心电的监护

关键词： 血氧 心电监护 经皮 病人

心电的监护（精选七篇）

心电的监护 篇1

1 行为指导具体内容

1.1 心电监护相关知识指导:

护士应遵照心电监护操作规程, 将心电监护的作用、意义、对患者的益处、注意事项等情况用简单易懂的通俗语言向病人解释, 让病人接受心电监护的使用。同时, 在使用过程中, 避免不必要的意外损伤。在调整合适的报警数值后, 可向病人或家属解释简单的按键作用, 避免病人或家属自行调节。监护仪的报警声音调节至合适分贝, 避免过高或过低, 过高影响病人休息, 过低会让护士疏忽。最重要的是告知病人有不适及时同时护士, 切不可自行处理。

1.2 室内环境指导:

心电监护时应避免使用手机等物品, 其他电器要与心电监护保持一定距离。室内保持适宜的温度和湿度, 一般保持在平时保持室内空气新鲜流通, 室温18℃～20℃, 相对湿度50%～70%, 室内严禁吸烟, 同时保持机器清洁干燥, 室内要湿式打扫。

1.3 运动指导:

心电监护病人一般均为严格卧床休息病人, 所以指导病人卧床休息, 可在护士协助下适当更换卧位, 避免自行下床或剧烈活动, 更换体位后护士要注意及时调整导联线的位置, 避免受压导致病人皮肤受损。护士定时更换心电监护电极片、血压袖带、血氧饱和度探头等的位置, 并指导病人不可自行移动检测位置和撕下电极片。详细细致做好病人的生活护理, 为病人准备好大小便器, 指导病人在床上大小便的方法, 避免排便时用力过度。

1.4 饮食指导:

心电监护病人由于处于卧床状态, 胃肠蠕动会减少, 应注意饮食调配, 避免便秘的发生。饮食以少量多餐、粗细搭配合理、易消化的清淡食物为主, 满足病人营养需要, 病情允许科适当增加饮水量。

1.5 情绪调节指导:

心电监护病人避免情绪激动, 以免影响监护数据的真实性。为避免病人情绪激动, 应尽量满足病人各方面的需求, 减少陪护, 室内安静, 消除各种会导致病人情绪变化的因素。避免在病人面前有影响病人情绪的行为和言论, 必要时谈话应该避开病人。医护人员态度要亲切、热情, 时刻体贴病人。

2 体会

院外心电监护诊断系统的设计 篇2

关键词：心电监护诊断,小波,加权双模识别,柔性阈值

心脏病现已成为危害人类健康的主要因素之一, 实时有效的监护诊断是检测和预防心脏病的重要手段。佩戴式心电监护诊断设备可以较好的满足这一需求。然而现行的便携式心电监护仪仍存在着一些不足。目前的一类监护仪可以显示心电波形并通过简单的判断给出提示, 但这些内容并不能让使用者准确全面的了解他所处的状态。另一类心电监护仪可以采集使用者的心电数据并将它发送给指定的医院或中心, 这样的设备大多没有分析功能, 且数据传输的实时性和使用者的使用范围都受到通信网络的限制, 也可能会产生大量的通信费用。

本文介绍一种院外心电监护诊断系统, 该系统包含用户端和中心端。用户端实现心电数据的采集并对数据进行初步分析诊断, 而且可以根据不同使用者的需求, 将数据转发至中心端进行进一步的判定并反馈医嘱。数据转发情况可设置为:出现异常时转发、测量时即转发、紧急情况时转发或从不转发。中心端采用更为可靠的判定算法, 对用户端上传的数据做进一步判定, 并可分析更多的心电信息, 必要时可由医生参与进一步确诊并给出医嘱。

一、系统结构

系统由用户端、通信网络和中心端构成, 用户端由测量节点、预处理与分析节点、判定传输节点 (智能手机) 组成。测量节点测得心电信号并将信号送入预处理与分析节点。预处理与分析节点完成信号的放大、去噪、AD转换、数据分析处理 (心电波形识别和波形数据计算) , 然后通过蓝牙通信方式将处理后的数据送入判定传输节点。智能手机利用预装的客户端软件可以将这些数据变成用户容易看懂的诊断信息, 并根据诊断结果与用户设定判断是否将数据发给中心端。用户端与中心端的数据或指令交互可以通过智能手机所能提供的任何方式, 包括GPRS数据业务、3G数据业务、WIFI等无线网络。多种通信方式的选择给使用者提供了更优质、更廉价的数据传输服务, 并且可以通过智能手机自身的优先设定在不同场合自动切换通信网络。

中心端包含院方服务器、数据库、院方终端。用户端发送的数据通过服务器存入数据库, 当数据库有更新时, 院方分管终端做相应处理, 并可根据使用者病例及当前诊断结果反馈医嘱, 而且可以根据诊断情况或预先约定判断是否邀请分管站医生参与。在有授权或紧急情况下, 分管站医生亦可通过院方终端对用户端发出指令, 甚至在有条件的场合远程启动用户端心脏除颤器。

二、用户端设计方法与算法实现

用户端采用独立的三节点分立设计, 用户可以更方便的选择自己所需要的模块配置, 且独立的个体使每一个节点都更加专业稳定。

(一) 测量节点

心电信号测量是通过电极测得人体表面的电位差来得到心电图。本文采用双极电路对V5导联实现心电测量, 与传统的三电极测量相比大大增加了穿戴式设备使用者的舒适度, 使穿戴该设备不受常规运动的影响。传统三电极电路中, 其中二极接至左右手, 另一极接至左腿, 实现电压补偿。本文的双极电路中, 二极接至胸口, 再经电阻网络取出共模干扰接至硬件屏蔽层和输入端。

(二) 预处理与分析节点

1. 预处理电路设计

心电信号为低频微弱信号, 客观要求硬件上必须应用较精确的大倍率放大电路及滤波电路。放大滤波电路一般应采用高输入阻抗、高共模抑制比的差分放大电路作为前置放大, 可抑制零点漂移, 也增大输入阻抗, 达到减少共模信号干扰的目的。因此在电路中采用陷波电路和一个0.05~100Hz的带通滤波电路, 来消除工频干扰和高频干扰, 在软件中也设计滤波器来进一步消除干扰信号。另外, 由于人体心电信号是双极性的, 为了得到不失真的心电信号, 在AD采样前需要设计一个电平提升和限幅电路, 以调整心电信号的幅值范围使其在AD采样范围内。

2. 心电信号分析算法

心电信号的分析判定一直是穿戴式心电监护诊断设备的难点, 复杂的算法不易在终端设备上实现, 过于简单的分析又难以保证结果的准确性。本文应用了基于sym4小波提升的心电信号识别快速算法。利用小波提升速度快的特性, 使算法整体执行速度大大提高。首先采用sym4小波基, 对心电信号进行提升小波分解, 完成去噪的过程, 得到相对纯净的小波系数。为加快算法的执行速度, 根据ECG频率能量集中在0.25~40Hz的特点, 直接对去噪重构过程中得到的中间层次低频系数进行差分运算。此算法将去噪和识别巧妙融合, 在一次小波提升变换重构过程中结合差分法, 便得到了运用sym4小波一阶导数对去噪后信号进行二层提升分解的结果。

本算法主要采用的是小波提升和差分法。提升小波变换结构简单, 只用到了加法和乘法, 且逆变化可以直接反转实现, 可以很容易地在FPGA上实现;差分运算只是简单的减法运算;另外, 去噪和识别中都涉及到阈值处理, 只需要使用比较器即可实现。综上, 此算法只涉及加法、移位和比较操作, 易于在FPGA等硬件上实现。

(三) 判定传输节点

判定传输节点是基于安卓系统智能手机的应用。本节点利用上一节点的分析结果, 结合医生识别心电图的思路、经验和心电特征值规律, 可对测得心电数据做出初步诊断, 并综合诊断结果和用户设定, 判断是否将预处理后的数据发送给中心端, 做进一步的诊断分析甚至专家干预。本节点也是系统与用户的交互平台。用户可以通过本节点进行用户设定和授权, 用户端或中心端的诊断结果也主要通过本节点反馈给用户。使用者还可以利用本节点通过C/S方式调取自己的诊断、医嘱、测量数据等历史信息。通过授权或在紧急情况下, 院方分管站可以通过智能手机的GPS模块或所处的蜂窝网络了解使用者的地理信息, 以便于提供迅速有效的帮助。有特殊需求的使用者亦可通过摇动智能手机将相关数据和地理信息发送给院方以获得及时的帮助。

三、中心端设计及诊断算法

中心端是用户个体数据与临床数据的结合运算分析环境。中心端设计以功能分区、网络分层和服务器分级为原则, 实现数据中心可靠运行, 保证业务的永续性。院方终端可分为多个子系统, 彼此之间会有数据共享、业务互访、数据访问控制与隔离的需求, 根据业务相关性和流程需要, 需要采用模块化设计, 实现低耦合、高内聚, 保证系统和数据的安全性、可靠性、灵活扩展性、易于管理。

中心端在心电信号自动分析中应用一种新的加权双模识别算法和柔性阈值, 该算法融合不同小波变换的优势, 对阈值提出更紧凑的更新方案。小波变换技术在提高心电数据检测算法的抗干扰性方面具有较好的效果。小波变换QRS波检测算法的基本思想是将原始的心电信号在小波变换的各个尺度上做分解, 用小波分解后的某一特征尺度上的分解信号来检测定位QRS波, 但由于某些运动伪迹的频域与QRS波的频域有重叠, 此时小波检测方法容易出现误检。本文针对心电波形检测中不同小波算法存在的误差, 提出了采用两种小波判断结果加权的方式作为最终判断结果。

本算法先利用高斯函数一阶导数作为母小波对心电信号进行小波变换, 利用极值对确定峰值奇异点的位置区间, 再通过柔性阈值在位置区间内准确的对R波识别定位。并且还可利用模极值对中极大值与极小值的相对位置判断R波的方向。此识别结果作为中间结果保存。再选取适宜在噪声情况下检测奇异点且滤波器系数较少的三次B-样条小波作为小波基, 通过柔性阈值的方法在原始心电数据中找到小波系数的模极大值, 确定R波峰值点。将两次识别的结果与用户病例及本次识别的均值进行加权比较得出最终的判定结果。在不同RR间距的情况下各数据所占的权重不同。其权值由经验建模及拟合的方法求出权值方程。本文在R波识别中提出一种新的柔性阈值更新方法。对小波系数前8秒数据分成8段求取极值E, 并将阈值初始化为T=0.7E。为保证对心电信号突变具有良好的检测效果将阈值设置为柔性跟随当前检查点。

式中A为新检测到的小波系数极大值点幅值, Wn、Wt分别为测得新值与原阈值的权重系数。Wn、Wt的值均为f (A) 的经验拟合方程得到。

四、结语

本文介绍了一种复式院外心电监护诊断系统的设计。它可以对用户进行实时的心电数据分析, 并给出医嘱甚至实现紧急情况下的救助。近年来, 智能终端及无线通信技术的发展, 使得基于新一代媒体平台的远程智能医疗产业前景广阔。另一方面, 人们的工作节奏加快, 对健康的重视程度日益增加, 这对本文提出院外心电监护诊断系统的应用, 提供了较大的市场应用前景。通过对算法的完善还可扩展更多的功能, 从而使远程智能医疗系统更趋完善。

参考文献

[1]李坤阳, 胡广书.基于心电图分析的心率失常分类[J].清华大学学报 (自然科学版) , 2009.

[2]姚成, 司玉娟.基于小波提升的ECG去噪和QRS波识别快速算法[J].吉林大学学报 (工学版) , 2012.

心电远程监护系统的研究进展 篇3

现代社会中,心血管疾病是严重威胁人类健康和生命的主要疾病之一,全世界人口平均患病率为10%～30%,并有逐年增长的趋势[1]。心血管疾病已经成为威胁人类生命健康的第一大杀手,据统计:全世界死亡人数中,死于此类疾病的人约占三分之一。中国心血管疾病患者现已超过1.5亿,心血管疾病是目前中国人群最主要的死因,约占总死亡人数的34%～40%。可见,心血管疾病的预防与诊断对全社会具有重要的意义。由于心血管疾病具有偶然性和突发性,在日常生活中对患病人群进行心电监护显得尤为重要。

1 心电监护系统的发展回顾

心电远程监护系统就是起源于Holter系统。早在二十世纪三四十年代,美国科学家Norman J.Holter博士就致力于生物信号遥测技术的研究[2]。1949年,他首创了遥测心电图装置,并于二十世纪六十年代成功地研制出集收发于一体的心电监护系统-Holter系统。Holter系统通过记录(24～72)h的心电图,对患者在正常生活、工作及活动时的心电变化加以分析,成为检测心律失常、心肌缺血的重要而有效的诊断方法,也为一些心脏病的早期诊断和治疗起到了积极的推动作用。但是这种监护不具有实时性,必须要在监护过程结束后再进行心电资料的分析,病人发病时很难得到医生及时的诊断和救治[3]。而且由于其存储量太小,仅能存储极少量的心电数据,不能保证数据的完整性,一些有价值的心电数据还是不可避免地被丢失,这大大降低了诊断的准确率。

随着现代通信技术的高速发展及其在医疗领域的应用,近些年,心电远程监护系统发生了革命性的变化,Holter逐渐演变成为了心电远程监护系统的前端装置,将传统的Holter和计算机网络以及移动通讯技术相结合这一趋势愈加明显。心电远程监护系统中的关键技术——心电数据的传输正在逐步成熟起来,不断促进着心电远程实时监护的发展。

2 心电远程监护系统的发展现状

随着因特网(Internet)和移动通讯网等宏观基础设施的普及和发展,通信手段和技术的不断发展,近年来心电远程监护正沿着因特网和无线移动监护两个方向快速发展[4][5]。

2.1 基于因特网的远程心电监护

基于因特网的远程心电监护系统是指利用心电监护客户端采集患者的心电信号,然后通过互联网将心电信号传输至监护中心服务器,等待医护人员对患者心电图进行处理和相应诊断。

整个系统一般由三个部分组成:分别是客户终端、因特网和管理中心工作站。客户终端是由心电信号采集器和可连接因特网的工作站构成,它可以完成采集患者心电信号、进行简单数据处理以及将数据上传至因特网等功能。而根据接入因特网的方式不同,系统有不同的设计方案。主要方式有PSTN、ISDN、以太网等几种。PSTN (Published Switched Telephone Network,公用电话交换网)覆盖面最广、接入方式实现方便,但受其带宽限制,信息传输速率不高;1SDN(Integrated Service Digital Network)将传输过程数字化,使得传输速度很高,并可同时实现语音、数据、图像等的传送;以太网是目前使用最广泛的局域网技术,由于其低成本、可扩展性强、与IP网结合性强等优势,现在很多系统普遍采用以太网接入方式。而远程心电监护管理中心工作站一般配备有高性能的服务器,可实现实时的接收患者心电数据、存储并分析处理数据、管理患者基本资料及心电数据、网络安全管理等。通过因特网技术,可将心电图监护从病房监护拓展到社区或家庭,监护中心的医护人员可以及时分析患者的心电数据,并可根据需要随时将医嘱发送到患者的监护仪上。

徐立新[6]等人选用ETR232i网络转换控制模块作为心电远程监护系统中数据接收转发器。心电信号通过单片机送入ETR23i模块,在ETR232i模块内对心电数据做协议转换处理后,通过网络接口发送到宽带网上,最后由监护中心工作站接收。心电数据接收转发器客户端应用程序会首先进行以太网接口的初始化,然后主动与监护中心工作站建立一个连接,连接成功后,ETR232i网络模块即可进入工作状态,不断地接收心电数据,在进行预处理后通过已建立的连接将数据发送到心电实时监控服务器,从而实现了病人心电信号的远程采集和传输。

基于因特网的心电监护系统已有很多生物医学工作者进行了研究并应用于临床监护,但是其仍存在一些弊端:比如由于其设备的局限,只能应用于固定环境,使得受监护人群的活动范围仍然受到限制,不能满足患者的正常生活;其次,系统的前提是必备可以接入因特网的工作站,一般是PC机,从而造成了较高的功耗和成本;另外,传输速度容易受用户数量和网络安全性等问题的影响,而降低远程监护的服务质量。

2.2 无线通信技术与因特网相结合的心电监护

基于无线通信的心电无线监护系统采用可携带式的实时监控心电信号的监护仪,利用无线通信技术与监护中心进行数据通讯,无线传输无须线缆介质,使用者可以不受时间、地点的限制,随时随地得到监护中心的监护[7]。目前,市场上运用蓝牙[8]、GSM[9]等无线移动通信技术实现的心电无线监护系统应用非常广泛,但由于受到传输距离、无线传输频率的制约,仍未能形成完善可靠的远程在线实时监护产品。

近几年心电远程监护的研究热点是将无线通信技术和因特网技术紧密结合。将两种技术相结合,弥补了单纯依靠因特网时,将受测者限制在固定环境的不足;同时也弥补了单纯依靠无线技术时,只能将受测者的数据在移动监护终端之间传递,从而造成的成本高、不易普及、数据处理分析手段单一等劣势。心电数据传输率、数据传输可靠性得到大幅度提高,高效整合了丰富的通信资源和强大的网络优势,实现心电监护的无线化和网络化。

2.2.1 基于CDMA技术与因特网的心电监护

CDMA是码分多址(Code Division Multiple Access)的英文缩写,它是在扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术,是近几年发展起来的比GSM更先进的无线通讯技术。

CDMA与GSM相比的优势在于:①系统容量大:实际使用中,在使用相同频率资源的情况下,CDMA移动网比GSM容量大(4～5)倍;②抗干扰能力强:这是扩频通信的基本特点,是所有通信方式无法比拟的;③多个用户同时接收,同时发送;④建网成本低:CDMA技术通过在每个蜂窝的每个部分使用相同的频率,所需基站少,降低了建网成本,推广起来更加迅速;⑤运营成本相对较低,每兆比特的数据信息成本不到0.6元。

基于CDMA技术和因特网的心电监护系统一般由心电监护终端、移动通信网络和中心服务站三部分组成,图1是其系统框图。王鸿鹏[10]等人利用完善优化后的CDMA网络CDMA 1X的技术和资源优势,提出了基于CDMA 1X的远程心电监护系统。在心电监护终端,采用美国PBI公司生产的12导联同步心电采集器对心电数据进行采集、预处理、A/D转换等,并通过USB口将心电信号传送到PDA移动监护终端。PDA使用华硕生产的A730,它可存储数据,并进行简单处理、压缩和打包,再通过CF插槽连接CDMA无线上网卡,将心电数据发送至CDMA 1X网络。通过网,关和Internet连接,最终将数据传送到中心服务站,由中心服务站负责对病人心电数据进行分析和管理。Wan-Young Chung[11]等人研制了一种基于CDMA技术的远程无线健康监护系统。系统利用一个小型的心电采集器采集、预处理患者的生理信号,将信号通过数据发送模块发送到基于IEEE802.15.4标准的无线局域网中,直接由医学监护中心或医用PDA接收,如果患者不在局域网范围内,数据发送模块可以通过RS232将数据传到移动电话,再由移动电话连接CDMA移动网络并将生理数据发送出去。移动电话还可在本地对心电信号进行简单分析,从而降低了网络拥堵对信号传送带来的影响,也降低了医院监护中心的成本。Il Hyung Shin[12]等人研发了一种基于CDMA的便携式设备,可用于慢性肺病或心脏病人日常在家中测量血氧饱和度(SpO2)和心电信号,并可连接到CDMA网络将生理数据传送到监护中心端,该设备还包括一个GPS模块,具备准确追踪佩戴者位置的功能。研究者采用韩国Cyberbank生产的POZ X510型号PDA,将采集到的生理信号进行存储并将它们发送到外部TCP/IP服务器上。POZ X510的大小为52mm×112.5mm×22mm,重151g,满足设备的便携要求。它包含一个LCD模块和一个64MBflash型存储器。PDA通过RS232与生理测量模块连接,并通过内嵌的CDMA模块连接到移动通讯网,遵循RAS协议将数据传送至远程服务器,从而实现对患者心电信号及血氧饱和度的实时监护。吴静[13]等人研究开发了基于CDMA无线网络的心电监护系统。在心电数据采集终端采用双CPU并行工作方式,一个CPU采用美国Microship公司生产的PIC16F877单片机,它内置10位A/D转换器、定时器、串口及I/0口,PIC主要功能是采集、放大心电数据,并通过串行接口将数据传到另一个CPU中;另一个CPU采用基于ARM72OT内核的嵌入式微处理器EP7312,它可通过串口与CDMA模块连接。CDMA无线模块采用ZTEIT的MG801A,它支持CDMA1X标准,工作频率为800MHz,能完成语音数据、传真等功能。整个系统具有实时采集、处理、存储和远程传输心电等功能,实现了对心脏病患者的实时监护。

2.2.2 基于GPRS技术与因特网的心电监护[14]

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称,它是在GSM系统基础上发展出来的一种新的承载业务。GPRS和CDMA一样,同属于移动通讯第2.5代技术,它提供点到点的、广域的无线IP连接。与原有的GSM系统相比较,GPRS在数据的传输上进行了彻底的革新。GSM是一种电路交换系统,而GPRS是一种分组交换数据承载和传输方式,因此GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势,特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输。而与同属于第2.5代通讯技术的CDMA相比,GPRS由于具有GSM公共网络的基础,网络建设更加完善,地域的网络覆盖范围更广。

基于GPRS移动通信网的心电监护是一种新型长时间心电监护系统,由于GPRS网络可以支持点对点连接,因此两个GPRS监护终端可以经由移动网连接进行通信,使患者与医生或家属之间可以直接进行沟通。患者还可以通过GPRS网接入Internet网来与监护中心进行通信。

基于GPRS的心电远程监控系统具有以下特点[15]:①接入范围广,可充分利用覆盖全国的电信网络;②高速传输,数据传输速度可达57.6 kbps,最高可达到171 kbps;③实时在线,用户一旦连网,将始终处于连线和在线状态,这将使用户端发起数据传输变得十分方便;④登陆快捷,只需一个激活的过程,一般只需(1～3)秒的时间马上就能接入GPRS;⑤按量计费,用户可以一直在线,按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用。

基于CPRS技术和因特网的心电监护系统一般由心电监护终端、移动通信网络和中心服务站三部分组成,中心服务站一般包括服务器和医院监护站[16],图2是其系统框图。

代少升[17]等人研制的便携式远程心电实时监护仪,实现了院外流动病人的远程监护和治疗。其心电信号的采集处理模块选用三星的S3C44BOX 16/32位RISC处理器,它扩展了一片32Mbytes的FLASH存储器,能够连续存储24h的心电数据,并在GPRS网络畅通或心电数据需要重发时再一次进行上传。心电数据的无线发送模块选用BENQ公司的无线三频带模块M22,该模块内嵌有TCP/IP协议,能够自动识别波特率,并且支持AT命令,主控处理器可通过AT命令控制M22模块进行GPRS数据无线传输。心电数据经采集处理模块送入GPRS模块,再经GPRS无线网接入Internet网,实现便携式心电监护仪与远程监护中心的数据传输。姚湘平[18]等人设计了一种基于GPRS的远程心电实时监护终端,它主要由心电采集模块、主控单片机模块、GPRS无线通信模块电源模块组成。其中主控单片机采用PIC16F877A,主要完成心电信号A/D转换并与GPRS模块进行通信,单片机还扩展了MBN and Flash存储器,用于暂时存储心电数据,等待集中发送。GPRS无线模块采用了Wavecom公司的WISMO QuikQ2406B,模块基带部分内嵌了GSM/GPRS协议栈和TCP/IP协议栈,便于开发。单片机和GPRS无线模块初始化后,单片机以500Hz采样频率对心电信号进行采样,并通过GPRS无线模块向外发送心电数据,从而实现心电无线实时监护。

3 小结与展望

近年来,现代医疗的重心已逐步由原来的治疗为主转为预防、病后监护恢复为主。通过电话、电脑、网络、远程诊疗等方式为患者提供及时有效的监护已成为现实,这无论对增强医院的医疗能力,还是对减轻患者负担都具有非常重要的现实意义和推广价值。目前,心电远程监护技术已经成为各厂商及研究机构极为关注的领域。心电监护系统的无线化、网络化、人性化是发展趋势,便携式、模块式、易操作、价格低廉的心电监护产品将成为未来市场的主流。正逐步发展起来的第三代移动通信技术3G技术,能极大地增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率,并且利用在不同网络间的无缝漫游技术,更好地将无线通信系统和Internet连接起来,从而可对心电远程监护系统提供更稳定的更强有力的技术基础。

远程无线心电监护系统的软件设计 篇4

利用当前日趋成熟的电子、通信和计算机技术,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良好的应用价值。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了时间;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]。

1 系统整体结构

选择以GPRS通信技术为平台[2],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3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[3]。

2 系统硬件设计与成果

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[4]。设计的远程无线心电监护系统样机,在强烈的噪声中仍能够采集到准确的心电信号,尽可能地减小了失真,如图2所示。

3 系统软件设计与实现

远程心电监护系统软件包括两部分:监护终端软件和远程服务器监护软件。监护终端软件即为单片机软件,主要是完成心电信号数据的采集控制、A/D转换、发送等功能;远程服务器监护软件则是医院监测中心的计算机软件,主要完成心电信号数据的接收、显示、存储及报警等功能[5]。

3.1 单片机程序

单片机不仅要完成系统初始化设置,还要完成单片机的工作控制、无线传输控制等。为便于程序的调试、连接和修改,设计时分成3个模块:(1)单片机主程序模块:初始化心电信号监护系统终端的各个模块,控制各个模块的工作状态和工作流程,实现远程心电监护系统的总体功能。(2)心电信号采集模块:主要完成心电信号数据的采样工作。(3)心电信号数据无线传输模块:完成无线传输芯片SIM300模块的初始化、传输控制等功能[6]。

3.1.1 单片机主程序模块

单片机主程序模块的流程图如图3所示。

系统初始化:单片机系统初始化包括锁相环的初始化、串口初始化、A/D初始化等。(1)锁相环的初始化。(2)串口初始化。单片机有两个SCI模块,可任选其一。SCI的初始化主要包括波特率设置、通信格式的设置、发送接收数据方式的设置等。(3)GPRS初始化。系统初始化结束后可以进行GPRS初始化,GPRS初始化是通过SCI串口向SIM300模块输入AT指令,然后根据串口接收的返回值来完成,具体流程如图4所示。

其中当“ATrn”的返回值为“OK”时,则表示成功启动SIM300模块,否则表示启动失败;当“AT+CGATT?rn”的返回值为“1”时,则说明GPRS打开成功,否则说明打开失败;“AT+CIPSTART=<mode>,<IP address>,<port>rn”中mode表示通信协议,IP address表示远程服务器IP地址,同时要求该地址为公网IP地址,port表示远程服务器开放的端口号,该指令的返回值为“CONNECT OK”时,表示登陆Internet成功,即GPRS的初始化即结束。

3.1.2 心电信号采集模块

心电信号数据的采集流程如图5所示。其中A/D转换之前应按照要求对转换位数、扫描方式、采样时间、时钟频率及标志检查等方式进行设置,然后通过控制寄存器发出转换命令,即可实现A/D转换。

3.1.3 心电信号数据无线传输模块

心电信号数据的传输是MC9S12XS128单片机通过SCI串口通信控制SIM300 GPRS模块来完成。通过SCI串口向SIM300模块输入“AT+CIPATS=<MODE>,<TIME>”,以此来设定自动发送的时间,其中MODE可以设置为0或者1,0表示不设定时器,1表示设定时器;定时的长度由TIME设置具体的数值,单位s。接着输入指令“AT+CIPSEND”,等待返回“>”后输入要发送的数据,定时一到自动发送输入的数据。当返回值为“SEND OK”时,表示发送结束。具体的数据传输流程如图6所示。

3.2 远程服务器监护软件设计

计算机软件选择LabVIEW设计完成。LabVIEW是由美国NI公司设计的图形化编程软件,专门用于数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达,已广泛应用于航空、航天、通信、电力、汽车、电子半导体、生物医学等领域。

3.2.1 数据显示模块

心电信号监护系统的前面板如图7所示,数据显示主要包括心电信号波形显示、检测结果显示以及报警显示。

心电信号波形显示的是从串口接收到的心电信号数据,经过转换后的心电曲线。医院中心监测站的工作人员随时观察、分析患者的心电信号波形,及时给出诊断意见。

检测结果显示的是心电信号的峰值、谷值、峰峰值、R-R间期、频率、心率。设计时选择函数选板【Express】→【信号分析】子选板上幅值和电平测量、信号的时间和瞬态特性参数两个函数分别测量心电信号的峰值、谷值、峰峰值和R-R间期、频率。

报警显示部分是对所采集心电信号的心率判断,然后用布尔指示灯显示报警状态。一般正常人心跳次数是60～100次/min,<60称为心动过缓。成人每分钟心率超过100次,称为心率过速。本设计中的判断方法就是设定心率上限为100次/min,下限为60次/min。当采集的心率低于60次/min时,点亮心动过缓的指示灯;当采集的心率高于100次/min时,点亮心动过速的指示灯显示心率异常报警状态,提示医护工作人员进行适当的处理。

3.2.2 数据保存和回放模块

将采集的心电信号数据一方面在前面板上显示,同时还要求保存,尤其是心电信号波形,医护工作人员以后需要观察和分析时可以随时调用。LabVIEW本身不具备数据库访问功能,程序设计中采用了LabSQL工具包解决LabVIEW房屋内数据库的方法。

如果将波形文件直接存储在数据库中,就会因为每个波形数据的长度都过大而增加数据库的容量,造成系统运行缓慢。因此考虑将波形文件以文本方式统一保存在“波形”的文件夹中,在数据库中只记录保存的路径及文件名。在需要重新打开波形文件时,先从数据库读取它的保存路径及文件名,然后通过它直接打开波形文件。操作时只需点击前面板上的“保存”按钮,调用相关子程序就可以把心电信号波形保存到“波形”文件夹中。

通过回放心电信号波形,医生对病人的病情可以深入了解,全面考虑,做出正确诊断,从而能为患者提供更为准确、有效的治疗方法。操作时,医护工作人员只要点击“回放”按扭,在弹出“波形”文件夹中选择相应的波形数据,就可以看到先前保存的波形数据。

3.2.3 远程服务器监护软件的测试

利用LabVIEW提供的【信号处理】→【信号生成】函数选板上的信号函数作为监护软件测试时的数据源;运行软件,能够将信号波形显示在前面板上,并对相关参数进行了测量和判断,图8为选择了一个周期Sinc信号的做的测试结果。

4 结束语

完成了远程心电信号监护系统的硬件设计,但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)日趋成熟的3G技术将是未来数据传输技术的通讯方式,这样能够大幅度地改善传输速度和精度。(2)远程服务器的监护软件设计上可以更好地借助LabVIEW提供的各种函数,结合心电信号处理算法,对采集到的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。

摘要：心血管疾病具有突发性和高危险性,为了及时发现病情,需要对患者进行有效监护。文中设计了一套远程心电监护系统软件,通过对MC9S12XS128单片机底层程序的设计,完成了对心电信号数据的采集和GPRS模块的AT指令控制,由此实现心电信号数据的无线传输。操作简单、界面友好的监护系统部分采用了LabVIEW图形化编程环境,对采集到的心电信号进行分析、处理、显示以及存储,操作者可以实时监测被测者的心电情况,便于及时做出诊断,及早治疗,同时设置了自动报警系统。

关键词：心电监护,无线传输,实时监测

参考文献

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基于虚拟仪器的家庭心电监护系统 篇5

1 心电信号的硬件采集电路

通过体表电位提取出的心电信号属于强噪声背景下的生物电信号,它具有一般生物信号的特点[1]:1)信号强度微弱;2)不稳定性;3)低频特性;4)随机性。在利用电极采集心电信号的过程中,常常掺杂着各种各样的噪声。由于心电信号比较微弱,极易受到外部环境的影响。来自心脏以外的人体器官也会产生生理信号,这种生理信号会严重干扰心电信号的识别,甚至完全湮没心电信号。还有,外部机器设备的信号噪声干扰等,都会对心电信号的测量、波形识别和病症诊断带来不利影响。

本系统硬件电路设计如图1所示,首先由体表前置电极采集心电信号,经放大电路放大(包括前置放大和次级放大电路),心电滤波电路滤波(低通和高通滤波电路),50Hz工频陷波器陷波滤除工频干扰,最后经数据采集卡采集输入计算机,进行后期处理,其中还包括检测电极是否脱落电路。

1.1 前置运算放大电路

为了克服测量生物电时伴随的较强的共模干扰(主要是50Hz干扰),在生物电放大器的前置级通常采用差动放大以提高共模抑制比。

1.2 次级放大电路

由于前置运算放大器的放大倍数有限(一般不大于30倍)。信号放大倍数不足,在实际应用中往往要求输出信号为伏级,需要次级放大电路,又由于经前置运算放大器放大的信号变为反相,因此采用反相比例放大电路。则,最终输出信号与输入信号同相。

本设计中反相放大器的放大倍数为30。与前置放大器的放大倍数相叠加后,总的放大倍数可达600倍,可以将毫伏级的心电信号放大到伏级,并处于0V到1.8V之间。

1.3 心电信号滤波电路

为使电路具有较窄的过渡带和较好的滤波效果,本文采用压控电压源二阶低通滤波电路[2,3]进行滤波,电路如图4所示。该电路由两级RC滤波器串联和同相放大电路组成。其中同相放大电路实际上就是所谓的压控电压源,它的电压增益就是低通滤波的通带电压增益。

由于心电信号微弱,且频率为0.5～100Hz,需要多级滤波,必须设计高通滤波电路,这里采用压控电压源二阶高通滤波器。电路如图5所示。

图5二阶高通滤波电路(参见右栏)

1.4 50Hz工频陷波电路

心电信号微弱,易于受到外界信号干扰,特别是在此频段内容易受到强烈的干扰源,如50Hz或60Hz市电电网信号的影响。为了去除系统中产生的50Hz交流干扰,本设计采用了双T网络如图6所示。

Q越高,频率选择性越好,但是Q值越高,滤波器总体的性能不稳定,当Q值过大时,将在50Hz附近丢失过多的信号,产生波形失真,对于包含50Hz的信号是不利的。

1.5 电极脱落检测电路

由于患者在使用便携心电监护仪时行动是不受限制的,患者在身体活动时,贴在患者身上的导联极有可能发生松动或脱落的现象。如果在采集心电信号时出现电极脱落,或导电膏干燥而松动或脱落的情况,但未被患者察觉,采集到的数据将失去意义。

因此,电极导联脱落检测电路[4]是十分必要的,电路如图7所示。

U3A采用LM324,构成电压跟随器,以隔离前后电路,使其不相互影响。R3、R4、R5、C2组成低通滤波器,防止50Hz工频干扰使其误翻转。

2 系统软件的实现

本文用美国国家仪器有限公司(NI)开发的虚拟仪器编程软件LabVIEW作为软件开发平台,利用其强大的界面及控件设计功能和信息处理能力,进行心电监护的信息处理[5]。选择了NI公司的USB6008作为数据采集设备。

系统的软件设计部分主要包括以下几个模块:用户登陆模块、数据采集模块、波形显示模块、数据分析模块、数据存储模块、波形存储模块和诊断报警模块等,如图8所示。

2.1 系统主界面设计

系统软件主界面是系统的核心界面,操作者可通过点击界面上的按钮实现软件的功能,其中在主界面上显示心电信号波形、用户信息、心电信号测试数据,和心率诊断情况,还包括系统停止按钮和信息存储按钮[6,7,8],如图9所示。

用户界面显示采集到的心电信号,操作者可以输入用户信息,系统将自动显示受试者的心电波形信息,并对心率进行诊断,可以判断心率正常、心律不齐、心动过速、心动过缓等;当需要保存用户信息时,点击“保存至文件”"按钮,可以对信息进行保存;当需要停止系统时,点击“停止”按钮,系统就自动停止工作。

2.2 用户登录模块

用户登录模块也可以称为患者信息记录模块,主要为了录入使用者的个人信息,便于医生查看和与相应的心电信号对应存放。录入的信息主要是与疾病诊断和预防有关的个人信息,包括姓名、性别、年龄,如图10所示。此外,还可以设置密码,以便专用人员才可以录入、查看和修改患者的个人信息,保护患者个人隐私的安全。

2.3 数据采集模块

数据采集模块主要是通过设备驱动程序接口完成对DAQ数据采集卡的初始化工作。在进行数据采集和预处理过程中,信号必然要受到外界干扰和内部噪声的影响,虽然我们对信号进行了滤波处理,来消除外部干扰,但由于硬件电路内部的噪声仍然存在,噪声不能消除,只能抑制。为了改善信号的质量,方便后期处理,可以在软件中采用五点平滑消噪法,以抑制噪声的影响。

X[t]和Y[t]分别为原始信号采样数据和处理后的信号采样数据,图11为五点平滑消噪法处理信号的效果比较图。

2.4 数据显示模块

数据显示模块的主要功能是将采集到的心电数据以及分析后的结果,及患者个人信息显示在前面板上。数据显示界面中最为直观的是心电波形显示界面,如图12所示。

2.5 数据分析模块

信号分析与处理模块是虚拟仪器必不可少的重要组成部分。在由硬件系统和软件系统完成信号的采集后,就要对信号进行分析处理,分析处理方法不同,就能构成不同的仪器。信号的分析与处理方法有很多种,在设计虚拟仪器时可根据所需的功能和信号的特点,来选择最合适的方法。

本系统中测量电压的直流分量,心电信号峰值、谷值、峰峰值、周期平均值、周期均方根等,选用现成的VI函数Amplitude&Level Measurement VI,而Timing&Transition Measurement可以直接用来测量心电信号的频率、周期等参数。然后再通过简单的公式计算,就可算出心率,进而可以判断心率是否正常等。分析结果在前面板上显示如图13所示。

2.6 数据管理模块和波形存储模块

数据管理模块和波形存储模块都属于信息的管理与存储,可以合并为一个部分。在LabVIEW中对数据的管理有两种基本方式:基于文件的数据存储方式和基于数据库的数据存储方式。

在本系统的设计过程中,通过实验采集了一些志愿者的心电信号,并进行了分析处理,病人的心电波形图如图14所示;病人的诊断报告如图15所示,通过把心电信号存储为文档形式,可以直接从中看出病人的诊断报告数据,便于医生作为诊断治疗的依据和参考。

2.7 诊断报警模块

心电信号的诊断与报警系统的主要作用是对所采集的心电信号进行处理、判断和报警等操作。在本系统设计中所采用的判断方法有两种,即设定心率的最大值和最小值,也就是上下限,分别为100次每分钟和60次每分钟。本系统中用长条布尔指示灯显示报警状态,当采集的心率高于100次每分钟时,红色指示灯便点亮,表示心动过速;当心率低于60次每分钟时,橙色指示灯便点亮,表示心动过缓;当心率为60-100次每分钟时,心率正常的指示灯点亮为绿色,表示心率在正常范围内;当间隔超过30秒的两次平均心率相差5次以上,就显示为心律不齐,心律不齐的黄色指示灯便点亮,如图16所示。

当诊断结束时可以点击“保存至文件”按钮,将患者个人信息、患者心电波形、心电信号参数及诊断信息保存至文件或数据库,以便以后查阅。最后,可以点击“停止”按钮,使系统停止工作。

本系统结构简单、功能完整、操作方便、界面友好,能够完成对心电的实时监护。

参考文献

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心电的监护 篇6

随着医疗技术的不断发展和人们健康保健意识的不断增强,对于长期带病和具有突发特点的心脏病患者而言,能够在不影响其日常生活的条件下,实现心电信号的实时监护显得尤为重要,便携式远程心电监护设备应运而生。

基于GPRS网络远程心电监护系统的电磁辐射较强,而且传输速率较低,信号不稳定[1]。相对于GSM移动通信方式,WCDMA在技术上有着多方面的先进性,尤其在数据速率方面,能够满足高达2 Mbit/s的数据吞吐量,在传输功率方面,信道较好的条件下,发射功率一般低于1 m W,而GSM终端的发射功率最大可达2 W,WCDMA终端具有更低的电磁辐射,对人体的影响更小,待机时间更长[2]。

利用WCDMA网络传送心电信号,无论是在信号的可靠性方面还是在功能的扩展上,都有着广阔的前景。

1 系统设计

1.1 系统结构与功能设计

系统由患者监护终端、医院终端两部分组成(如图1所示)。其中,患者终端部分以S3C2440为中央处理单元,以NANDFlash为存储模块,采用放大、滤波、采样等方法,实现心电信号的实时采集和存储,采用SIM5216通信模块发送和接收数据。医院终端部分通过互联网连接到患者终端,能够显示、存储、分析和回放信号,并且能够向患者终端发送医嘱信息,为患者提供治疗指导。

1.2 患者监护终端硬件设计

便携式的患者监护终端要求体积小、功耗低,主要包括信号处理部分、心电采集部分、信号发送部分、电源模块和人机接口部分等[3](如图2所示)。

1.2.1 心电信号的前期处理设计

心电信号的前期处理是利用放大、滤波的方法处理信号,为后期的采样做准备。心电监护不同于心电图的测量,并不需要得到像心电图那样精准的信息,但是对信号的连续性、实时性要求很高。心电信号具有低幅值、低频率、强噪声背景等特征,只有经过前期处理,才能用于采样、发送和分析。

(1)初级放大采用仪表放大器INA326,调整初级放大倍数大约为10倍,以便于后期处理。

(2)经过初级电路放大的信号中还混杂有50 Hz的工频信号,不加以滤除的话会有很大的干扰,采用带通滤波器,过滤出50 Hz的信号,再与上一级信号相减,得到去除工频干扰的信号。一般情况下,1~25 Hz频率范围心电信号足以满足监护需求[4],我们选取1~100 Hz的信号,采用RC高通滤波电路,滤除低频干扰,再通过二阶低通滤波器,滤除100 Hz以上的信号。

(3)最后,通过主放大电路部分,将心电信号的峰值大约放大至合适的幅度。

1.2.2 采集模块

监护系统需要用到的心电信号频率最高为100 Hz,根据奈奎斯特采样定理[5],采样频率要高于200 Hz,采用400 Hz的采样频率,防止心电信号的损失。

为防止导联脱落或松动而造成误判,必须增加导联脱落检测电路。选取运算放大器LM358,使用单电源供电方法接成跟随器,如果同相端悬空时会输出稳定的高电平。采用S3C2440的一路AD转换通路作为导联脱落检测通路,连续检测到高电平时,即认为导联出现脱落或者松动。

1.2.3 存储模块

为了防止网络信号不稳定、网间切换等原因导致的数据发送丢失,需要先将采样数据存储在Flash存储器中,然后再发送。我们选用K9F2G08大页NANDFlash模块,它具有2 048个模块,每个模块包括64页,每页有2 KB的空间,用于存放数据,64 B用于存放坏块标记和ECC校验码。

1.2.4 人机接口模块

包括显示器、蜂鸣器、按键。

(1)通过显示屏,实时显示心电波形等信息,在导联脱落时显示文字报警信息,并且能够显示医院终端发送的医嘱信息。

(2)蜂鸣器用于在检测到导联脱落时发出声音报警,在收到医嘱信息时发出提示声音。

(3)具有4个按键,分别用于感觉不适时的紧急报警,清除报警和医嘱信息的选择。

1.2.5 发送模块

采用SIM5216模块,通过串口连接到CPU(如图3所示)。此模块支持UMTS/HSPDA网络,提供语音、短信、数据等服务。嵌入了TCP/IP协议栈,可以方便建立网络连接。供电电压为3.3~4.2 V,发射功率低,大部分情况下,功率低于0.25 W。

1.2.6 电源模块

供电电源使用通用的3.7 V、1 500 m A的锂离子电池,采用KD035G3芯片为液晶提供3.3 V的电压,为SIM5216模块提供3.3 V的电压。使用MAX8860EUA芯片为S3C2440芯片提供1.25 V的电压。

1.2.7 中央处理单元

中央处理单元采用三星公司的S3C2440芯片,它基于ARM920T内核,通过配置晶振和锁相环,最大工作频率可达400 MHz,足以满足对心电信号的采集和处理功能。具有UART、GPIO等接口,方便与其他各个模块相连接。

1.3 患者终端软件设计

软件部分的主要功能:信号采集和发送、信息接收、屏幕显示、紧急报警等,软件运行流程如图4所示。

1.3.1 数据采集

配置S3C2440的ADCCON寄存器,使得AD转换方式为读取即转换,设置AD转换的频率为400 Hz。在内存中建立2个2 KB的缓冲区,交替存储采集的数据,每存满一个缓冲区,按照页写入的方法将数据存储到NANDFlash中。

1.3.2 信号发送

发送端采用SIM5216模块,CPU通过向其发送AT指令[6],连接到互联网。APN设置为3 Gnet,链路层采用PPP协议,网络层采用IP协议、传输层采用TCP协议。

医院终端和患者终端采用SERVER/CLIENT模式进行通信,医院终端创建一个Socket与本地的IP地址、端口号进行捆绑,成功后在相应的Socket上监听,捕捉到患者终端的链接请求时,完成一个新的联接,相互发送和接收数据[7]。联接建立后,首先发送注册信息,包括设备的ID号等,医院终端收到注册信息后,向患者终端发出应答,允许其发送采样数据。采用页读取的方法,将NANDFlash中的数据读取到内存中,再通过网络连接,将数据发送到医院终端。出现导联脱落,患者按下报警按键时,发送报警信息。

医生在分析患者的心电信号以后,通过网络连接,将医嘱发送到患者终端,患者终端接收到后,显示到液晶屏幕上,蜂鸣器发出声音提示。

1.3.3 屏幕显示

读取内存中的采样数据,采用双缓冲的方式,将其显示在液晶显示器上,便于患者观察,当收到医院终端发送过来的医嘱信息以后,也将其显示。

1.4 医院终端设计

医院终端的应用程序,用于实现显示、存储以及回放、分析信号、医嘱发送等功能。

监护终端以分包的数据传输方式将信号发送到医院终端,显示患者的实时心电信号,方便医生观察。

后台数据库中存储每名患者的姓名、年龄、性别等信息,主程序连接到后台数据库。当医院终端收到患者终端的注册信息时,通过与医院数据库中的内容进行比对,找到对应的患者,将后续收到的采样数据,存储在与患者信息对应的字段中,要求能够存储每名患者的100条报警信息,以及2 h的心电信号。方便医生随时观察患者在发病时的心电信号波形,查看相关信息。

目前临床医生主要关注的是RR间期,采用二阶差分值检测R波,不仅速度快,而且误检率也很低,一般为0.54%[8],通过R波峰值检测结果,可以方便地推算出RR间期,判断出早搏、停搏、心动过缓,发现异常以后,发出声音及文字报警信息,并且标注出发生异常的区段。医生可以根据患者的具体情况,设置心率报警上下限。

医生作出诊断以后,通过网络连接将医嘱信息发送到患者终端,为患者提供治疗指导。

2 结果与前景

患者终端设备的发射功率低于1 m W,这在人们日益关注辐射对健康影响的当今时代,相对于2G传输方式造成的高辐射,具有明显的优势。只要信号传输稳定,基本可以满足临床上心电监护的需求。存在主要问题:监护的信息不够全面,3G网络在速度方面的巨大优势以及S3C2440芯片强大的处理功能还需要进一步发挥;在本设备的后续功能扩展中,可以将血氧饱和度、血压等测量集成起来,一并发送,以实现更为全面的监护功能。

摘要：目的:研制一种基于3G网络的远程心电监护系统,用以实现心电信号的实时采集、显示、发送等功能。方法:以S3C2440为中央处理单元,以SIM5216为通信模块,采用放大、滤波以及采样等方法处理心电信号,综合运用3G技术以及网络技术发送信号。结果:系统辐射小、功耗低、传输稳定,能够实现显示、分析心电信号,发送医嘱信息等功能。结论:系统为患者和医护人员提供了一种便捷的心电监护方式。既能方便医生的观察与诊断,又能做到基本不影响患者的日常生活。

关键词：3G,心电监护,互联网

参考文献

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心电的监护 篇7

心血管疾病是中老年人的一种常见病,在我国, 每年死于心血管疾病的患者人数居各种死因之首。目前,动态心电图、床旁监护心电图和电话有线传输远程监护心电图等[1]心电监护系统各有自己的体系,但大多体积较大且价格昂贵,不适合在家庭及个人应用中普及。在心电信号分析处理方面,先要使用中值滤波[2]、形态滤波[3]、小波变换[4,5]、相干模板法[6]等方法进行预处理,之后进行QRS波群的识别,主要有差分阈值法[7]、基于相关的模板匹配法等。虽然其中大多方法性能优越,但计算量大,对硬件要求高。为使非重症患者能对自身的健康状况做日常的监护和评估,心电监护设备的小型化、低成本化很有必要。

为了实现心电设备的小型化与低成本,并与移动医疗相结合,我们提出了一种基于Android平台的便携式移动心电监护系统。该系统在硬件上具有体积小、功耗低的特点,软件上选择实时性相对更好的处理算法。通过综合软硬件设计的优点,实现了便携化、可穿戴的心电监护设备,弥补了传统心电监护设备的不足。

1系统硬件设计

1.1系统结构

移动心电监护系统主要由充电模块、电源模块、 蓝牙模块、心电采集模块和加速度模块组成,结构框图如图1所示。

系统的工作流程为:充电模块对系统充电;电源模块为系统各芯片供电。金属电极贴于人体表面,将心电信号传给心电采集模块。心电采集模块将采集到的数据通过I/O口传给蓝牙模块。蓝牙模块的微处理器对接收的数据进行处理,通过天线以一定数据格式发给Android手机客户端。客户端软件对心电数据进行滤波、分析、处理与显示。加速度模块则是为今后进一步研究中辅助心电信号分析而准备的。

充电模块采用MAX1555单节锂离子电池充电器芯片。该锂电池具有无污染、无记忆效应、高能量体积比与自放电率低等优点,是便携式移动设备的首选电池方案。系统中USB和插头式电源作为它的充电电源,MAX1555本身的过流保护设计也为整个系统的安全性提供了保障。电源模块中选择噪声输出线性稳压器MIC5205,当遇到突然断电情况,其功耗可降至接近为零,以延长电池寿命。加速度模块采用三轴加速度传感器ADXL345,它既可用来测量动态加速度,如冲击或运动产生的加速度;也可测量静态加速度,如重力加速度。

1.2前端采集电路设计

前端采集电路主要由心电采集模块E9622A和电极组成,结构如图2所示,其中VIN1和VIP1与两个电极相连,是信号的输入;ECG VOUTA是心电信号的输出,与蓝牙模块相连接。

由于心电信号幅度较小,易受到其它信号的干扰,所以要求前端采集电路有低噪声、高共模抑制比和高输入阻抗的特点。本系统采用的E9622A,是复旦大学自主研发的E9622A芯片。该芯片应用了载波调制、双回路失调消除等关键技术,通过对应用系统、模拟前端结构、核心模块电路和关键元件等各个层面的细致研究,设计联合优化方法[8],攻克全集成模拟前端集成电路的设计难点,实现了低噪声、高共模抑制比和高输入阻抗等高性能指标。

1.3蓝牙模块设计

蓝牙模块实现系统与客户端的通信,将前端采集模块采集到的数据通过天线发送出去,由客户端进行接收。主要包括:睡眠晶振(32 k Hz)、片外晶振(32MHz)、+3 V供电电源及电源退耦电路、按键方式复位电路、阻抗匹配电路及单极性PCB天线,其结构如图3所示。

系统选用TI公司CC2541蓝牙4.0低功耗片上系统。独立的6 mm×6 mm器件上集成了控制器与主机,既满足便携式设备小型化要求,也可对接收到的心电信号进行处理并以合适的格式进行发送。同时, 片上数据可永久保留,利于心电数据的记录与存储。 此外,CC2541可在不同模式间进行转换,且转换时间较短,能耗低,可延长设备一次充电后的使用时间,使便携式设备的使用更方便。

2系统软件设计

客户端的软件部分实现:接收系统发出的蓝牙数据,进行保存、处理和显示心电波形及参数。

系统在Wi n d o w s环境下使用E c l i p s e软件进行Android应用程序的编写。由于系统使用蓝牙4.0模块,所以Android系统版本须在4.3以上,以支持蓝牙4.0API。软件包括蓝牙接收和信号显示处理两个子线程,如图4所示。

2.1蓝牙接收

由于系统基于蓝牙4.0协议,所以使用Google在Android 4.3 (API Level 18)之后推出的BLE (Bluetooth Low Energy) API接口。为方便数据的管理和回顾,将心电、加速度信号分别按自定义的文件格式保存在本地SD卡中。

2.2心电信号预处理

心电信号往往带有0.05~2 Hz的基线漂移。本系统使用线性相位响应的数字高通滤波器,在滤除低频基线漂移的同时,又因线性相位响应的特性避免了输出波形的失真。由于肌肉运动产生的肌电信号会对心电信号造成干扰,频率一般在20~5 000 Hz。这里使用均值滤波方法,一定程度上消除高频噪声。

2.3QRS波群识别

QRS波群的识别是计算心率的前提。本系统采用经典的一阶、二阶差分方法识别QRS波群。该方法使用一组数字滤波器,将心电信号作为输入,每一个QRS波群输出一个与QRS宽度成比例的脉冲。计算过程如图5所示。

采用阈值判断方法捕捉每一个输出脉冲。由于每个使用者的个体差异,阈值的选取需要初始化,进而根据实际情况实时调整。经过阈值判断,相当于将输出脉冲整形成标准的矩形脉冲。相邻两个矩形脉冲的上升沿之间的间距即为RR间期,每个矩形脉冲的宽度可以表征QRS宽度。

2.4心律失常的初步判断

本系统除可获得使用者的心电信号外,还可进行异常心拍的检测,并且将异常的实时心电波形保存, 供医疗人员查看。

先获得8个周期的平均RR间期和平均QRS宽度作为正常值的参考。在“RR间期—QRS宽度”二维图上表现为一个正常值的中心点,如图6所示。在该中心点周围有一个矩形范围,分别以中心RR间期的 ±14%、中心QRS宽度的±20%作为边界。当下一跳的RR间期、QRS宽度落在该矩形范围内,则认为它属于正常心律。如果落在矩形外,则视为异常心律。 每获得一个新的心拍,实时调整中心点的位置。

3系统测试与结果

图7(a)为系统实物图,图7(b)为人体佩戴图。 PCB尺寸仅为2 cm×2 cm,集成度高。

将电极贴于人体后,装入电池即可开始工作。开启手机蓝牙,打开Android应用程序,即可采集到数据。采集到的数据以特定的文件格式保存在本地。

用户端界面上分别显示了心电信号和加速度信号的实时波形以及心率、RR间期、QRS间期几个参数,并可以检测出心率失常的个数,界面清晰,操作简单,有较高的实用性。最终的应用程序界面如图8所示。

本系统中使用的QRS波群识别方法,在R波没有被淹没的情况下,有较好的识别效果。图9显示了原始的心电信号经过算法处理后的输出脉冲。表1为选取MIT-BIH心电数据库中的几组数据用本系统方法所做的测试结果。

4结论

本文完成了基于低功耗片上蓝牙系统CC2541的便携式移动心电监护系统的设计,整个系统的PCB只有2 cm×2 cm大小,集成度高。通过对前端采集模块、电源模块、充电模块、蓝牙模块的设计与选型,实现了便携式移动心电监护功能,在安卓手机端可观测心电波形及心率、RR间期等相关参数,并可检测QRS间期和心率失常情况。此外,为下一步心电信号分析的需要,设计中还加入了基于ADXL345的加速度模块。整个系统软硬件结合,完整度高,实现了心电监护设备的微型化,并将主要计算功能移至智能手机终端,降低了硬件产品的成本,弥补了目前大多心电监护设备的不足。