基于無線通信的心電監護系統設計

李偉++楊艷++陳萬++唐松

摘 要：設計了基于無線網絡的遠程心電監護系統，該系統方便醫生實時了解病人的身體狀況，患者可以得到及時、準確的醫療救護。系統中應用了性能優化的CC2530芯片，通過無線通信的方式，完成心電信號的監護。最后經過通過仿真測試，證明了所設計系統的有效性。

關鍵詞：心電信號 無線通信 監護系統 CC2530

中圖分類號：R540.41 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（b）0035-02

心血管疾病的死亡數字令人心驚，如果得心血管疾病的人都住院，在很大程度上浪費資源。因為很多人一兩年都不會突發疾病，而且醫院沒那么多資源去應對，所以就很有必要實現一種個人心血管疾病監護的儀器，可以隨身攜帶，基于無線傳輸，和醫院系統或者監護人相連。現在的電子設備越做越小，功能越來越強大，無線通信方面也越發成熟，就為實現這種應用提供了技術條件。

臨床醫學中，用于對各種心律失常、心室心房肥大、心肌梗死和心肌缺血等病癥檢查的最主要手段就是心電圖檢測。心電醫療監護系統能夠對心臟生理和病理狀態進行實時的檢測和監視，當病人的生理機能參數超出設定數值時發出警報，提醒醫護人員或家屬進行搶救。然而，傳統的醫療監護系統是建立在有線連接基礎上的，體積大，不便攜帶，要求在病人身邊使用，限制了病人和醫護人員的行動，增加了他們的負擔和風險。動態心電圖監護系統則成本昂貴，不便推廣應用。因此，開發和研制一種體積小，成本低、功耗小的心電監護系統具有重要的現實意義，將無線通信網絡與便攜醫療設備結合起來，是低成本醫療的發展與與個人健康管理的先進理念[1]-[2]。

1 系統總體設計

設計的硬件總體框圖1如下所示，由心電采集模塊、信號發送模塊、信號接收模塊組成。通過導聯系統獲得微弱的心電信號經心電采集模塊進行多次放大、過濾，再通過信號發送與接收模塊實現信號的傳遞，最后由接收模塊通過RS-232串口傳給電腦，實現信號的觀測與存儲。

1.1 信號采集模塊

心電信號屬于低頻、微弱和強噪聲背景下的自然信號，為了提取有用的心電信號，使得前置放大電路應具有高共模擬制比、高輸入阻抗、低噪聲和低溫漂等特點。為了更進一步提高前置放大電路的共模擬制效果，采用了右腿驅動電路。心電信號的頻帶范圍主要分布在0.05～100 Hz，為了在復雜的信號中提取出有用的心電信號，采用了四階低通濾波器和二階高通濾波器。雖然前置放大電路對共模干擾有很強的抑制作用，但是仍有小部分50 Hz的干擾信號沒有被濾除，再加上外界干擾和不可避免的因素存在，使得提取的有用信號中仍然有較強的50 Hz工頻干擾，因此設計了50 Hz陷波器。此時為了后期對提取的有用心電信號進一步處理，符合A/D轉換器的輸入電壓，需要進一步對信號進行放大，采用了二級放大電路。其整體結構如圖2所示。

1.2 信號的控制與傳輸

信號的接受與發送采用的是TI公司經過幾次優化的CC2530，該芯片適應于2.4GHz IEEE 802.15.4的RF收發器，具有極高的接受靈敏度和抗干擾能力，可編程的輸出功率高達4.5 dBm，且連接簡單，外電路只需接少量器件即可。微控制器選用的是MSP430F149用來實現對收發狀態信息的讀寫。

1.3 電源供電模塊

電源是各個模塊必不可少的部分，各個模塊所使用的電壓也有所不同，本次設計包括信號采集模塊電源設計、信號發送模塊電源設計、信號接收模塊設計和串口的電平轉換模塊。其中信號采集模塊使用的運放有AD627、OPA333和OPA2333，其所需電壓為-3.3 V，信號發射與接收模塊采用芯片MSP430F149、CC2530F64，所需電壓為+3.3 V。可以用三節干電池（4.5 V）來供電，對其進行電平轉換。

（1）對運放AD627、OPA333和OPA2333而言，需要將4.5 V轉換為-3.3 V，所采用的是ADM660芯片，可外加少量的器件即可實現電平的轉換，簡單易行。對MSP430F149、CC2530F64需要將4.5 V轉換為+3.3 V，可用電荷泵MAX1759實現。具體電路圖如圖3所示：

（2）信號接收模塊需要與電腦連接，從電腦端口的USB接口獲取+5 V的電壓，需要將5V電壓轉化為+3.3 V電壓，才能使單片機正常工作，本次設計采用芯片LM1117實現。

（3）接收器接收的信號要通過RS-232串口傳給電腦，但串口的TXD和RXD的電平為正負3伏到正負15伏之間，而單片機的輸出電平為0～+3V之間。必須要進行電平轉換，可用芯片MAX3232PCE來實現，該芯片所需電壓為5伏，可直接由電腦USB接口供電且只需接少量器件即可實現[3]-[4]。

2 軟件設計

（1）選用CC2530芯片具有低功耗的特點，采集到的心電信號通過串口通信，用Labview進行分析。由于Labview具有的高效率的信號處理模塊和友好的可操作界面。如下圖的心電信號采集登錄系統界面。

（2）Labview具有眾多圖形化的通信模塊和信號的采集、分析、處理等方便簡潔[7]?？梢詼p少電路的外圍器件，提高電路的穩定性和可靠性，另外labview還具有對采集到的信號進行有效的保存和回放功能，可以方便醫療人員隨時對心電信號進行查看比對。

3 結論

本文主要設計了基于無線網絡的心電監測系統。其中硬件部分包括信號采集、濾波、放大、處理、發設、接收等。通過實驗對系統進行了多次仿真測試、結果表明該心電監護系統能夠正確采集、存諸、處理心電信號。使得醫生能夠實時、準確地了解患者心臟的活動狀況，能夠在突發時刻采取相應的措施，以減少死亡率。

參考文獻

[1] 衛生部心血管病防治研究中心.中國心血管病報告[R].北京：中國大百科全書出版社，2006.

[2] 李洪旺.遠程無線心電監護系統的設計和實現[D].中國科學技術大學碩士學位論文，2009.

[3] 陳玉蘭.基于CC2420的無線傳感器網絡的硬件節點設計[D].南京：東南大學，2006.

[4] 成轉鵬，張躍.遠程心電實時監護終端的設計與實現[J].計算機工程，2007，33（11）：264-266.

[5] 顧菊康.手機心電遠程監測進展[J].臨床心電學雜志，2008，17（4）： 259-262.

[6] 彭曉珊.關于物聯網技術發展及應用前景的研究[J].汕頭科技，2010（1）：25-30.

[7] 田蘊青，孫曉靜.心電圖自動診斷系統的研制[J].中國醫療器械雜志，2001，2（4）：204-206.endprint