【doc】具有实时报警和定位功能的心电监测仪的研制

【doc】具有实时报警和定位功能的心电监测仪的研制 具有实时报警和定位功能的心电监测仪的 研制 第23卷第3期 2004年9月 北京生物医学 BeijingBiomedicalEngineering Vo1.23No.3 Sep.2004 具有实时报警和定位功能的心电监测仪的研制 王丛知张菊鹏张永红白净 摘要本文介绍了一种新型便携式心电监测仪.它以MSP430F149微控制器为核心,实现了对心电数据基 于小波分析的实时判病,报警功能,并可利用FalcomC2DGSM/GPRS/GPS无线模块将心电数据及患者位置信息发 送到医院监护中心由医生处理,对提高患者的生活质量以及在危急情况下缩短患者从发病到得到抢救的时间有 十分积极的意义. 关键词心电监护实时报警无线传输GPS定位 中图分类号R318.6文献标识码A文章编号1002—3208(2004)03—0164—04 DevelopmentofaPortableECGMonitorBasedonReal-timeWarningandGPSModelWAN GCongzhi,ZHANGJupeng, ZHANGYonghong,BAIJing.DepartmentofBiomedicalEngineering,TsinghuaUnivers, &100084 【Abstract】InthispaperispaperaportableECGmonitorisdescribed,whichusingmicrocontrollerMSP4 30F149todetectarrhythmia andmakeareal— timewarningbytransmittingECGdataandtheGPSlocationinformationtotheMonitoringC enterusingaFalcomC2DGSM/GPRS/ GPSmode1.Themonitorwillbeimportanttoimprovethepatients'livingqualityandshortent heperiodfrombeingilltobeingtreated.. 【Keywords】ECGmonitorReal—timewarningMobiletransmittingGPSlocation 近年来,心脏病的发病率和致死率都有不断增 高的趋势.由于其具有突发性,短暂性和危险性的 特点,要防治心脏病就必须对患者的心电进行长时 间实时检测,而远程医疗,社区护理正是解决这一 问题的有效办法".. 最早出现的是基于PSTN(公共电话交换网) 的远程心电监护系统,利用modem进行"点对点" 方式的心电数据传输.这种方式虽然可靠性较 高,但是对每一个患者需要提供一条电话线,在患 者较多时就可能无法及时进行监护,存在着一定的 安全隐患.为解决这一问题,后来又出现了基于以 太网接口,利用Intemet进行数据传输的系统. 由于采用了TCP/IP,实现了监护中心对多个 患者数据的同时接收和监护.但是,由于固定电话 终端和互联网接口都并非随处可见,为了保证监护 的效果,就必须限制患者的活动范围,给患者的生 活带来很多不便. 随着移动通讯产业的迅速发展,各种无线远程 监护系统相继出现,终于使患者可以不再受时间, 圯域的限制,随时随地得到监护.早期出现了利用 基金项目:北京市自然科学基金项目(3031002)资助 作者单位:清华大学生物医学:[程系(北京100084) 作者简介:王丛知(1977一),男,硕士研究生. 卫星电话传输心电的系统,但是价格过于昂贵. 2000年前后,又出现了使用GSMmodem或带红外 接口的手机作为通讯载体的监护系统..但由于 GSM方式的最大数据传输速度只有9600bps,这些 系统大都采用压缩或者选择性发送的方式来传输心 电数据,功能受到一定的限制,而且同样存在着监 护中心不能同时接收多个患者数据的问题.同时, 由于患者可以随意移动,就要求在危急情况下能够 马上确定患者的位置,而现有的无线监护系统都没 有定位功能. 此外,大多数现有的远程心电监护系统还有一 个共同的不足,就是没有独立的自动判病和报警功 能,需要患者在感觉不适时手动或者发送心电 数据,再由医生诊断后做出处置.但是,有些心律 失常并不伴随明显的身体不适,患者可能因疏忽而 贻误救治的时机.患者最需要的就是在发生心律失 常时能立刻得到提醒,根据病情采取相应的措施, 及时控制病情的发展.而这种具有实时报警和定位 功能的心电监测仪的研制,解决了现有系统的不 足. 1系统组成 1.1硬件系统 第3期具有实时报警和定位功能的心电监测仪的研制?165? 该仪器的硬件部分由心电模块,通讯模块和人 机界面三部分组成,系统框图如图1所示. 1.1.1心电模块 心电模块包括电极与导联线,前置放大与滤波 电路,flash存储芯片三部分. 导联系统采用简单的三电极方式,右胸上电极 及左腹下电极为心电采集电极,右腹下电极为右腿 驱动电极.这种导联比较简单,有利于便携使用. 针对心电信号的特点,经试验比较,对常用的 前置孜大电路做了较大的改进.主要是将高通滤波 部分提前,以更有效地去除电极产生的直流极化电 压,使第一级放大电路的增益得以提高,从而提高 了整个前置放大电路的共模抑制比.以此为基础, 去掉用以去除50Hz工频共模噪声的双T陷波电路, 改在软件中以数字滤波器实现.又用数字电位器实 现了:孜大系数的可控,使不同幅值的心电信号可以 放大到相似的水平,充分利用了MSP430片上A/D 转换器的精度.这些改进都简化了电路,减小了系 统的体积. 由于MSP430没有地址总线的外接引脚,所以 选用了Atmel公司的同步串行接口(SPI)Dataflash 芯片;储心电.该系列芯片管脚互相兼容,最大容 量达:副64MB,以200Hz采样率计算,可存储近11h 不压缩的心电数据.它有两个独立的可同时分别操 作的数据缓冲区(Buffer),大小与flash的page相 同.通过软件控制,在向一个Buffer中写入心电数 据时.将另一个已写满的Buffer中的数据写到flash 的pe中去.这样交替向两个Buffer中写入数据, 实现了心电数据的无间断实时存储. 图1硬件结构框图 1.1.2通讯模块 选用了2002年底德国falcom公司刚刚推出的 GSM/GPRS/GPS三合一无线通讯模块.该模块体积 (峰值电流350mA),控制 小(仅重43g),功耗低 简单(仅通过两个UART异步串行接口进行控制). GPRS是通用分组无线业务,是一种在GSM基 础上发展出来的新的分组数据承载业务.GPRS特 别适用于间断的,突发性的少量的数据传输,或偶 尔的大数据量传输.这一特点正适合心电监护系统 紧急时刻报警以及定期发送存储心电的需要.目前 中国移动通信公司(CMCC)的GPRS网络支持的 一 个通道时槽的理论最大速度是13.4kbps.选用无 ,即一通道时 线模块兼容GPRSclassB,class2方式 槽上行,二通道时槽下行,理论上行速度 13.4kbps,理论下行速度26.8kbps.在实际使用中, 上行速度受到网络拥塞的影响较小,基本上可以达 到或接近理论速度.由于监护系统主要使用的是其 上行功能,较之速度为9600bps的GSMModem已经 有了比较大的提高,能满足发送无压缩心电数据的 要求.使用GPRS可以很方便的采用TCP/IP协议接 入Internet并发送心电数据,解决了单纯使用GSM 进行无线传输时,监护中心不能同时接收多个患者 数据的问题.GPRS还支持数据传输与话音传输的 自动切换,为进一步实现医生与患者的直接语音交 流提供了可能.据CMCC分析,在现阶段第三代移 动通讯的技术发展与市场需求都不是很成熟的情况 下,GPRS在未来4—5年将成为移动数据业务的最 主要的承载方式. 该模块的另一个功能是GPS卫星定位.在无 遮挡的开阔地区,其定位精度能达到10m左右; 但在建筑密集的城市中心,其定位精度会大幅度降 低.一般认为,只要定位精度保持在50m以内, 就对确定患者位置并进行急救具有一定的实际意 义.虽然存在着精度不高,使用不便(使用独立的 天线,室内使用须将天线置于窗外)等明显的缺 点,但相信随着新的定位技术如gpsone的推广,以 及与GIS电子地图的结合使用,这种无线通讯+定 位的组合模式必将成为远程心电监护系统的一个发 展方向. 1.1.3人机界面 人机界面包括液晶显示和小键盘两部分.液晶 选用了带ic总线的串行接口液晶模块,利用 MSP430的通用I/O口模拟ic总线时序进行控制, 显示各种统计信息(心率,各种异常心电信号数量 等),分级报警信息以及相应的处置代号.键 盘则利用MSP430通用I/O口的中断功能实现,供 ? 166?北京生物医学工程第23卷 患者在必要时控制手动报警或发送心电数据. 1.2软件系统 软件系统分为外设控制,心电监护和无线通讯 三个部分.在IAREmbeddedWorkbenchforMSP43O 集成开发环境下由c语言编程实现.主要流程如 图2所示. 监护子程 图2软件结构框图 1.2.1外设控制 系统的核心处理器MSP430F149是1rI公司推出 的超低功耗微控制器,采用冯?诺依曼结构与RISC 精简指令集相结合,内置硬件乘法器,定点处理能 力十分强大,能满足心电监护系统对便携和实时判 病的双重要求.它内置60kFlash程序/数据存储器, 2kRAM,可利用JTAG接口在线编程调试,开发简 便.它还集成了十分丰富的外设,包括两个定时 器,两个UART/SPI可选串行接口,一个12位精度 A/D转换模块和一个看门狗模块,内置了高频率的 DCO振荡器,可以在外接32.768kHz低频钟表晶振 的情况下保持高达5MHz的处理速度.利用外接低 频时钟源和定时器A,可以很方便地实现200Hz的 A/D采样速度,同时大大降低了功耗.虽然 MSP430没有外接的地址总线引脚,但是有6×8个 通用I/O口(P1,P6),P1和P2口还带有中断功 能,可以模拟各种总线时序.程序中对液晶显示, 小键盘,数字电位器的控制都是通过用I/O口模拟 时序实现的. 1.2.2心电监护 心电监护部分采用了本实验室开发的基于小波 变换的心律失常判别算法j.该算法利用连续小波 变换及其在不同尺度上的变化规律对心电信号进行 分析,可以对常见的六种心律失常(停搏,漏搏, 窦性心动过速,窦性心动过缓,房性期前收缩,室 性期前收缩)进行自动判别.原算法是用c语言 在1rI公司的DSP芯片上实现的,使用了超过5k的 RAM存储空间和大量的浮点运算.因为MSP430的 浮点运算能力有限,为了保证运算速度,节省十分 有限的RAM空间资源,在将原算法移植到MSP430 的过程中,我们又对其进行了一些技术上的修改, 将浮点运算全部改为定点运算,创建多个状态寄存 器代替原来的大尺度数组搜索,使占用的RAM空 间限制在了1k的范围之内,算法的速度也满足了 200Hz的A/D采样要求. 报警系统采用分级报警的方式.窦性心动过 速,窦性心动过缓为第一级,仅仅进行一般的报警 显示,提醒患者注意休息.房性期前收缩,室性期 前收缩,漏搏为第二级,提示患者休息,服药或向 医生咨询.停搏为第三级(最危险级),警告超过 30s后心电如仍无变化即认为病人已失去知觉,立刻测量位置并发送存储心电向监护中心请求急救. 1.2.3无线通讯 MSP430集成两个UART/SPI可选串行接口.常 规监护时,使用其中一个SPI接口控制Flash存储 芯片,另一个UART接口控制GSM/GPRS模块.当 需要测量患者位置时,将SPI接口切换为UART接 口,对GPS模块进行控制,测量完毕后再切换回 SPI接口.当需要向医院监护中心报警或发送存储 心电时,先利用AT指令控制GSM/GPRS模块与 CMCC的GPRS服务器建立点对点协议(PPP)的连 接.经过链路控制协议(LCP),密码认证协议 (PAP)和网际控制协议(IPCP)三个层面上的协 商后,获得一个动态IP地址,即完成了网际协议 (IP)的连接建立.然后就可以在应用层使用传输 控制协议(TCP)向预先设置的监护中心IP地址发 送心电或位置数据.由于该型模块没有内置各种网 络协议,我们在MSP430上编程实现了一个精简的 网络协议栈,完成各种协议的协商,以及对要发送 的数据进行打包,超时重传等操作. 心电数据的无线发送,大大缩短了患者从发病 到得到抢救的时间间隔,在保障患者生命安全的前 提下,给予患者极大的自由活动的空间.实时监护 第3期具有实时报警和定位功能的心电监测仪的研制l67? 的特性,把对心脏的监护任务完全交给监护仪,可 以使患者不必时时担心发病,从心情上得到放松, 提高了患者生活的舒适感. 2结果及分析 本文介绍了一种具有实时报警和定位功能的便 携式心电监测仪的系统与研制方法.图3为此 监护仪样机与MotorolaP'7659手机的尺寸比较 图3监护仪样机图 各项测试结果如下. (1)根据AAMI(associationfortheadvancementof )的规定,标准心电采集电路 共模抑制比的最小要求为89dB,移动监护设备的 最小要求为60dBI.而经过改进,此系统采用的 前置放大电路共模抑制比达到了110dB以上.用示 渡器观察采集自志愿者的心电信号,检测前置放大 电路的效果.经过放大和滤波处理的心电信号稳定 度高,园测试者活动产生的基线漂移大大减少尽 管没有陷渡电路,但波形中的50Hz共模干扰相对 心电信号而言已经可以忽略不计.还可以利用按键 调整心电的放大倍数.用示渡器观察A/D采样前 的心电信号如图4所示. 图4用示渡器理察D采样前的心电信号 (2)监护仪界面友好,操作简单.液晶显示清 晰快捷,实现了对心电信号的实时分析,报警. (3)通过其他软件检验所用算法对MIT心电数 据库的检测准确率.算法对QRS渡的正确检出率 在99%以上,室性期前收缩,房性期前收缩的正 确检出率在90%以上,对停搏,漏搏,心动过速, 过缓能及时做出报警 (4)在实验室的一台联网计算机上安装医院中 心站软件.用监护仪与其进行无线通讯试验.使用 GPRS拨号"ATD*99***1#",成功获得动态 口地址并接人Intemet,心电数据被成功传送到作 为中心站的计算机上. (5)经测试,GPS模块可以测量患者所在位置 的经纬度及海拔高度,但因无准确数据比对,无法 确定定位精度. (6)监测仪现采用16MB串行Ftash芯片,经测 试可连续存储近3h无压缩心电.全部存满后实现 循环存储,数据写入,读取正常. (7)由于采用大量贴片元件,整个系统十分省 电,待机电流低至170mA.在监护仪充满电后,测 试其使用时间:使用普通的锂电池(1o0Oh)可 以连续使用近6h(当不使用无线传输时达到此项 指标.GPRS模块在发送数据时耗电量较大,频繁 使用会缩短待机时间). 参考文献 1张永红,白净远程医疗世界医疗器械,1998,1:42—44 2张永红,白净远程医疗概论.北京清华大学出版杜,口000 3Bail.eta1.Ah"eECGdbk.xtpr~aumtelc~mltoring?. Te|etaed96Mtsttcine0口山eSupetHt曲啪.Proct~ingstIntemati~ CaB哺饥Telemedicinc胛dTekc~lrc.1996.I一3 4刘犬茂,吴学慧,余轮.多功能便携式心电监护仪的研制福 州大学f自然辩学舨).1998.26(2】:44一聃 5KY.NgCY.OngKWe.b-bsscdmmfitm'i~ofreal—timeECG .C0mmCardio1.c~..213~O.189—192 6MmalkmaiN,ShimiznKtrodYm?EIDm0KTelemcdicirmulmbile satdllteeammanie~tions.?EETransBitm~t.1994,41: 柏8—497 7Wc.od~'ardB?[stclmni.tmfis|I,RichardsCIDes?fatelemedicin~ systemElBi4gam删eephIEEETmTb舵Ii0?吕obhl如—tI伽 Tectmolot~inB瑚c_恤.2{101.5{1):13一l5 8胡庸等.基于小被变换的心律失常判别算法北京生物医学工 程.2O03,22(1):23一拍 9AN$I/A&MIEC38:l998?Ambulator).d恍I州_?pl|s (2OO3—07—10收稿)