基于GPRS的遠(yuǎn)程心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)終端

1、    基于GPRS的遠(yuǎn)程心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)終端        姚湘平, 張 躍, 代少升 時(shí)間:2008年06月18日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        摘要：關(guān)鍵詞： 心電 GPRS 單片機(jī) 無線實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)?在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，心電信號是診斷心血管疾病的重

2、要依據(jù)。傳統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備在心血管疾病的診斷與治療中起到了很重要的作用，但這一類監(jiān)護(hù)設(shè)備一般只能在醫(yī)院里使用，而可以隨身攜帶的Holter又只能實(shí)現(xiàn)心電信號的回放而不是實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。基于無線通信的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)給了患者較大的活動自由，用戶可以不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，隨時(shí)隨地得到醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心的監(jiān)護(hù)，在出現(xiàn)緊急情況時(shí)可以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并救治。美國、澳大利亞和歐洲一些國家進(jìn)行了遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)的研究，部分公司還推出了相應(yīng)的監(jiān)護(hù)儀1，國內(nèi)也有部分高校和研究單位進(jìn)行了相關(guān)的研究工作，取得了一定成果，但并未開發(fā)出成熟、實(shí)用的系統(tǒng)。這里利用業(yè)已成熟的GPRS技術(shù)設(shè)計(jì)了一種便攜式遠(yuǎn)程心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)終端，克服了Holter只

3、能用于回放分析的缺點(diǎn)，可以對患者心電信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。下面詳細(xì)介紹該監(jiān)護(hù)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。1 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述本文只介紹監(jiān)護(hù)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器端的心電綜合分析軟件這里不再贅述。2 監(jiān)護(hù)終端硬件設(shè)計(jì)監(jiān)護(hù)終端硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示，它主要由以下幾部分組成：心電采集模塊、主控單片機(jī)模塊、GPRS無線通信模塊和電源模塊。2.1 心電采集模塊人體心電信號的主要頻率范圍為0.05100Hz，幅值范圍為0.55mV。心電信號中通?；祀s有其他生物電信號，還容易受到以50Hz工頻干擾為主的電磁信號干擾，因此對心電信號的檢測屬于強(qiáng)噪聲背景下低頻微弱信號的檢測。為得到適合于臨床應(yīng)用的干凈心電信號，必須對心電信

4、號進(jìn)行合理的放大和濾波處理，其原理框圖如圖3所示。23。實(shí)驗(yàn)表明，該采集方案所得到的心電波形毛刺少，基線漂移很小，具有良好的效果。為防止導(dǎo)聯(lián)脫落或松動而造成誤判，還設(shè)計(jì)了導(dǎo)聯(lián)脫落檢測及報(bào)警電路。運(yùn)算放大器LM358采用單電源供電時(shí)可接成跟隨器，當(dāng)其同相端處于懸空狀態(tài)時(shí)會輸出穩(wěn)定的高電平。導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路就是利用LM358的這一特性而設(shè)計(jì)的。2.2 主控單片機(jī)模塊主控單片機(jī)采用PIC16F877A單片機(jī)。該單片機(jī)可在線調(diào)試和編程，便于開發(fā)，而且功耗很低，適合應(yīng)用于對功耗敏感的場合。主控單片機(jī)主要完成心電信號A/D轉(zhuǎn)換并與GPRS模塊進(jìn)行通信，還負(fù)責(zé)外擴(kuò)Flash存儲器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘的管理。PIC16

5、F877A單片機(jī)具有10位片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，其工作方式和轉(zhuǎn)換結(jié)果存放格式通過寄存器ADCON0和ADCON1進(jìn)行設(shè)置，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果則存于寄存器ADRESH和ADRESL中4。在本設(shè)計(jì)中，選擇系統(tǒng)時(shí)鐘作為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，RA0作為模擬輸入通道。轉(zhuǎn)換結(jié)果格式為左對齊，即高8位存于ADRESH中，低2位存于ADRESL中?？紤]到A/D轉(zhuǎn)換本身存在的誤差以及壓縮無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)量的要求，在設(shè)計(jì)中忽略ADRESL寄存器中的數(shù)據(jù)，即只采用轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位。系統(tǒng)中心電信號的采樣頻率為500Hz，采用定時(shí)器TMR0完成2ms定時(shí)。單片機(jī)片外擴(kuò)展了4MB Nand Flash存儲器，用于暫存心電數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定

6、時(shí)間后由無線模塊集中發(fā)送，用戶也可以選擇在A/D轉(zhuǎn)換后不經(jīng)存儲就直接發(fā)送。在心電監(jiān)護(hù)中，醫(yī)生常要求知道心電信號出現(xiàn)異常的時(shí)間，因此使用DS1302設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。2.3 GPRS無線模塊GPRS無線模塊采用Wavecom公司的WISMO Quik Q2406B。該模塊工作頻帶為雙頻EGSM 900/GSM 1800MHz或GSM 850/GSM 1900MHz，支持GPRS多時(shí)隙class 10，可提供語音、數(shù)據(jù)、傳真和短信息服務(wù)功能。模塊射頻部分和基帶部分可共用一個(gè)電源，電壓范圍為3.3V4.5V5。模塊基帶部分內(nèi)嵌了GSM/GPRS協(xié)議棧，是否嵌入TCP/IP協(xié)議?？捎捎脩暨x擇。根據(jù)系

7、統(tǒng)需要，這里選擇了內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的模塊。GPRS無線模塊硬件連接如圖4所示。單片機(jī)對無線模塊的控制通過無線模塊主串口實(shí)現(xiàn)。無線模塊提供了一個(gè)符合V24協(xié)議的6線主串行接口，包括TX、RX、RTS、CTS、DTR、DSR等，此外還提供了與通用I/O口復(fù)用的DCD和RI信號接口。為節(jié)省單片機(jī)引腳資源，在設(shè)計(jì)中將無線模塊的CTS和RTS短接，TX、RX引腳分別與單片機(jī)的RC6、RC7引腳相連，其余無線模塊主串口引腳則不使用。單片機(jī)發(fā)送AT命令和心電數(shù)據(jù)給無線模塊，無線模塊則將響應(yīng)信息發(fā)送給單片機(jī)，從而完成單片機(jī)對無線模塊的狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)發(fā)送。無線模塊提供了與SIM卡相關(guān)的信號接口，SIMVC

8、C為SIM卡供電，SIMRST為低時(shí)使SIM卡復(fù)位，SIMCLK提供時(shí)鐘信號，SIMDATA用來實(shí)現(xiàn)與SIM卡的數(shù)據(jù)通信，SIMPRES用來檢測SIM卡是否插入。其中，SIMPRES信號接口可以不使用，如果不用則將其與VCC相連5。為調(diào)試和使用方便，在設(shè)計(jì)中還提供了GPRS連接狀態(tài)指示燈和硬件復(fù)位電路。2.4 電源模塊系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)連續(xù)24小時(shí)心電監(jiān)護(hù)，普通容量的電池難以滿足要求，因此選擇了3.7V 2400mAh的可充電鋰電池為系統(tǒng)供電。系統(tǒng)中單片機(jī)、儀表放大器、運(yùn)算放大器等芯片的電源電壓應(yīng)為5V，Q2406B無線模塊的電源電壓范圍為3.3V4.5V，所以必須采用不同的電壓產(chǎn)生電路來滿足不同的

9、電源電壓要求。本系統(tǒng)使用RichTek公司的RT9278來設(shè)計(jì)4V和5V電源電路，4V電源電路的驅(qū)動電流接近2A。系統(tǒng)還使用RT9501設(shè)計(jì)了鋰電池的充電電路，當(dāng)電路板連接外部電源時(shí)，將由外部電源為系統(tǒng)供電，同時(shí)為鋰電池充電。此外，還用RT9801設(shè)計(jì)了低壓報(bào)警電路，在電池電量不足時(shí)及時(shí)提醒用戶為電池充電或更換電池。Q2406B無線模塊使用了一個(gè)接收端口和一個(gè)發(fā)送端口，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)電流約為150mA，而1秒內(nèi)只需發(fā)送500字節(jié)數(shù)據(jù)，即大部分時(shí)間并不處于數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，所以其平均電流只有幾十毫安。用直流電源對電路板進(jìn)行供電，發(fā)現(xiàn)電路板的平均電流約為90mA。長時(shí)間測試表明，電源模塊工作穩(wěn)定，可以

10、保證約24小時(shí)的連續(xù)心電監(jiān)護(hù)。3 監(jiān)護(hù)終端軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)中單片機(jī)的主要任務(wù)是完成心電信號的A/D轉(zhuǎn)換并與GPRS無線模塊進(jìn)行通信以完成數(shù)據(jù)傳輸。本文只對這部分的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。串口工作于異步串行方式，RC6設(shè)置為串口輸出，RC7設(shè)置為串口輸入，波特率設(shè)置為9600bps，這足以滿足系統(tǒng)需求。ADC模塊的初始化主要是選擇A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘及其頻率、模擬輸入通道、轉(zhuǎn)換結(jié)果的對齊方式等，定時(shí)器0的初始化主要是選擇定時(shí)器的分頻比。然后單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的AT命令給GPRS無線模塊，使其進(jìn)入數(shù)據(jù)狀態(tài)(具體AT命令從略)。完成單片機(jī)和GPRS無線模塊初始化后，單片機(jī)即以500Hz采樣頻率對心電信號進(jìn)行采樣，并通過GPRS無線模塊向外發(fā)送心電數(shù)據(jù)，該過程不斷地循環(huán)。當(dāng)監(jiān)護(hù)結(jié)束時(shí)可以通過發(fā)送Ctrl+z(0x1a)使GPRS無線模塊退出數(shù)據(jù)狀態(tài)，然后通過AT命令將其關(guān)閉。監(jiān)護(hù)終端在深圳、北京、長沙等地已進(jìn)行了約兩個(gè)月的測試，整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，并結(jié)合軟件組同學(xué)開發(fā)的心電綜合分析軟件