摘要：為了能夠?qū)π难芗膊』颊邔崟r監(jiān)測心電信號，以便提供及時的救助，本文研究了一套遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)的硬件設計，通過保護與輸入緩沖電路、前置放大及右腿驅(qū)動電路、濾波電路、后置放大及電平抬升電路實現(xiàn)心電信號的放大、濾波。目前監(jiān)護系統(tǒng)的設計已取得階段性的成果，能夠在強烈的噪聲中，采集到準確的心電信號，盡可能地減小了失真。
關鍵詞：心電監(jiān)護；心電信號；硬件設計；無線傳輸；實時檢測

    隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們生活水平日益提高，工作節(jié)奏不斷加快，心血管疾病已逐漸成為威脅人類生命安全的最主要疾病，而且發(fā)病率明顯上升，并呈低齡化趨勢。通過心電信號來發(fā)現(xiàn)并及時診治心血管疾病是降低發(fā)病率和死亡率的一個有效途徑。
    利用當前迅猛發(fā)展并日趨成熟的電子技術、通信技術，設計開發(fā)一套操作簡單、攜帶方便、價格適宜的遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)具有很好的應用價值?；颊呖梢噪S時隨地對自己的心臟狀態(tài)進行監(jiān)護，減輕了奔波勞累和經(jīng)濟開支，節(jié)省了時間和社會醫(yī)療資源；患者在熟悉的環(huán)境中實時監(jiān)測，提高了心電信號的準確性，從而為病情的發(fā)現(xiàn)和診治贏得絕對的時間；對于行動不便或自理能力較差的用戶實施遠程監(jiān)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 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
    文中選擇以GPRS通信技術為平臺，設計了一套基于飛思卡爾DSC的遠程心電信號監(jiān)護系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括心電采集、數(shù)據(jù)傳輸和遠程監(jiān)護軟件3個部分。整體框架如圖1所示。

    心電信號采集模塊負責對患者的心電信號進行長時間的實時采集，同時輔以心電信號調(diào)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(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)院中心監(jiān)測站的遠程服務器，醫(yī)護工作人員操作遠程服務器上的心電信號監(jiān)護軟件，對接收到的心電信號數(shù)據(jù)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(fā)病情，可以贏得寶貴的搶救時間。

2 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)
    系統(tǒng)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(lián)系統(tǒng)、前置放大電路及右腿驅(qū)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幾個部分。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。整個硬件組成如圖2所示。

2．1 心電信號檢測電路設計
    1)保護與輸入緩沖電路
    心電信號從人體傳輸?shù)诫姌O輸入端的過程中，經(jīng)過人體電阻等不穩(wěn)定元素的衰減會出現(xiàn)失真；因此我們在輸入端增加一個保護與輸入緩沖電路來抑制有效信息的衰減，電路如圖3所示。保護電路是由兩個二極管組成的雙向限幅電路，對人體靜電或外部其他高壓干擾進行限幅，防止因過度激勵造成運放逆轉(zhuǎn)而失效。輸入緩沖電路中的輸入緩沖器選擇了AD公司的一款模擬運算放大器芯片：OP295，它是一個電壓跟隨器，輸入阻抗高，輸出阻抗低，便于和后續(xù)電路匹配。

    2)前置放大電路及右腿驅(qū)動電路
    ①前置放大電路
    人體體表采集到的心電信號非?；杖?，一般為0．05～5 mV，而且信號源阻抗比較大，這就要求放大電路增益大，輸入阻抗高；但是又因為心電信號存在強大的干擾，增益太大有可能導致靜態(tài)工作點的偏離，甚至進入截止或飽和，引起心電放大器的阻塞。因此設計中考慮放大電路分為兩級實現(xiàn)，前置放大增益為10左右，選擇由AD公司的儀表放大器AD620及外圍器件組成，電路原理圖如圖4右半部分所示。AD620的1、8號引腳之間接入的電阻R決定信號的增益，增益方程式為：G=1+49．4 kΩ／R，對于所設定的增益，控制電阻值為：R=49．4／(G-1)kΩ。本課題中為了使R為整數(shù)，取G=10．88，則R=5 kΩ，即圖4中R10為5 kΩ。

    ②右腿驅(qū)動電路
    心電信號采集時，很多的共模干擾會把微弱的心電信號淹沒，因此要求放大電路有很高的共模抑制比(CMRR)。為了進一步提高前置放大電路的共模抑制比，去除人體攜帶的交流共模干擾，我們選擇使用圖4左半部分的右腿驅(qū)動電路：由低功耗運放AD705、電阻網(wǎng)絡R8、R9、R10組成。其工作原理是：從前置放大電路的增益調(diào)節(jié)電阻處提取反饋信號，如果檢測出共模電壓，則輸入右腿驅(qū)動放大電路(R6、C5、R7、AD7 05)進行反相放大后反饋到右腿電極，這有效地降低了共模電壓。
    3)濾波電路
    ①高低通濾波電路
    心電信號的有用信息主要集中在0．05～100 Hz之間，為了抑制直流漂移、呼吸引起的基線漂移以及放大電路通頻帶外的低頻噪聲，本課題的設計中選擇了一個簡單的RC高通濾波器用來濾除各種低頻噪聲和一個低通濾波器來消除高頻干擾，以提取有用的心電信息。如圖5左半部分所示：高通濾波器由R23和C15構(gòu)成，濾波器的時間常數(shù)t=RC=3．2 s，截止頻率為。低通濾波器有R22和C16構(gòu)成，濾波器的截止頻率為：。
    ②雙T網(wǎng)絡有源陷波電路
    50 Hz工頻干擾是心電信號采集中主要干擾之一，對心電波形的影響較大。選擇雙T網(wǎng)絡有源陷波電路專門濾除50 Hz工頻干擾，如圖5右半部分。電路的中心頻率：。其中雙T網(wǎng)絡是RC選頻電路，當R=R11=R12=2xR13，C8=2XC9=2xC10=2xC時，網(wǎng)絡達到嚴格對稱，才能使對應于f0頻率的信號互相抵消，衰減到零。

    U5和兩個反饋電阻R14、R15組成反饋回路，具有頻率增強作用，使得阻帶寬度變窄，品質(zhì)因數(shù)Q值提高，陷波特性好。反饋系數(shù)，品質(zhì)因數(shù)。品質(zhì)因素Q決定陷波電路的選擇性，高Q對應較窄的阻帶而低Q對應較寬的阻帶。本課題中對于50 Hz的陷波電路，選擇Q值為2．5，則根據(jù)選擇電容C為47 nF，計算得到R為68 kΩ；由設定的Q值得到F=0．9，選擇R14為2kΩ，則計算得到R15為18kΩ。
    4)后置放大電路與電平抬升電路
    心電信號的幅值范圍為0．05～5 mV，而前置放大電路的增益為10．88，因此在心電信號調(diào)理電路中還必須設計后置放大電路，使放大后的心電信號滿足A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓要求。系統(tǒng)的整體放大倍數(shù)設計成1 000倍，因此后置放大電路的增益約為100倍。經(jīng)計算，控制電阻為R=。
    另外，MC9SXS128單片機A／D輸入電壓為單極性的，但是心電信號是雙極性信號，所以在對心電信號放大濾波處理后需要施加一個偏置電壓，抬升其電平使之成為單極性信號。
    后置放大電路與電平抬升電路如圖6所示。

2．2 數(shù)據(jù)傳輸電路設計
    本課題是通過單片機控制GPRS模塊來實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的無線傳輸。單片機主要工作就是對心電信號進行采集，通過串口對GPRS模塊發(fā)送AT指令，使其完成對數(shù)據(jù)的無線傳輸。GPRS模塊主要完成與單片機之間的數(shù)據(jù)交換和通過通信公司的GPRS網(wǎng)絡與遠程服務器進行數(shù)據(jù)交換。
    單片機選擇飛恩卡爾半導體(Freescale)公司的MC9S12XS128，將總線頻率設置為80Mbs，處理能力強勁，其SCI外設與SIM300模塊進行通信，A／D口采樣轉(zhuǎn)換心電信號調(diào)理模塊的輸出。GPRS模塊選擇的是西門子公司的SIM300，單片機通過AT指令(Attention)對SIM300實現(xiàn)控制，兩者之間的數(shù)據(jù)交換通過單片機的SCI串口來進行。
2．3 心電信號采集測試
    根據(jù)心電信號調(diào)理電路圖和SIM模塊電路、電源電路，設計的電路板如圖7所示。

    本課題設計的遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)樣機完成以后，在強烈的噪聲中，能夠采集到準確的心電信號，盡可能地減小了失真，如圖8所示。

3 結(jié)束語
    本文雖然完成了遠程心電信號監(jiān)護系統(tǒng)的硬件設計，但是某些內(nèi)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(xù)努力研究：
    1)進一步改進硬件電路中心電信號提取及調(diào)理電路，關鍵是放大、濾波部分，增強其抗干擾能力和提取有用信號的能力。
    2)隨著電子技術的快速發(fā)展，可以更好地選擇速度快、功能強的電子元件和微處理器，以滿足低功耗、低成本目的，以此來提高心電信號監(jiān)護系統(tǒng)的性能。
    3)在遠程服務器的監(jiān)護軟件設計上結(jié)合心電信號處理的算法，對心電信號數(shù)據(jù)做更深入的分析處理，優(yōu)化監(jiān)護軟件的功能，使得遠程無線心電監(jiān)護系統(tǒng)更加人性化、智能化。