远程无线心电监护系统的硬件设计

摘要：为了能够对心血管疾病患者实时监测心电信号，以便提供及时的救助，本文研究了一套远程心电监护系统的硬件设计，通过保护与输入缓冲电路、前置放大及右腿驱动电路、滤波电路、后置放大及电平抬升电路实现心电信号的放大、滤波。目前监护系统的设计已取得阶段性的成果，能够在强烈的噪声中，采集到准确的心电信号，尽可能地减小了失真。
关键词：心电监护；心电信号；硬件设计；无线传输；实时检测

    随着社会经济的快速发展，人们生活水平日益提高，工作节奏不断加快，心血管疾病已逐渐成为威胁人类生命安全的最主要疾病，而且发病率明显上升，并呈低龄化趋势。通过心电信号来发现并及时诊治心血管疾病是降低发病率和死亡率的一个有效途径。
    利用当前迅猛发展并日趋成熟的电子技术、通信技术，设计开发一套操作简单、携带方便、价格适宜的远程心电监护系统具有很好的应用价值。患者可以随时随地对自己的心脏状态进行监护，减轻了奔波劳累和经济开支，节省了时间和社会医疗资源；患者在熟悉的环境中实时监测，提高了心电信号的准确性，从而为病情的发现和诊治赢得绝对的时间；对于行动不便或自理能力较差的用户实施远程监护，遇到病情突变时能够迅速报警，为患者提供及时的救助。

1 系统整体结构
    文中选择以GPRS通信技术为平台，设计了一套基于飞思卡尔DSC的远程心电信号监护系统。该系统主要包括心电采集、数据传输和远程监护软件3个部分。整体框架如图1所示。

    心电信号采集模块负责对患者的心电信号进行长时间的实时采集，同时辅以心电信号调理电路，对采集到的微弱心电信号进行放大、滤波，然后由微控制器控制远程通信模块将心电信号数据发送到医院中心监测站的远程服务器，医护工作人员操作远程服务器上的心电信号监护软件，对接收到的心电信号数据进行进一步的处理和分析，给出诊断意见，为患者的治疗提供实时的远程指导；对一些突发病情，可以赢得宝贵的抢救时间。

2 系统硬件设计与实现
    系统的硬件部分包括心电信号采集模块和远程通信模块两部分。心电信号采集模块主要包括电极、心电导联系统、前置放大电路及右腿驱动、高低通滤波电路、50 Hz陷波电路、后置放大及电平抬升电路等几个部分。远程通信模块主要由MC9S12XS128单片机、GPRS模块、SIM卡电路、电源电路组成。整个硬件组成如图2所示。

2．1 心电信号检测电路设计
    1)保护与输入缓冲电路
    心电信号从人体传输到电极输入端的过程中，经过人体电阻等不稳定元素的衰减会出现失真；因此我们在输入端增加一个保护与输入缓冲电路来抑制有效信息的衰减，电路如图3所示。保护电路是由两个二极管组成的双向限幅电路，对人体静电或外部其他高压干扰进行限幅，防止因过度激励造成运放逆转而失效。输入缓冲电路中的输入缓冲器选择了AD公司的一款模拟运算放大器芯片：OP295，它是一个电压跟随器，输入阻抗高，输出阻抗低，便于和后续电路匹配。

    2)前置放大电路及右腿驱动电路
    ①前置放大电路
    人体体表采集到的心电信号非常徽弱，一般为0．05～5 mV，而且信号源阻抗比较大，这就要求放大电路增益大，输入阻抗高；但是又因为心电信号存在强大的干扰，增益太大有可能导致静态工作点的偏离，甚至进入截止或饱和，引起心电放大器的阻塞。因此设计中考虑放大电路分为两级实现，前置放大增益为10左右，选择由AD公司的仪表放大器AD620及外围器件组成，电路原理图如图4右半部分所示。AD620的1、8号引脚之间接入的电阻R决定信号的增益，增益方程式为：G=1+49．4 kΩ／R，对于所设定的增益，控制电阻值为：R=49．4／(G-1)kΩ。本课题中为了使R为整数，取G=10．88，则R=5 kΩ，即图4中R10为5 kΩ。

    ②右腿驱动电路
    心电信号采集时，很多的共模干扰会把微弱的心电信号淹没，因此要求放大电路有很高的共模抑制比(CMRR)。为了进一步提高前置放大电路的共模抑制比，去除人体携带的交流共模干扰，我们选择使用图4左半部分的右腿驱动电路：由低功耗运放AD705、电阻网络R8、R9、R10组成。其工作原理是：从前置放大电路的增益调节电阻处提取反馈信号，如果检测出共模电压，则输入右腿驱动放大电路(R6、C5、R7、AD7 05)进行反相放大后反馈到右腿电极，这有效地降低了共模电压。
    3)滤波电路
    ①高低通滤波电路
    心电信号的有用信息主要集中在0．05～100 Hz之间，为了抑制直流漂移、呼吸引起的基线漂移以及放大电路通频带外的低频噪声，本课题的设计中选择了一个简单的RC高通滤波器用来滤除各种低频噪声和一个低通滤波器来消除高频干扰，以提取有用的心电信息。如图5左半部分所示：高通滤波器由R23和C15构成，滤波器的时间常数t=RC=3．2 s，截止频率为

。低通滤波器有R22和C16构成，滤波器的截止频率为：

。
    ②双T网络有源陷波电路
    50 Hz工频干扰是心电信号采集中主要干扰之一，对心电波形的影响较大。选择双T网络有源陷波电路专门滤除50 Hz工频干扰，如图5右半部分。电路的中心频率：

。其中双T网络是RC选频电路，当R=R11=R12=2xR13，C8=2XC9=2xC10=2xC时，网络达到严格对称，才能使对应于f0频率的信号互相抵消，衰减到零。

    U5和两个反馈电阻R14、R15组成反馈回路，具有频率增强作用，使得阻带宽度变窄，品质因数Q值提高，陷波特性好。反馈系数

，品质因数

。品质因素Q决定陷波电路的选择性，高Q对应较窄的阻带而低Q对应较宽的阻带。本课题中对于50 Hz的陷波电路，选择Q值为2．5，则根据

选择电容C为47 nF，计算得到R为68 kΩ；由设定的Q值得到F=0．9，选择R14为2kΩ，则计算得到R15为18kΩ。
    4)后置放大电路与电平抬升电路
    心电信号的幅值范围为0．05～5 mV，而前置放大电路的增益为10．88，因此在心电信号调理电路中还必须设计后置放大电路，使放大后的心电信号满足A／D转换器的输入电压要求。系统的整体放大倍数设计成1 000倍，因此后置放大电路的增益约为100倍。经计算，控制电阻为R=

。
    另外，MC9SXS128单片机A／D输入电压为单极性的，但是心电信号是双极性信号，所以在对心电信号放大滤波处理后需要施加一个偏置电压，抬升其电平使之成为单极性信号。
    后置放大电路与电平抬升电路如图6所示。

2．2 数据传输电路设计
    本课题是通过单片机控制GPRS模块来实现心电数据的无线传输。单片机主要工作就是对心电信号进行采集，通过串口对GPRS模块发送AT指令，使其完成对数据的无线传输。GPRS模块主要完成与单片机之间的数据交换和通过通信公司的GPRS网络与远程服务器进行数据交换。
    单片机选择飞恩卡尔半导体(Freescale)公司的MC9S12XS128，将总线频率设置为80Mbs，处理能力强劲，其SCI外设与SIM300模块进行通信，A／D口采样转换心电信号调理模块的输出。GPRS模块选择的是西门子公司的SIM300，单片机通过AT指令(Attention)对SIM300实现控制，两者之间的数据交换通过单片机的SCI串口来进行。
2．3 心电信号采集测试
    根据心电信号调理电路图和SIM模块电路、电源电路，设计的电路板如图7所示。

    本课题设计的远程无线心电监护系统样机完成以后，在强烈的噪声中，能够采集到准确的心电信号，尽可能地减小了失真，如图8所示。

3 结束语
    本文虽然完成了远程心电信号监护系统的硬件设计，但是某些内容的研究不够深入全面，还存在许多不足之处。今后将从以下几个方面继续努力研究：
    1)进一步改进硬件电路中心电信号提取及调理电路，关键是放大、滤波部分，增强其抗干扰能力和提取有用信号的能力。
    2)随着电子技术的快速发展，可以更好地选择速度快、功能强的电子元件和微处理器，以满足低功耗、低成本目的，以此来提高心电信号监护系统的性能。
    3)在远程服务器的监护软件设计上结合心电信号处理的算法，对心电信号数据做更深入的分析处理，优化监护软件的功能，使得远程无线心电监护系统更加人性化、智能化。