基于SIM900A的智能心電監護系統客戶端

張晶如，邵建華，于篤發

(南京師范大學 物理科學與技術學院，江蘇 南京 200046)

0 引言

隨著社會進步人們生活水平的提高，心血管疾病已成為當代社會的頭號問題，據統計心血管病已成為頭號殺手，每年有約300萬人死于心血管疾病，換言之每4例人就有一人死于心血管疾病。

現有技術中提供了一種便攜式心電儀，該儀器包括一個腕式主機以及探頭前端。主機負責信號的處理以及顯示，探頭前端可以按在胸口實現手與胸口心電的采集。另外，還有一種手機式樣的三電極心電手機[1]，該儀器是在一個手機樣式的設備上集成三個電極，測試心電時需要用手握住設備上端并且把下端貼緊胸口。 這兩種裝置，可以方便地實現心電采集。但是利用胸口采集不適用于冬天使用，而且利用手胸導聯的心電不是標準模式，其診斷價值未知。

本文提出的智能心電診斷方案，克服現有技術的缺點，提供了一種只要使用雙手操作，不受環境限制，及時對患者心電進行監控，捕捉發現異常的信息的智能心電監護系統。

1 心電數據采集客戶端的總體結構

本方案所設計的心電數據采集用戶終端設備包括采樣電路、濾波電路、模數轉換電路、微處理器、存儲器、人機接口和通訊接口，采樣電路與濾波電路連接，將采集的心電數據傳送到濾波電路；濾波電路與模數轉換電路連接；微處理器與模數轉換電路、存儲器、人機接口和通訊接口連接。用戶終端設計模塊框圖如圖1所示。

圖1 用戶終端設計模塊框

2 心電數據采集客戶端的硬件設計

2.1 前置放大電路設計

采樣電極采用的是現在醫用心電監護儀常用的銀鎳合金電極[1-2]，它具有低接觸阻抗，不易氧化等特點，廣泛應用于微弱信號采集領域。將用戶的心電數據采集到后，首先進行的步驟是模擬放大。由于人體的心電信號的電壓范圍為1～10 mV，而單片機的AD轉換的參考電壓是2.5 V，因此必須對原始采樣信號進行放大，從而獲得更加精確的采樣值。在這里，本客戶端選用AD公司的一款儀用差分運算放大器AD8223作為前置放大電路。該放大器的突出優點是其優異的共模抑制性能和良好的頻率響應性能。當增益為5時，AD8223能夠在各級保持最小100 dB的共模抑制比，直至頻率達到10 kHz，因此，它能夠很好的抑制寬帶共模干擾，從而可有效的抑制共模干擾，同時確保信號不失真。

電路原理圖如2所示，該電路的放大倍數由反饋電阻RG即R83控制。

圖2 前置放大電路

2.2 主放大電路設計

主運放采用AD8607，它是一款精密JFET輸入放大器，具有真單電源供電、低功耗和軌到軌輸出等特性。當容性負載超過500 pF時，輸出仍能保持穩定；每個運放的電源電流小于630 μA。如圖4所示，該電路主要實現四個功能。

①二級放大:運放U6A和電阻R85，R68共同構成放大電路，放大倍數為15.4倍；②低通濾波:由于C41的存在，使得該電路的頻率響應特征為低通濾波，將高頻噪聲信號初步濾除；③高通濾波:當信號頻率 f小于1/(2πRC)時，在放大器 AD8607的作用下，AD8223的輸出為0；而當信號頻率超過f時，信號將通過AD8223放大輸出；④電位抬高，電路如圖3所示，由于單片機內部ADC模塊使用的是2.5 V參考電源，則中心電壓為1.25 V，因此需要將放大的結果抬高1.25 V，然后才能輸出給單片機的ADC模塊，由圖中R67,R66,U6A共同完成這一功能。

圖3 主放大電路

2.3 處理器的選擇

本客戶端嵌入式處理器選用的是 TI(德州儀器)公司 MSP430系列單片機最新推出的F5系列中的MSP430F5418A單片機。該單片機使用 RISC(精簡指令集)，工作頻率可以達到25 MHz，滿足本系統的應用要求。它的工作電壓可低至1.8 V，運行時單片機工作電流為165 uA/MHz，在低功耗模式下根可以達到0.1 uA的極限待機電流。非常適合應用在手持式低功耗設備中。

3 心電數據采集客戶端的軟件設計

整個系統分為5個模塊:A/D采樣模塊、GPRS通信模塊、RTC模塊、EEPROM模塊和顯示模塊。

采樣濾波模塊將模擬心電信號轉換成數字量，并對轉換的數據進行數字濾波，得到有用波形數據；GPRS通信模塊用來與指定服務器建立 TCP/IP連接；RTC模塊用來作為附帶時鐘顯示功能使用；EEPROM模塊對A/D采樣濾波結果進行暫時存儲。顯示模塊用來顯示使用者的即時心電波形、時間、心率等信息。

各模塊之間的關系如圖4所示，由于篇幅的關系，本章只詳細介紹采樣濾波模塊和GPRS通信模塊這兩個模塊。

圖4 系統軟件程序結構

3.1 ADC采樣濾波模塊設計

MSP4305418A內部自帶一個12路通道的12位高精度ADC采樣模塊，再加上本文設計的高精度基準電壓參考源，可以實現對模擬信號的精確采樣。本文所述客戶端中，使用了四路差分輸入的方式，采樣數據通過DMA方式傳輸。

由于硬件設計中所涉及的濾波器都是一階濾波器，濾波效果不能達到診斷級別要求，因此，需要對其進行軟件濾波。軟件濾波分為三個步驟:①低通濾波:使用簡化后的二階Butterworth低通濾波器；②工頻濾波:設計了一個50Hz帶阻 FIR濾波器，來濾除工頻分量；③心電信號恢復濾波器:本客戶端是一個便攜可佩帶式產品，要求其對人體的輕微抖動具備一定的消除作用，在硬件上本設計做了消除抖動的電路設計，但其副作用是具備心電診斷意義的ST段波形被消弱了。在軟件中設計了一個恢復濾波器，將 ST段波形恢復出來，使得該設備更具有診斷價值。

3.2 通用分組無線服務(GPRS)模塊TCP/IP通信的實現

SIM900A模塊內嵌TCP/IP協議，擴展的TCP/IP命令讓用戶能夠很容易使用 TCP/IP協議[3]。對SIM900A的TCP/IP連接以及數據傳輸的操作使用AT指令，表1中是本客戶端中所用到的部分AT指令[2,4]及其意義。

表1 部分AT指令及其意義

建立連接過程如下:首先啟動SIM900A模塊，將其進行復位，然后啟動 TCP/IP任務，并設置接入點APN為CMNET式網絡連接，接著發起一系列AT指令，與目標服務器建立可靠連接。接下來將AD采樣模塊輸出的心電波形數據發送給服務器。SIM900A一次最大發送1360 Byte數據，因此十秒鐘的心電數據將會被分成十段，每次發送1 kB的數據。

3.3 數據傳輸協議

在本系統中，服務器端使用的是使用 Redis協議[5-6]來實現 TCP/IP遠程通信的，為了避免數據傳輸錯誤，本文在ADC采樣的基礎之上，增加了起始位，結束位和校驗位，用來做數據檢驗。本系統使用和校驗的方法，便于單片機運算，也易于實現。

定長方式發送的數據通信協議如表2所示。

表2 數據通信協議

4 實驗測試

本文所述客戶端用于顯示和發送用戶的實時心電波形，經過實際心電信號測試，結果如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 心電波形顯示和發送

圖6 心電數據發送過程

圖7 心電數據發送成功

服務器接收到的數據可以通過網絡獲得，經過整理，服務器端獲得的數據整合成的波形如圖8所示。通過測試可以看出，本客戶端所采集的數據符合儀用診斷要求。

圖8 服務器端數據波形

5 結語

本文設計并實現了一款新型遠程心電監護系統客戶端電路及其軟件系統，由于本系統的器件選型較為合理，使得本客戶端成文市面同類產品中體積最小，便攜性最好。同時也不失其功能性和實用性。人們可以對其加以改進，可以使其成為一個集心電監護，運動計步，GPS定位等功能于一體的便攜式健康管理客戶端。隨著醫療信息化的發展，及人口老齡化的趨勢，這種網絡化的便攜式健康管理設備將會有很大的社會需求。

[1]李洪旺,楊勇,范慶安,等.遠程心電監護系統的設計和實現[J].生物醫學工程研究,2009,28(02):128-131.

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