劉彩霞，劉波粒，王嫣，屈建萍

(1.河北師范大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，河北石家莊050016；2.河北師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊050031；3.河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊050026；4.河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000)

心血管疾病是人類(lèi)健康的大敵，在中國(guó)，其死亡率占總死亡率的36%。心血管疾病的高致殘率、高死亡率與其特點(diǎn)密切相關(guān)。許多心血管疾病可導(dǎo)致暈厥，如心跳過(guò)慢、各種心動(dòng)過(guò)速、主動(dòng)脈瓣膜狹窄、肥厚性心肌病、肺栓塞、原發(fā)性肺動(dòng)脈高壓、嚴(yán)重心肌梗死等。心血管疾病患者未發(fā)病時(shí)無(wú)癥狀表現(xiàn)，突然發(fā)作時(shí)必須及時(shí)就醫(yī)，如果喪失了及時(shí)的救治時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致殘疾甚至死亡。針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于GPS的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)定位系統(tǒng)。這一系統(tǒng)不僅能對(duì)病人心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且當(dāng)病人發(fā)病時(shí)，還能及時(shí)定位病人所在具體位置，以便及時(shí)對(duì)病人進(jìn)行救助。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。心電監(jiān)護(hù)探測(cè)終端被佩戴在病人身上，心電信號(hào)經(jīng)心電調(diào)理電路放大濾波后傳送給單片機(jī)。單片機(jī)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)接收到的心電信號(hào)進(jìn)行處理并做出判斷，然后執(zhí)行判斷結(jié)果并將相應(yīng)心電信號(hào)實(shí)時(shí)地經(jīng)CDMA傳送給PC機(jī)集中心電監(jiān)控中心。當(dāng)病人心電異常時(shí)，一方面單片機(jī)啟動(dòng)一級(jí)報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警，告知病人和病人身邊的人此時(shí)病人的心電異常；另一方面單片機(jī)啟動(dòng)GPS定位病人的具體位置，然后將位置信息經(jīng)CDMA實(shí)時(shí)傳送給PC機(jī)集中心電監(jiān)控中心，告知醫(yī)護(hù)人員，以便急救中心及時(shí)確定發(fā)病病人的具體位置，以便在最短時(shí)間內(nèi)對(duì)病人實(shí)施救助。Flash存儲(chǔ)器模塊用于存儲(chǔ)病人的心電數(shù)據(jù)；鍵盤(pán)和顯示模塊配合實(shí)現(xiàn)終端的人機(jī)交互和心電波形的顯示；PC機(jī)集中心電監(jiān)控中心通過(guò)CDMA網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接收病人的心電信號(hào)和病人心電異常時(shí)的定位信息，完成對(duì)病人心電信號(hào)存儲(chǔ)、心電波形顯示、心電信號(hào)實(shí)時(shí)分析、心電異常報(bào)警、顯示心電異常病人位置信息等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 心電采集電路

2.1.1 輸入保護(hù)和前置放大電路

輸入保護(hù)和前置放大電路如圖2所示。輸入由2個(gè)二極管組成雙向限幅保護(hù)電路，對(duì)來(lái)自人體或外部高壓干擾進(jìn)行限幅，防止因過(guò)度激勵(lì)造成運(yùn)放逆轉(zhuǎn)而失效。由于心電信號(hào)很微弱，容易受到各種干擾(例如交流電磁干擾信號(hào)等)，并且干擾信號(hào)要比心電信號(hào)大很多，通常這些干擾信號(hào)對(duì)輸入電路來(lái)說(shuō)屬于共模信號(hào)，要求前置放大電路有較高的共模抑制比。因此前置放大器選用美國(guó)Analog Devices公司的AD620AN模擬放大芯片。AD620的主要性能指標(biāo):最大輸入失調(diào)電壓50 μV，最大失調(diào)漂移0.6 μV/℃，最大偏置電流1 nA，最小共模抑制比100 dB(G=10)，低噪聲。AD620的增益通過(guò)1腳和8腳之間的電阻R設(shè)置完成，公式為R=49.4 kΩ(G-1)，其中G為放大倍數(shù)。這里為了使R為整數(shù)，取G=10.98，則R6=5 kΩ。為防止后級(jí)放大器工作點(diǎn)漂移，可以采用漏電很小的金屬膜電阻。由于心電信號(hào)是雙極性交流信號(hào)，為保證負(fù)半周信號(hào)不被削波，故采用雙電源供電。

2.1.2 二階高通濾波電路

二階高通濾波電路如圖2所示。心電信號(hào)大部分有用信息集中在0.05 Hz～100 Hz之間，而且在前級(jí)還存在由于測(cè)量電極與人體皮膚表面接觸形成的半電池而產(chǎn)生的直流電壓影響，其幅值為幾毫伏至幾百毫伏不等，加上人體表面各部位之間還存在一定的電位差，使得心電信號(hào)檢測(cè)放大器的輸入端總會(huì)存在比心電信號(hào)大幾十倍的直流信號(hào)，最大可達(dá)300 mV。所以設(shè)計(jì)了一個(gè)截止頻率為0.05 Hz二階高通濾波電路，以提取有用的心電信息，有效消除極化電壓對(duì)心電信號(hào)的干擾。在實(shí)際電路中取截止頻率為fp=0.05 Hz，R8=4.7 MΩ，R9=2.2 MΩ，R10=1 MΩ，C7=10 μF，C8=10 μF，C9=1 μF。

2.1.3 50 Hz陷波及二階低通濾波電路

50 Hz陷波及二階低通濾波電路如圖3所示。50 Hz陷波電路帶阻濾波器是用來(lái)抑制或衰減某一頻段的信號(hào)，而讓該頻段外的所有有用信號(hào)通過(guò)，也稱(chēng)為陷波器。因?yàn)槿梭w耦合電容而引入的50 Hz工頻干擾信號(hào)很強(qiáng)，而心電信號(hào)頻帶基本不含50 Hz的成分，所以必須用帶阻濾波器來(lái)抑制工頻的干擾。50 Hz陷波電路是帶雙T網(wǎng)絡(luò)的有源濾波器，它是一個(gè)改進(jìn)的、Q值可調(diào)的有源雙T帶阻濾波電路，與以往雙T型陷波器不同的是該電路引入放大器TLC2254形成正反饋，以減小阻帶寬度，使得阻帶中心頻率附近兩邊的幅值增大，品質(zhì)因數(shù)Q可以通過(guò)變阻器R15來(lái)調(diào)節(jié)。為了消除肌電干擾(幾百Hz以上)和電磁干擾(高頻)，設(shè)計(jì)了截止頻率為fp=100 Hz的二階巴特沃思濾波電路。在實(shí)際電路中取R16=12 kΩ，R17=5.6 kΩ，C16=0.47 μF，C17=0.1 μF。

2.1.4 后置放大電路與電位平移電路

后置放大電路與電位平移電路如圖3所示。為了得到符合單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓，需要把幅值為0.05 mV～5 mV的心電信號(hào)放大足夠的倍數(shù)。本文前置放大倍數(shù)為10.98，則后置電路的放大倍數(shù)由R21決定，其增益可通過(guò)對(duì)R21阻值進(jìn)行調(diào)整，改變其放大倍數(shù)，使其滿(mǎn)足對(duì)心電信號(hào)的放大要求。心電信號(hào)經(jīng)過(guò)前面的處理，最終需要進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換部分對(duì)輸入電壓的幅值要求為0～3.3 V，而前面的心電信號(hào)是雙極性的信號(hào)，因此為了使放大后的心電信號(hào)幅值符合單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的幅值要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)電位平移電路，電路為圖3中下半部分電路，其移動(dòng)范圍為0～3.3 V，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R24使心電信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)平移，用來(lái)滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換的幅值要求[1]。

2.2 一級(jí)報(bào)警、鍵盤(pán)、顯示、Flash存儲(chǔ)電路

一級(jí)報(bào)警、鍵盤(pán)、顯示、Flash存儲(chǔ)電路如圖4所示。單片機(jī)對(duì)探測(cè)到的心電信號(hào)進(jìn)行處理判斷，當(dāng)病人心電異常時(shí)，通過(guò)P1.4口控制聲響報(bào)警，即一級(jí)報(bào)警[2]。單片機(jī)實(shí)時(shí)將報(bào)警與心電信號(hào)經(jīng)CDMA網(wǎng)傳送給PC機(jī)集中心電監(jiān)控中心。使用3個(gè)按鍵對(duì)心電監(jiān)護(hù)終端進(jìn)行控制。為提供友好的人機(jī)界面和顯示心電波形,增強(qiáng)監(jiān)護(hù)功能，本監(jiān)護(hù)儀采用了液晶顯示器顯示菜單和心電波形?？紤]到LCD顯示器的點(diǎn)陣越大則體積越大的特點(diǎn)，選擇了一種點(diǎn)陣數(shù)較少、體積較小的液晶顯示器。長(zhǎng)沙太陽(yáng)人公司的SMG19264A是192×64圖形顯示器，其控制器為KS0108B。在試驗(yàn)中選用該顯示器后發(fā)現(xiàn)SMG19264A的背光耗電較大，為了降低系統(tǒng)的功耗和延長(zhǎng)電池的使用壽命，不把背光電源的引腳直接接電源，而是通過(guò)一個(gè)電子開(kāi)關(guān)(圖4中為三極管VT2)來(lái)控制，用軟件編程實(shí)現(xiàn)僅當(dāng)有按鍵按下時(shí)，背光二極管才點(diǎn)亮15 s，有效地降低了系統(tǒng)的功耗。本監(jiān)護(hù)終端以200 Hz的采樣率采集心電數(shù)據(jù)，要記錄24 h的心電數(shù)據(jù)需要極大的存儲(chǔ)容量，且要求存儲(chǔ)器具有掉電不丟失的特點(diǎn)，綜合以上因素，選用Atmel公司推出的新型串行Flash芯片AT45DB081B。該芯片與單片機(jī)通過(guò)SPI總線連接，控制簡(jiǎn)單。它的存儲(chǔ)容量大為8 Mbit，性能穩(wěn)定可靠，供電電壓低、范圍寬、耗電少，單電源供電范圍為2.7 V～3.6 V；單片擦寫(xiě)次數(shù)超過(guò)1萬(wàn)次，芯片正常工作可以維持最少3年時(shí)間[3]。

2.3 CDMA傳輸及GPS定位電路

CDMA傳輸及GPS定位電路如圖5所示。CDMA網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備采用中興公司生產(chǎn)的MG815工業(yè)級(jí)CDMA模塊。該模塊基于高通的MSM6025移動(dòng)MODEM和PM6610電源控制芯片，支持CDM2000-1X標(biāo)準(zhǔn)，向下兼容IS-95A/B標(biāo)準(zhǔn)，采用AT指令集通過(guò)串口進(jìn)行通信，可提供153.6 kb/s的高速數(shù)據(jù)速率，同時(shí)支持最高為230 400 kb/s的串口波特率[4]。GPS模塊采用瑞士U-BLOX公司新推出的第4代定位模塊TIM-4H，通過(guò)串口與主控芯片連接。該GPS接收器的特點(diǎn)在于靈敏度高、功耗低、跟蹤靈敏度達(dá)-158 dBm，使定位范圍擴(kuò)展到傳統(tǒng)GPS系統(tǒng)不能覆蓋的地方，定位精度半徑可達(dá)2.5 m。該模塊集成度很高，大小為25.4 mm×25.4 mm，高度只有3 mm。GPS模塊以異步串行通信(UART)方式與處理器芯片MSP430F149進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使用時(shí)將TIM-4H提供的串口TxD1和RxD1分別接至MSP430F149的UTxD1引腳和URxD1引腳。通信信號(hào)須通過(guò)上拉電阻接至+3.3V，用以提高電平滿(mǎn)足芯片正常工作的需要。對(duì)于沒(méi)有使用的串口TxD2和RxD2，RxD2為輸入信號(hào)，須用上拉電阻接至高電平，TxD2為輸出信號(hào)，可直接置空。RF_IN(射頻輸入引腳)連接到天線。VCC_RF(RF輸出電壓)經(jīng)過(guò)RC退耦電路進(jìn)行濾波，得到相對(duì)穩(wěn)定的電壓輸入，V_ANT引腳提供天線的偏電壓[5]。

2.4 PC機(jī)集中心電監(jiān)控中心

PC機(jī)集中心電監(jiān)控中心主要功能模塊如圖1所示。心電數(shù)據(jù)接收模塊實(shí)時(shí)接收各心電監(jiān)護(hù)終端傳送的心電數(shù)據(jù)；心電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊實(shí)時(shí)存儲(chǔ)各心電監(jiān)護(hù)終端傳送的心電數(shù)據(jù)；心電數(shù)據(jù)分析模塊實(shí)時(shí)分析各心電監(jiān)護(hù)終端傳送的心電數(shù)據(jù)；心電波形顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示各心電監(jiān)護(hù)終端傳送的心電監(jiān)測(cè)波形信號(hào)；心電異常報(bào)警模塊用于實(shí)時(shí)對(duì)各心電監(jiān)護(hù)終端傳送的異常心電監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行聲光報(bào)警，即二級(jí)報(bào)警；心電波形回放模塊用于醫(yī)生提取病人歷史心電信息，進(jìn)行病情分析；定位信息顯示用于顯示心電異常病人的具體位置。

3 監(jiān)護(hù)定位終端主要程序流程圖

監(jiān)護(hù)定位終端主要程序流程圖如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)該遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)定位系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)表明，CDMA網(wǎng)絡(luò)較快的分組數(shù)據(jù)傳輸能力為心電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)中心提供了保證。移動(dòng)終端向監(jiān)護(hù)中心傳遞的心電數(shù)據(jù)包基本不會(huì)發(fā)生掉包現(xiàn)象，通過(guò)測(cè)試，即使最?lèi)毫拥那闆r下，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)很不穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)應(yīng)用層所設(shè)計(jì)的協(xié)議中合理的重傳機(jī)制，也能及時(shí)地把心電數(shù)據(jù)包傳送到監(jiān)護(hù)中心，保證監(jiān)護(hù)中心能夠做到實(shí)時(shí)獲取病人的心電情況。監(jiān)護(hù)中心和移動(dòng)終端之間的各項(xiàng)雙向交互的通信協(xié)議也能穩(wěn)定有效地實(shí)現(xiàn)。當(dāng)病人發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，借助GPS定位技術(shù)監(jiān)護(hù)中心能及時(shí)有效地獲取病人的地理位置，為醫(yī)院采取下一步的醫(yī)療措施提供了重要支持。

5 系統(tǒng)特點(diǎn)

本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

(1)定位功能。該遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)定位系統(tǒng)采用GPS技術(shù)對(duì)心電異常病人實(shí)時(shí)定位,使得控制中心可以對(duì)急救車(chē)輛隨時(shí)進(jìn)行調(diào)度和指揮,縮短了救助病人的時(shí)間。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)從施救的時(shí)間性、決策的有效性、管理的科學(xué)性等方面都有了大幅度提高，解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)中存在的弊端。

(2)兩級(jí)報(bào)警。第一級(jí)報(bào)警，即心電探測(cè)終端報(bào)警，用于及時(shí)通知病人和病人身邊的照看人員得知病情而及時(shí)搶救治療。第二級(jí)報(bào)警，即PC機(jī)集中監(jiān)控中心報(bào)警，用于及時(shí)通知醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行搶救治療。兩級(jí)報(bào)警，提高了搶救治療的實(shí)時(shí)性和可靠性。

本文所述的基于GPS的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)定位系統(tǒng)，能夠?qū)Σ∪说男碾娗闆r進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)記錄，實(shí)現(xiàn)了病人身上的監(jiān)護(hù)終端與醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心之間的雙向交互。通過(guò)CDMA快速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力，監(jiān)護(hù)中心能夠有效獲取病人的心電數(shù)據(jù)，使醫(yī)生能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)分析病人的心電情況。借助于GPS定位技術(shù)，當(dāng)病人發(fā)病時(shí)，能及時(shí)定位病人所在具體位置，以便急救中心對(duì)病人及時(shí)的進(jìn)行救助。實(shí)時(shí)監(jiān)控心電圖，早期發(fā)現(xiàn)心電異常變化，并贏得及時(shí)的救治時(shí)間，對(duì)心血管疾病患者具有重要意義。

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