随着科学的发展,现代医疗的重心由原来的治疗为主转为预防和提高身体素质,而远程医疗、社区护理正是解决这一问题的有效办法。远程心电血压监护扩大了心脏疾病监护的应用范围,对于监测医院普通检查不易发现的突发性心脏疾病,有独特的优势,并很适合在家庭和社区医院对老人和行动不便的患者进行监测[1]。

已有的一些监护仪系统和血压检测系统,采用个人电脑或是工控机作为波形显示和数据处理的控制器,它们体积大,不易携带[2]。一些检测系统直接采用单片机做处理器的监护系统,功能较为单一,数据存储量小,使用不是很方便[3]。远程通讯技术、微处理器技术和电子技术的发展为医疗保健技术提供了新的平台。其中掌上电脑以其体小,功能强,交互性好的特点得到了越来越多的普及。例如,美国George W ashing2ton大学研制的基于Paml型掌上电脑的心电记录仪,可以记录三导心电数据,在掌上电脑上实时显示心电图[4]。Newl an[5]等开发了使用无线PDA作为心电发送工具的心电监护仪器。2002年,第三军医大学研制了与掌上电脑结合的具有远程传输能力的新型血压Holter[6]。使用掌上电脑来监测生理参数的方法,国外正在逐渐普及,而国内此方面的研究刚起步,本文在此方面做了有益的尝试。

本系统采用掌上电脑为平台,配以心电采集卡,组成心电血压采集系统。它有体积小,功能多,操作方便的特点,可以方便地在日常使用。这对扩大心电血压监护手段,拓展心电血压监护的范围做了进一步的探索。

系统组成

本系统由前端采集卡和掌上电脑组成。采集卡通过RS232串行口与掌上电脑通讯。掌上电脑通过M odem拨号上网与远程医疗中心通讯。

普通的心电血压采集模块体积大、功耗高,不适合与掌上电脑连接[7,8]。本系统为了提高实用性,设计了心电血压采集卡,集成了两路心电信号的采集和血压数据的采集功能。充分利用掌上电脑其人机界面友好,连网功能强的特点。整个系统便携性好,功能多,使用方便。

本系统所实现的样机,使用的是联想公司的天玑5000掌上电脑。该种机型为掌上电脑的普及类型,具有广泛的兼容性。联想天玑5000掌上电脑采用IntelStrongARM206MHz32位低功耗精简指令微处理器,具有16M b随机存储器(RAM ),32M b只读存储器(ROM ),240×320分辨率12Bit增强色触摸手写输入屏。掌上电脑内置扬声器,有CF卡插槽可外接W INWARD56K M odem,并有RS232串行口和手写输入笔。如图1所示,采集卡通过RS232串行口与掌上电脑连接,掌上电脑可以通过调制解调器拨号上网与在互联网上的远程医疗服务中心通讯。

心电血压采集部分

系统将心电接收、血压接收、心电血压发送3部分集成于一块采集卡(图2)。采集卡集成了两路心电放大电路。每一路心电放大电路包括信号放大、整形、滤波电路,并经过模数转换输入到单片机,由单片机对数据进行处理。本系统中的血压测量采用日本松下电工的EW274腕式血压计,可以方便的测量使用者血压和心率。系统设计了接口电路可以将血压计中的数据发送到采集卡单片机中。采集卡中用单片机控制心电信号和血压数据采集,处理后经RS232串行口向掌上电脑发送。我们为采集卡设计了电源管理系统,采用锂电池为采集卡供电,并配有锂电池充电电路。心电信号采集电路研究证明,结合标准十二导联心电图及临床观察来选择最佳监测导联,对动态心电图报告的可信性十分重要。监护仪现多采用双极胸导或三极胸导。多导联的选择可以帮助更好检测不同的心脏疾病。例如, M V5和M V6导联对分析P波、QRS波和S2T波、T波的异常波形很有利。M V1导联主要用于很少涉及到S2T段、T波改变的心脏节律的分析。本系统采用了双导的采集心电数据,可以反映心脏额面和横面上的心电变化,从而可以更好的反映使用者心电的活动情况,对心肌梗死和早搏进行更为准确的定位诊断[7]。

针对心电信号的特点,经过试验比较,我们采用的前置放大电路,针对常用的前置放大电路[8]

进行了改进。主要是将高通滤波部分提前,以更有效地去除电极产生的直流极化电压,使第一级放大电路的增益得以提高,从而提高了整个前置放大电路的共模抑制比。前置放大器采用INA128精密的仪表放大器。针对在不同电磁场环境下50Hz干扰有时会比较严重的情况,在电路中采用50Hz陷波器,对干扰噪声有很好的滤除作用。系统用数字电位器MAX5460控制心电信号放大系数,使不同幅值的心电信号可以放大到相似的水平,可以充分利用12BitA /D转换器的精度。低通抗混叠滤波器可将高频干扰滤除,以便于心电信号的A /D转换后对心电信号的分析。M SP430单片机的A /D转换器,可达12Bit精度,完全满足心电数据采集的需要,无需外接A /D转换芯片(图3)。这些改进都改善了心电信号采集电路的性能,简化了电路,减小了系统的体积。

血压数据读取电路本系统中的血压测量采用日本松下电工的EW274腕式血压计,它使用2节5号电池供电,当用户触发按钮后,血压计将自动充气至一固定袖带气压,而后渐放气,并在此过程中检测出被试者的收缩压、舒张压和心率。记录结果可存于血压计内,并同时记录下测量的日期和时间。本系统设计了接口电路,用ml393电压比较器将血压计电平转换到TTL电平,可以从腕式血压计内快速采集数据,其原理可参见张鹏鹏等人为血压监护系统设计的松下腕式血压计的。

电池供电部分考虑到掌上电脑耗电量较大,所以心电采集装置不再以掌上电脑串口作为电源,而是设计锂电池电压转换和充电电路。本系统采用的锂电池体积小,容量较大(200mA时),可提供3.6V电压,完全可以满足需要。电路采用MAX1675作为直流电压转换芯片,产生+3.3V电压,用MAX828直流转换电荷泵产生23.3V电压,供采集卡电路使用。系统采用MAX1879组成锂电池充电电路,可以保证使用者随时为心电采集卡充电,方便易用。整个电路工作时耗电量为25mA,采用锂电池供电后,可以连续工作8h。

经设计和试验,采集卡可满足体积小巧(85mm×50mm×22mm )和长时间工作的要求。

采集电路的控制部分

本系统采用掌上电脑触摸屏上显示用户界面,用户在掌上电脑触摸屏上点击按键,控制心电数据采集和血压数据采集。为配合掌上电脑控制,采集卡用M SP430单片机作为控制芯片,采用嵌入式C语言编写了控制程序,实现数据实时采集和传送。

单片机工作原理采集卡使用的M SP430F149单片机是TI公司最近推出的超低功耗微控制器。它采用冯·诺依曼结构与RISC精简指令集相结合,内置60kb Flash程序/数据存储器,2kb RAM,可利用JTAG接口在线编程调试。它还集成了部分外部模块,包括2个定时器、2个UART/SPI可选串行接口、1个12位精度A /D转换模块和1个看门狗模块。它内置了高频率的DCO振荡器,可以在外接32.768kHz低频钟表晶振的情况下保持高达5MHz的处理速度(图4)。

本系统中采用外接低频时钟源和内部定时器A配置,可以很方便地实现200Hz的A /D采样速度,同时降低了功耗。M SP430F149单片机有6×8个通用I/O口(P1~P6),本系统通过用软件模拟接口时序,实现对数字电位器的控制,可以实调整心电放大倍数。单片机集成两路UART/SPI可选串行接口。本系统中采用单片机的异步通信方式,用异步串行口1(UART1)实现了单片机与掌上电脑的全双工串行通信[10]。心电采集程序M SP430单片机内置12Bit精度的A /D转换模块ADC12,它有高速、通用的特点。ADC12的采样时序可以通过软件来控制。

本系统中采用M SP430的定时器A作为时钟信号源,用定时器中断设置200Hz采样率。每当定时器A的中断到达时,从采集电路读取心电数据,进行A /D转换,并读取转换后的数据。

M SP430的A /D转换有多种工作方式。本系统使用M SP430A /D转换的通道1和通道2采集心电模拟信号。在心电单导联监护时,采用单通道重复转换工作方式,连续读取一路数据。在心电双导联监护时,采用序列通道重复转换方式,循环读取两路数据。

单片机电源管理M SP430单片机为满足低功耗的要求的进行了特殊的设计。它可选择低频时钟源、高频钟源和数控振荡3个时钟发生器,分别作为时钟源产生主时钟、辅助时钟和子时钟3个不同频率的时钟信号,分别为高速信号处理或低功耗需求提供相应工作方式。实际使用时,M SP430设有多种工作模式,可以通过禁止M SP430CPU和关闭、切换工作模块的时钟,进入低功耗模式。而M SP430单片机独特的中断唤醒设计,可以在有外部事件触发时将CPU从各种低功耗模式中唤醒,并选择单片机正常工作的时钟,使单片机进入正常活动模式。我们充分利用了M SP430单片机的上述特性进行了设计。在心电血压监护仪记录过程中,绝大部分时间使单片机处于空闲等待状态,让CPU处于休眠低功耗状态。开始测量时利用串行通讯中断唤醒CPU,再选择正常工作时钟,启动各功能模块进行监护。采集卡接口采集卡使用RS232串口与掌上电脑通讯,实现数据的传输并接收相应的控制命令。本系统使用M SP430单片机的异步串行通讯口进行数据发送和接收,并采用了MAX2IM3221芯片进行电平转换,将单片机逻辑电平转换为RS232电平。异步串行通讯口采用9 600bts的速度,达到了实时显示和处理数据的目标。

心电血压数据的显示和传输

掌上电脑通过RS232串行口接收心电血压数据,显示心电波形,血压数据,并用液晶屏与用户交互,通过RS232串行口向单片机发出指令,与单片机配合,控制采集电路的工作,并通过M o2dem拨号上网发送心电血压数据。掌上电脑序在PocketPC中文操作系统上采用微软的M icrosoft Embedded Visual Tools工具开发[11]。

心电血压数据显示掌上电脑通过串口接收采集卡传送的数据,在屏幕上绘出相应的心电波形。接收的数据存储到文件,每个心电文件的文件名和文件内部都存有相应的时间信息。本系统采集每一路心电信号的同时也记录放大倍数,在显示心电波形的同时显示心电的电压幅度,方便了使用者观察,也为心电分析提供了重要的参考依据。掌上电脑通过串口接收采集卡传送的血压数据,可以用柱状图的形式显示收缩压、舒张压数据,同时显示心率和记录时间。

心电数据分析掌上电脑在显示心电波形的同时分析异常心电信号,并在出现异常心电时报警。单导联心电信号检测技术是心电分析技术的基础,本论文的工作就采用了单导联进行心电信号分析。胡鹏等人利用连续小波变换及其在不同尺度上的变化规律对心电信号进行分析,可以对常见的6种心律失常,进行自动判别。通过采用M IT心电数据库的数据进行测试,QRS波的正确检出率在99%以上,而室性期前收缩、房性期前收缩的正确检出率在90%以上[12,13]。本论文中就采用了此种检测方法。在移植中充分考虑到了实时性的限制,采用定点运算,实现了心电数据的实时检测。

数据的远程通讯本系统中掌上电脑可以通过M odem (调制解调器)拨号上网,使用TCP/IP协议的W insock编程,只要用户就可以拨号连接到Internet即可与中心站通讯。在心电血压发送完毕后还可以接收中心站的反馈信息。

结果与讨论

本系统利用掌上电脑,结合生理参数检测技术、微电子技术和信号处理技术研制了心电血压监护系统,具有便携性、智能化的特点和远程传输能力。较好地解决了远程对心电血压数据进行监护的问题,可以很好的拓展心电血压监护的范围。

本系统的参数如下:

1)前置放大电路共模抑制比达到了90dB以上。我们用示波器观察采集志愿者的心电信号,检测前置放大电路的效果,完全满足移动监护设的要求,高于AAM I (association for the ad2vancement ofmedical instrumentation)的规定(标准心电采集电路共模抑制比的最小要求为89dB,移动监护设备的最小要求为60dB[14])。

2)血压数据转换接口,可以准确读取腕式血压表近30次血压数据,并可记录数据采集的日期、时间。

3)本系统移植了胡鹏等人的心电算法软件[12,13],可以对心率失常的心电信号作出实时检测。

4)由于采用低功耗单片机和元件,整个系统十分省电。采集卡的耗电量低于25mA。在采集卡内配备了小型锂电池,可以连续使用近8h。此系统在清华园社区范围内进行了试用,取得较好的效果。

本系统可以方便地在家庭和社区使用,为实现远程医疗、社区护理提供了一种有效办法。随着掌上电脑的普及和功能的增强,它可在生理信号监护领域发挥出更多的作用,本研究结合心电、血压监测在这方面作出了一些有益的探索。

摘自：中国计量测控网