為便攜式手持遠程移動(dòng)終端，在設計時(shí)應充分考慮其體積小，功耗低，存儲容量大和處理速度高的要求，因此在cpu的選擇上十分慎重。經(jīng)過(guò)資料收集和反復比較，最終選擇了samsung公司推出的基于arm920t內核的s3c2410處理器，該處理器資料豐富，性?xún)r(jià)比高。 采用risc架構的arm微處理器一般具有如下特點(diǎn)： 體積小，功耗低，成本低，性能高； 支持thumb（16位）/arm（32位）雙指令集； 大量使用寄存器，使指令執行速度更快； 尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執行效率高； 指令長(cháng)度固定。

可以看出基于arm的嵌入式處理器是便攜式手持終端的最佳選擇，所以在設計系統方案時(shí)首先定位在該系列處理器上。s3c2410處理器基于arm920t處理器核，采用0.18 μm制造工藝的32位微控制器，采用五級流水線(xiàn)和哈佛結構，最高運行頻率為203 mhz。該處理器具有：獨立的16 kb指令cache和16kb數據cache、mmu、支持tft的lcd控制器、nand閃存控制器、3路uart、4路帶pwm的timer、豐富的i/o口、8路10位adc、touch screen接口、iicbus接口，以及2個(gè)usb主機和1個(gè)usb設備等豐富的外圍設備。

s3c2410提供了一套較完整的通用外圍設備，且使整個(gè)系統的功耗最低，從而免去了添加、配置附加外圍接口的麻煩，有效地縮小了線(xiàn)路板的面積，這也正是本系統選擇該處理器的重要原因。 系統的整體結構如圖1所示，以s3c2410為核心，外擴了8 mb的nor flash、64 mb的nand flash以及16 mb的sdram等存儲芯片，通過(guò)gpio口擴展了鍵盤(pán)、lcd和蜂鳴器等人機接口單元，對外提供usb和uart等通信接口，同時(shí)連接了siemens公司的mc35模塊，以實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳輸和緊急呼叫功能。從系統的總體功能結構來(lái)看，可將系統劃分為5個(gè)模塊：電源模塊、心電數據采集模塊、數據無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、圖形用戶(hù)界面模塊、數據存儲管理模塊。

系統采用單節1700 mah鋰離子可充電電池供電，但隨著(zhù)電量的釋放，電壓也在不斷降低，變化范圍為4.2~2.75 v。而本系統中分別需要一個(gè)4.3 v的mc35工作電壓、一個(gè)3.3 v的i/o電壓、一個(gè)1.8 v的cpu核電壓和一個(gè)1.8 v的cpu職守電壓。為了滿(mǎn)足系統的要求，電源電路中必須同時(shí)具備升壓穩壓器和低壓差線(xiàn)性穩壓器。為了解決該問(wèn)題系統采用1個(gè)開(kāi)關(guān)型升壓dcdc穩壓器、1個(gè)3.3 v極低壓差線(xiàn)性穩壓器和2個(gè)帶有shutdown引腳的1.8 v低壓差線(xiàn)性穩壓器來(lái)組成供電系統，供電方案如圖2所示。

由于心電圖信號的檢測是屬于強噪聲背景下的超低頻（0.5～100 hz）微弱（0.1～5 mv）信號檢測，具有微弱性、穩定性、低頻特性和隨機性等特點(diǎn)，故要求前置級應滿(mǎn)足高輸入阻抗、高共模抑制比（cmrr）、低噪聲、低漂移和高安全性。微弱的心電信號受到來(lái)自人體內外的多種干擾，其特征被淹沒(méi)在復雜的信號之中，為了使其特征突出，就有必要對其進(jìn)行預處理。系統采用的心電信號采集原理如圖3所示。其中前置級采用差動(dòng)放大電路，其放大倍數為22.4倍；后級放大電路的放大倍數為37倍，則總放大倍數為828.8倍。

2.3 數據無(wú)線(xiàn)傳輸模塊

本系統為遠程移動(dòng)終端，涉及數據的無(wú)線(xiàn)傳輸，為實(shí)現此功能采用了siemens公司的mc35模塊，并移植了tcpip協(xié)議棧和ppp協(xié)議，以完成心電數據的發(fā)送和診斷結果的接收。mc35是siemens公司推出的第一款支持gprs的gsm/gprs模塊，它體積小,易于集成到便攜式手持終端中，支持voice、data、fax以及sms等業(yè)務(wù)。處理器s3c2410通過(guò)異步串行通信接口與mc35相連，并通過(guò)at命令對該模塊進(jìn)行控制和數據傳輸。

在發(fā)送數據時(shí)，首先，應用層將采集到的心電數據提交給tcpip協(xié)議棧；然后，tcpip協(xié)議棧根據目的地址和端口將該心電數據封裝成完整的ip數據報，再提交至ppp層；最后，該ip數據報經(jīng)ppp層封裝之后，通過(guò)串口逐字節地提交至mc35并發(fā)送。在接收數據時(shí)，mc35首先將接收的數據逐字節地提交至ppp層；經(jīng)ppp層將分散的各字節重組成一幀完整的ip數據報之后，再提交至tcpip層進(jìn)行詳細的處理，具體流程如圖4所示。

在開(kāi)機初始化時(shí)要完成mc35的啟動(dòng)并登錄移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，建立與服務(wù)提供商的連接。一般在發(fā)送指令之前先要發(fā)送一條測試指令，以檢測mc35的當前狀態(tài)，該指令的格式為“atr”；在入網(wǎng)網(wǎng)關(guān)及流量控制等參數通過(guò)at指令設置完成之后，便可通過(guò)服務(wù)編碼99開(kāi)始呼叫與服務(wù)提供商建立連接，指令格式為atdt*99***1#rn。若在該指令執行之后給定的時(shí)間內返回connect信息，則表明與服務(wù)提供商的連接建立成功；否則，表明撥號失敗，無(wú)線(xiàn)傳輸功能無(wú)法正常啟動(dòng)。mc35成功登錄移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之后，將自動(dòng)從命令模式切換到數據通信模式，且串口通信方式由原來(lái)的查詢(xún)式變?yōu)橹袛喾绞?。此時(shí)由系統主動(dòng)發(fā)送一幀ppp請求信息，服務(wù)提供商接到該請求信息后主動(dòng)發(fā)出詢(xún)問(wèn)幀，協(xié)商相關(guān)參數的設置。待服務(wù)參數及用戶(hù)身份驗證成功之后，服務(wù)提供商為系統分配一獨立ip，至此便可認為gprs成功上線(xiàn)。