遠程無線心電監護系統的軟件設計

施敏敏，何學紅

(1.鹽城工學院實驗教學部，江蘇 鹽城 224000;2.江蘇林洋電子股份有限公司計劃部，江蘇 啟東 226200)

隨著人們生活和工作節奏的不斷加快，心血管疾病已逐漸成為威脅人類生命安全的主要疾病，發病率明顯上升，并呈低齡化趨勢發展。通過心電信號發現并及時診治心血管疾病，是降低發病率和死亡率的有效途徑。

利用當前日趨成熟的電子、通信和計算機技術，設計開發一套操作簡單、攜帶方便、價格適宜的遠程心電監護系統具有良好的應用價值。患者可以隨時隨地對自己的心臟狀態進行監護，減輕了奔波勞累和經濟開支、節省了時間和社會醫療資源;患者在熟悉的環境中實時監測，提高了心電信號的準確性，從而為病情的發現和診治贏得了時間;對于行動不便或自理能力較差的用戶實施遠程監護，遇到病情突變時能夠迅速報警，為患者提供及時的救助［1］。

1 系統整體結構

選擇以GPRS通信技術為平臺［2］，設計了一套基于飛思卡爾DSC的遠程心電信號監護系統。該系統主要包括心電采集、數據傳輸和遠程監護3部分。整體框架如圖1所示。

圖1 系統整體框架

心電信號采集模塊負責對患者的心電信號進行長時間實時采集，同時輔以心電信號調理電路，對采集到的微弱心電信號進行放大、濾波，然后由微控制器控制遠程通信模塊，將心電信號數據發送到醫院中心監測站的遠程服務器，醫護工作人員操作遠程服務器上的心電信號監護軟件，對接收到的心電信號數據進行進一步的處理和分析，給出診斷意見，為患者的治療提供實時的遠程指導;對一些突發病情，可以贏得寶貴的搶救時間［3］。

2 系統硬件設計與成果

系統的硬件部分包括心電信號采集模塊和遠程通信模塊兩部分。心電信號采集模塊主要包括電極、心電導聯系統、前置放大電路及右腿驅動、高低通濾波電路、50 Hz陷波電路、后置放大及電平抬升電路等部分。遠程通信模塊主要由 MC9S12XS128單片機、GPRS模塊、SIM卡電路、電源電路組成［4］。設計的遠程無線心電監護系統樣機，在強烈的噪聲中仍能夠采集到準確的心電信號，盡可能地減小了失真，如圖2所示。

圖2 系統樣機測試

3 系統軟件設計與實現

遠程心電監護系統軟件包括兩部分:監護終端軟件和遠程服務器監護軟件。監護終端軟件即為單片機軟件，主要是完成心電信號數據的采集控制、A/D轉換、發送等功能;遠程服務器監護軟件則是醫院監測中心的計算機軟件，主要完成心電信號數據的接收、顯示、存儲及報警等功能［5］。

3.1 單片機程序

單片機不僅要完成系統初始化設置，還要完成單片機的工作控制、無線傳輸控制等。為便于程序的調試、連接和修改，設計時分成3個模塊:(1)單片機主程序模塊:初始化心電信號監護系統終端的各個模塊，控制各個模塊的工作狀態和工作流程，實現遠程心電監護系統的總體功能。(2)心電信號采集模塊:主要完成心電信號數據的采樣工作。(3)心電信號數據無線傳輸模塊:完成無線傳輸芯片SIM300模塊的初始化、傳輸控制等功能［6］。

3.1.1 單片機主程序模塊

單片機主程序模塊的流程圖如圖3所示。

系統初始化:單片機系統初始化包括鎖相環的初始化、串口初始化、A/D初始化等。(1)鎖相環的初始化。(2)串口初始化。單片機有兩個SCI模塊，可任選其一。SCI的初始化主要包括波特率設置、通信格式的設置、發送接收數據方式的設置等。(3)GPRS初始化。系統初始化結束后可以進行GPRS初始化，GPRS初始化是通過SCI串口向SIM300模塊輸入AT指令，然后根據串口接收的返回值來完成，具體流程如圖4所示。

圖3 主程序流程圖

圖4 GPRS初始化流程圖

其中當“AT ”的返回值為“OK”時，則表示成功啟動SIM300模塊，否則表示啟動失敗;當“AT+CGATT? ”的返回值為“1”時，則說明GPRS打開成功，否則說明打開失敗;“AT+CIPSTART=＜mode＞，＜IP address＞，＜port＞ ”中mode表示通信協議，IP address表示遠程服務器IP地址，同時要求該地址為公網IP地址，port表示遠程服務器開放的端口號，該指令的返回值為“CONNECT OK”時，表示登陸Internet成功，即GPRS的初始化即結束。

3.1.2 心電信號采集模塊

心電信號數據的采集流程如圖5所示。其中A/D轉換之前應按照要求對轉換位數、掃描方式、采樣時間、時鐘頻率及標志檢查等方式進行設置，然后通過控制寄存器發出轉換命令，即可實現A/D轉換。

圖5 心電數據采集程序流程圖

3.1.3 心電信號數據無線傳輸模塊

心電信號數據的傳輸是MC9S12XS128單片機通過SCI串口通信控制SIM300 GPRS模塊來完成。通過SCI串口向SIM300模塊輸入“AT+CIPATS=＜MODE＞，＜TIME＞”，以此來設定自動發送的時間，其中MODE可以設置為0或者1，0表示不設定時器，1表示設定時器;定時的長度由TIME設置具體的數值，單位s。接著輸入指令“AT+CIPSEND”，等待返回“＞”后輸入要發送的數據，定時一到自動發送輸入的數據。當返回值為“SEND OK”時，表示發送結束。具體的數據傳輸流程如圖6所示。

圖6 心電信號數據傳輸流程圖

3.2 遠程服務器監護軟件設計

計算機軟件選擇LabVIEW設計完成。LabVIEW是由美國NI公司設計的圖形化編程軟件，專門用于數據采集與儀器控制、數據分析和數據表達，已廣泛應用于航空、航天、通信、電力、汽車、電子半導體、生物醫學等領域。

3.2.1 數據顯示模塊

心電信號監護系統的前面板如圖7所示，數據顯示主要包括心電信號波形顯示、檢測結果顯示以及報警顯示。

圖7 心電信號監護系統的前面板

心電信號波形顯示的是從串口接收到的心電信號數據，經過轉換后的心電曲線。醫院中心監測站的工作人員隨時觀察、分析患者的心電信號波形，及時給出診斷意見。

檢測結果顯示的是心電信號的峰值、谷值、峰峰值、R－R間期、頻率、心率。設計時選擇函數選板【Express】→【信號分析】子選板上幅值和電平測量、信號的時間和瞬態特性參數兩個函數分別測量心電信號的峰值、谷值、峰峰值和R－R間期、頻率。

報警顯示部分是對所采集心電信號的心率判斷，然后用布爾指示燈顯示報警狀態。一般正常人心跳次數是60～100次/min，＜60稱為心動過緩。成人每分鐘心率超過100次，稱為心率過速。本設計中的判斷方法就是設定心率上限為100次/min，下限為60次/min。當采集的心率低于60次/min時，點亮心動過緩的指示燈;當采集的心率高于100次/min時，點亮心動過速的指示燈顯示心率異常報警狀態，提示醫護工作人員進行適當的處理。

3.2.2 數據保存和回放模塊

將采集的心電信號數據一方面在前面板上顯示，同時還要求保存，尤其是心電信號波形，醫護工作人員以后需要觀察和分析時可以隨時調用。LabVIEW本身不具備數據庫訪問功能，程序設計中采用了LabSQL工具包解決LabVIEW房屋內數據庫的方法。

如果將波形文件直接存儲在數據庫中，就會因為每個波形數據的長度都過大而增加數據庫的容量，造成系統運行緩慢。因此考慮將波形文件以文本方式統一保存在“波形”的文件夾中，在數據庫中只記錄保存的路徑及文件名。在需要重新打開波形文件時，先從數據庫讀取它的保存路徑及文件名，然后通過它直接打開波形文件。操作時只需點擊前面板上的“保存”按鈕，調用相關子程序就可以把心電信號波形保存到“波形”文件夾中。

通過回放心電信號波形，醫生對病人的病情可以深入了解，全面考慮，做出正確診斷，從而能為患者提供更為準確、有效的治療方法。操作時，醫護工作人員只要點擊“回放”按扭，在彈出“波形”文件夾中選擇相應的波形數據，就可以看到先前保存的波形數據。

3.2.3 遠程服務器監護軟件的測試

利用LabVIEW提供的【信號處理】→【信號生成】函數選板上的信號函數作為監護軟件測試時的數據源;運行軟件，能夠將信號波形顯示在前面板上，并對相關參數進行了測量和判斷，圖8為選擇了一個周期Sinc信號的做的測試結果。

圖8 數據顯示模塊的測試

4 結束語

完成了遠程心電信號監護系統的硬件設計，但某些內容的研究不夠深入全面，還存在許多不足之處。今后將從以下幾個方面繼續努力研究:(1)日趨成熟的3G技術將是未來數據傳輸技術的通訊方式，這樣能夠大幅度地改善傳輸速度和精度。(2)遠程服務器的監護軟件設計上可以更好地借助LabVIEW提供的各種函數，結合心電信號處理算法，對采集到的心電信號數據做更深入的分析處理，優化監護軟件的功能，使得遠程無線心電監護系統更加人性化、智能化。

［1］施敏敏.基于飛思卡爾DSC與GPRS的遠程無線心電監護系統［D］.南京:南京理工大學，2011.

［2］張開玉.基于GPRS的遠程心電監護系統研究［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學，2008.

［3］席景叢.遠程心電監護系統的研究與設計［D］.武漢:中國地質大學，2010.

［4］李旺.遠程心電監護系統的設計［D］.北京:北京郵電大學，2010.

［5］張旭.便攜式遠程實時動態心電監護系統的研究［D］.哈爾濱:東北農業大學，2010.

［6］張重雄.虛擬儀器技術分析與設計［M］.北京:電子工業出版社，2009.