（通信与信息系统专业论文）基于无线局域网的心电实时监护系统的设计与实现.pdf

摘要 基于无线局域网的心电实时监护系统的设计与实现 作者简介：俞骁，男，1 9 8 7 年1 月生，师从成都理工大学任家富教授，2 0 1 1 年0 6 月毕业于成都理工大学通信与信息系统专业，获得工学硕士学位。 摘要 心血管类疾病有难预测、突发性、死亡率高等特点，大部分患者需要能够随 时提供心电监护的仪器，并且还不能过多影响患者的工作与生活。而随着人们生 活水平的提高，社区医疗家庭护理模式的医疗解决方案正在逐步深入。基于此， 无线心电监护系统的研究在近年来引起了国内外的高度重视。但是由于大多数的 心电监护仪成本高，需要专业人士操作，不宜在家庭或社区中普及。 目前已有的心电监护系统，大部分是基于固定的环境，采用有线通信的方式， 价格昂贵，不便于携带，患者只有在医院才能使用。为了能在家庭、康复中心、 养老社区实现对心血管疾病的实时监护，迫切需要一种小型、轻便，具有实时的 心电信号波形显示分析和处理功能的心电无线监护仪。本系统设计了一种基于 w l a n 的实时心电监护仪，与普通的床头监护系统相比，在数据传输上和监控 手段上具有先进性。目前市面上的主要有h o l t e r 系统，此类系统体积较大，只有 数据存储没有实时发送功能，只能对患者历史心电数据进行回滚分析。给患者带 来了生活上的不便；针对目前心电监护仪系统中存在的缺陷，本系统中，采用性 能稳定的f 0 6 0 单片机作为主控芯片，配合无线网卡，使数据通过w l a n 远程传 输。能对患者的心电数据进行远程实时交互式监控，通过本系统医生可以随时连 续的监控患者的心电状态，做到防治结合，最大限度的降低死亡率。系统特点是 体积小、便于携带、交互性好。获取数据实时、便利。能够解放医患双方的时间 与空间。本论文主要做以下方面： 无线便携式心电采集仪：依据生物电信号的频谱特性设计硬件滤波电路与信 号采集电路，减小外界对便携仪信号的干扰，提高系统可靠性，研究w l a n 模 块，配合f 0 6 0 单片机实现信号的发送接收。 终端服务器软件：s o c k e t 编程，使用t c p i p 协议实现与硬件模块消息互通， 心电数据的图形化显示设计及编程，数据库设计方案。 根据调研与综合分析，本系统的主要难点有： 1 心电信号的采集。 2 心电信号的实时传输。 3 心电信号的智能分析，提前预警。 4 服务器与硬件模块的数据交互。 成都理工大学硕士学位论文 5 服务器端的实时监控。 6 数据库的设计。 综上，本研究能很好的适应现代化的人居要求，充分考虑了系统的易用性与 便携性，对实现心血管疾病的早期预防与实时预警，尤其在疗养院、康复中心、 养老院等环境能有较大的使用空间，将会发挥很大的作用。 关键词：心电监护；c 8 0 5 1 f 0 6 0 ；w l a n ；数据库 i i a b s t r a c t t h ee c g s y s t e md e s i g nb a s e do nw l a n i n t r o d u c t i o no f t h ea u t h o r ：y ux i a o ，m a l e ，w a sb o r ni nj a n u a r y , 19 8 7 ，w h o s e t u t o ri sp r o f e s s o rr e n j i a f u h eg r a d u a t e df r o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yi n t h em a j o ro fc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e ma n dw a sg r a n t e dt h em a s t e r d e g r e ei nj u n e ，2 0 11 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a r o x y s m ，h i g hm o r t a l i t ya n db e i n gd i f f i c u l tt o p r e d i c t ，m o s tp a t i e n t sw h os u f f e m df 两mc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s en e e dt ob ee q u i p p e d w i t he c gs y s t e ma ta n yt i m e ，a n dt h es y s t e mm u s tm i n i m i z et h en e g a t i v ei m p a c to n p a t i e n t s i 行ea n dw o r k w i t ht h ei m p m v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s 。c o m m u n i t y - h o m e m o d e lo fh e a l t hc a r es o l u t i o n sa r eg r a d u a l l yd e e p e n e d b a s e do nt h i ss i t u a t i o n ，t h e w i r e l e s se c gs y s t e mg e t sa g r e a ta t t e n t i o nf r o mt h ew o r l dr e c e n t l y h o w e v e r , m o s to f e c gd e v i c e sa r ea th i g hc o s ta n dr e q u i r ep r o f e s s i o n a lo p e r a t i o n t h o s ed r a w b a c k so f e c gh i n d e ri t sw i d e s p r e a dt oc o m m u n i t i e sa n df a m i l i e s a tp r e s e n t ，l o t so ft h ee c gm o n i t o r i n gs y s t e m sb a s eo naw i r ec o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n tw h i c hi se x p e n s i v e ，n o te a s yt oc a r r y c o n s e q u e n t l yt h e ya r er e s t r i c t e dt o b eu s e di nh o s p i t a lo n l y i no r d e rt om a k et h ee c ga v a i l a b l ei nt h eh o m e ，r e h a b i l i t a t i o n c e n t e r s ，a n dr e t i r e m e n tc o m m u n i t i e st oa c h i e v er e a l - t i m em o n i t o r i n go fc a r d i o v a s c u l a r d i s e a s e s ，as m a l l ，p o r t a b l e ，r e a l t i m ed i s p l a yo fe c gs y s t e mi sn e e d e d w i r e l e s se c g m o n i t o rs y s t e mi sm a i n l yb a s e do nw l a n 。c o m p a r e dt oo r d i n a r yb e d s i d em o n i t o r i n g s y s t e m s ，w h i c hi sa d v a n c e di nd a t at r a n s m i s s i o na n dc o n t r o lm e a n s w h a tc u r r e n t l y a v a i l a b l ei nt h em a r k e ti sp o r t a b l eh o l t e rs y s t e mw h i c hi sl a r g e s i z e d ，n o tr e a l - t i m e t r a n s m i s s i o n ，a n do n l yc a nr o l lb a c kt h ep a t i e n te c gd a t af o rh i s t o r i c a la n a l y s i sa n d b r i n gp a t i e n t st h ei n c o n v e n i e n c ei nd a i l yl i f e i no r d e rt oo v e r c o m et h o s ed e f e c t si n p r e s e n ts y s t e m ，t h i ss y s t e mu t i l i z e sf 0 6 0 a sam a s t e rc h i pm i c r o c o n t r o l l e rw h i c hi so f g r e a t e rs t a b i l i t y ：c o o p e r a t i n gw i t ht h ew i r e l e s sc a r d 。s ot h a td a t ac a nb et r a n s m i t t e d t h r o u g hw l a nb ym e a n so ft e l e t r a n s m i s s i o n b yi n t e r a c t i v er e m o t ec o n t r o lo ft h e p a t i e n t se c gd a t ai nr e a lt i m e ，d o c t o rc a nm o n i t o rt h ep a t i e n t se c g d a t aa ta n yt i m e t h r o u g ht h i ss y s t e m ，s ot h a tc o m b i n ep r e v e n t i o n w i t hc o n t r o la n dm i n i m i z et h em o r t a l i t y t h i ss y s t e mi ss m a l ls i z e d ，e a s yt oc a r r y , a n do fg o o di n t e r a c t i o na n dc a nc o l l e c t r e a l t i m ed a t ac o n v e n i e n t l y i tl i b e r a t e sb o t hd o c t o r sa n dp a t i e n t sf r o mt h er e s t r i c t i o n o ft i m ea n ds p a c e t h i st h e s i sw i l lf o c u so nt h ef o u o w i n gt w oa s p e c t s ： w i r e l e s sp o r t a b l ee c ga c q u i s i t i o nd e v i c e ：a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so ft h e 1 1 1 成都理工大学硕士学位论文 s p e c t r u mo fb i o l o g i c a ls i g n a l s ，d e s i g nt h eh a r d w a r ef i l t e rc i r c u i ta n ds i g n a la c q u i s i t i o n c i r c u i t ，r e d u c i n gt h eo u t s i d es i g n a l i n t e r f e r e n c eo ft h ep o r t a b l ei n s t r u m e n ta n d i m p r o v i n gs y s t e mr e l i a b i l i t y , s t u d y i n gt h ew l a nm o d u l e t e r m i n a ls e r v e rs o f t w a r e ：s o c k e tp r o g r a m m i n g u s i n gt h et c p | i pp r o t o c o lt o r e a l i z ed a t ae x c h a n g ew i t ht h eh a r d w a r em o d u l e s ，e c gd a t a ，g r a p h i c a ld i s p l a yo f d e s i g na n dp r o g r a m m i n g ，d a t a b a s ed e s i g n a c c o r di n gt ot h ei n v e s t i g a t i o na n dc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s ，t h em a i nd i f f i c u l t i e so f t h i ss y s t e ma r e ： 1 e c ga c qu i s i t i o n 2 r e a l - t i m et r a n s m i s s i o no fe c g 3 i n t e l l i g e n ta n a l y s i so fe c gs i g n a l ，a d v a n c ew a r n i n g 4 t e r m i n a ls e r v e rd a t ai n t e r a c t i o nw i t ht h eh a r d w a r em o d u l e s 5 t e r m i n a ls e r v e r , r e a l - t i m em o n i t o r i n g 6 c e n t e rd a t a b a s ed e s i g n i ns u m m a r y , t a k i n gf u l la c c o u n to ft h es y s t e m su s a b i l i t ya n dp o r t a b i l i t y , t h i ss t u d y c a nb ew e l ls u i t e dt om o d e ml i v i n gr e q u i r e m e n t sb ya c h i e v i n gt h ee f f e c to fe a r l y p r e v e n t i o no fc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s ew i t hr e a l - t i m ew a r n i n g i tw i l lp l a yas i g n i f i c a n t r o l ea n db eo fg r e a tp o t e n t i a la p p l i c a b i l i t yp a r t i c u l a r l yi nn u r s i n gh o m e s ，r e h a b i l i t a t i o n c e n t e r s ，n u r s i n gh o m e sa n do t h e re n v i r o n m e n t a l k e y w o r d s ：e c g ；c 8 0 5 1f 0 6 0 ；w l a n ；c e n t e rd a t a b a s e i v 第1 章引言 1 1 研究意义 第1 章引言 随着现代人们生活水平的提高，社会生活节奏加快，人口老龄化问题逐渐 显现，心血管疾病已经成为威胁人类健康与生命的主要疾病，而且此类疾病最 大的特点就是其突发性，如果不能及时发现并进行治疗后果十分严重甚至威胁 生命。目前使用心电监护仪是此类疾病主要的检测手段，对此类疾病的防治有 十分明显的作用。目前市面上的心电监护仪主要有三大类：一、大型多功能心 电仪，能实时的监控病人的心电信号，在临床上使用较多，但是无法在医院以 外的地方使用。二、存储式便携心电监护仪，功能单一的记录心电数据，体积 较大，没有实时发送功能，只能对患者历史心电数据进行回滚分析。如现在的 h o l t e r 系统。三、家用网络心电监护仪，其缺点是限制患者自由活动，便携性 差。随着科学技术的发展，计算机、i n t e r n e t 技术已经深入大众消费领域，使 得在w e a n 或i n t e r n e t 网上收发数据成为可能；i c 技术的发展也使以前难以调 试的无线模块现在变得简单且易用。低成本、低功耗、远距离传输和较强的抗 干扰能力变得较以前容易实现。 据统计，世界上每年因心脏病死亡的人数约占死亡人数的三分之一强，死 亡率高居不下。据美国心脏病学会杂志统计数据推算，我国每年心脏病猝 死总人数高达5 4 4 万例，位居全球之首。以冠心病为首的心脏性猝死在美国曾 被称为“男性第一杀手”和“女性第三杀手 。此类疾病一旦发生，患者的存活 几率非常小。在国外，存活的几率只有5 到1 0 ，而在我国可能连1 都不到。 由于发病机制及早期人们对其认识的不足，心脏病猝死的防治成为2 1 世纪国际 医学界需要研究和攻克的一个难题。根据中国医学协会统计有近6 0 的心脏类 疾病死亡是发生在家庭和社区范围内的。因此如果在心脏异常早期就能发现并 及时通知有关人士便能保证患者的生存几率，但是由于此类疾病大多具有突发 性和偶然性，于是又有了动态心电仪，此类仪器可以完成数天天的心电活动记 录，但是缺点是需要较大容量的电池和很大的储存器芯片，且不能实时报警通 知相关人员。 据美国统计的数据，如果心脏类疾病可以及时发现并做适当处理，患者有 7 0 一8 0 的几率生存。而在我国这样的生存几率显得尤为重要。医院中使用的监 护仪虽然能很好的监控患者的心电数据，但是一方面成本太高不适合普通大众， 另一方面影响了患者的日常生活。于是便携、操作简单、造价便宜、实时监控 性好的心电仪有着很大的发展空间。 成都理i ：人学硕十学位论文 综上，本课题将开发种操作简单、便携、具有实时交互功能的心电监护 仪，主要用于医院、康复中心、医疗社区、养老中心等场合。节约医患双方的 时间，降低监护成本，提高医疗质量。 根据凋研与综合分析，本系统的目标主要有以下几点： 1 采用低功耗的f 0 6 0 作为主控芯片，将采集到的心电信号发送到w l a n 模 块。实现操作简单，性能稳定且成本低。 2 采用现成的w l a n 模块实现数据收发，成本低调试方便。 3 主服务器可以实现多用户心电数据的实时监控、回放、初步分析计算。 1 2 研究现状 现在市面上的动态心电监护仪主要产品的模型都是以h o lt e r 系统为模型， 随着电子技术的发展、医学工程也一并飞速发展，目前心电监护系统主要分为 3 种： 1 h o l t e r 系统：此系统由携带式记录盒和快速回放分析两个部分组成， 携带部分包括生命信号获取、调理和储存等，也包含有病人自觉症状的记录功 能，一般应能记录2 4 小时以上的信号以便记录日常活动中的生命信号的变化， 检出偶发性症状，记录介质有磁带或存储器。分析部分主要由存储信号解读部 分和分析软件组成，主体是高性能的计算机，主要完成对所记录的信号进行分 析和统计，也能显示、打印所存储的具体信号波形作为医生诊断的依据，回放 和自动分析的速度一般可达记录速度6 0 倍以上，所以要求系统有非常准确、高 效的自动波形特征提取和识别的能力，但为了提高识别的准确率，目前大部分 分析系统都允许医生参与识别工作，可以人为添加漏判或剔除误判的信号波形， 这样的系统都必须有人机交互功能和快速索引功能，最终还能把结果( 包括统 计资料、各种代表性的波形) 打印出来或存档。目前h o l t e r 系统在有了很大改 进，在心电信号的连续记录和储存方面有了很大的进步，系统较稳定不妨碍使 用者的正常工作和生活，数据记录后交给医生分析诊断。 图l 一1h o l t e r 系统图 2 电话传输心电图监测系统( t t m ) ：t t m 系统包括两部分。( 1 ) 中央监测 2 第l 章引言 及处理系统，微机及系统软件( 2 ) ，i i , 脏b p 机，包括心电电极及心电信号转发 器。当使用者感到身体不适或心脏异常是按下记录按钮，可记录到6 秒到2 4 0 秒的心电图，然后把记录器放到通信器上，将记录的一t l , 电图通过心电信号转发 器经电话发送到监控中心。目前许多远程心电监护仪大多与此类似。 圆曝j 图i 2t t m 系统 3 心电实时监护系统：此系统是针对h o l i e r 与t t m 系统都缺乏实时性而 研制的。一般有一个便携式心电信号检测仪和一台智能心电实时监护仪两个部 分。检测仪通过无线方式发送心电图到监护仪，当发现心率异常时自动拨号并 通过调制解调器传输心电数据岛监护中心。此系统还具备了t t m 系统同样的手 动按键报警功能。实现了h o l t e r 系统与t t m 系统的结合。 图1 - 3 心电实时监控仪 尽管一t l , 电监护的技术已经取得很大的进步，心电监护仪也从最初的静态存 储进步到了今天的动态监控，但是依然存在很多不足，h o l t e r 系统的用户只能 记录心电信号，没有实时上传功能，必须拿回医院才能给医生分析。t t m 系统 虽然能及时传送患者的心电异常信号，但是它需要患者自主的按键，可能会误 报或者救援不及时。心电实时监护系统虽然解决了心电信号的实时监测问题， 但是其结构复杂，系统通用性较差，而且费用昂贵普通大众无法接受。 本系统在对国内外心电监护系统分析总结后，提出一种针对性强、操作简 单、易用性好，能满足大众承受能力的心电实时监控系统的设计与实现。 成都理工大学硕+ 学位论文 1 3 研究内容及组织形式 本文主要任务是分析心电信号的基本特点，实现心电信号的正确采集，在 此基础上采用f 0 6 0 芯片实现便携式心电监护仪的硬件主控部分设计。调试w l a n 模块实现网络双向通信，并设计服务器监控软件，实现心电信号的实时监控。 论文的组织结构如下： 第1 章引言。首先介绍了课题背景及其研究意义。介绍了心电监护系统的 发展与国内外产品现状和发展方向。 第2 章心电监护系统总体方案设计。首先介绍心电信号产生及检测的基本 原理，然后设计系统的总体方案，包含数据采集及发送端的设计与服务器端的 设计，确定系统设计方案。 第3 章心电监护系统硬件设计。包含了心电传感器工作原理及采集模块的 硬件设计，其中包含了电源模块、信号放大滤波模块、w l a n 模块等。 第4 章心电信号数据的分析与处理。包含q r s 波群分析，心率失常分析等。 第5 章心电信号采集端单片机软件设计。包含了与w l a n 模块的接口，采 集后的处理方式等。 第6 章网络中心服务器的设计。包含波形显示、心电数据分析检测、心率 计算心电信号数据库的开发等。 4 第2 章心电监护系统总体方案设计 第2 章心电监护系统总体方案设计 根据前面的论述，本章首先介绍心电信号产生及检测的基本原理，明确系 统实现的功能，然后设计系统的总体方案，包含数据采集及发送端的设计与服 务器端的设计。 2 1 心电信号产生原理及其特点 2 1 1 心电信号的形成 心肌的收缩导致心脏的跳动，心肌细胞周期性的电激动引起心肌收缩，无 数心肌细胞的周期性除复极过程形成了周期性的电激动。无数心肌细胞的除复 极活动引起了心脏周围电场发生周期性的变化，通过测量人体不同两点间的点 位差就得到了心电图。 在静息状态，心肌细胞膜内、外两侧聚集着等量的正、负离子，整个细胞 对外不显电性，外部空间各点电势为零。这一状态在医学上称为极化。心肌细 胞膜内外的正负离子可等效为两个位置不重合的点电荷，类似一个电偶极子， 形成了电偶极矩。当心肌细胞受到某种刺激时，由于细胞膜对离子的通透性的 改变，使膜两侧局部电荷的电性改变，膜外带负电，膜内带正电。于是细胞整 体的电荷分布不再均匀而对外显示出电性。这个过程叫做除极。当除极结束时， 整个细胞的电荷分布又是均匀的，对外不显电性。当除极出现以后，细胞膜对 离子的通透性几乎立即恢复原状，即紧随着除极将出现一个使细胞恢复到极化 状态的过程，这一过程称为复极。当复极结束后，整个细胞恢复到极化状态， 又可以接受另一次刺激。 从上述内容可以看出，在心肌细胞受到刺激以及其后恢复原状的过程中， 将形成一个变化的电偶极矩，在其周围产生一个变化的电场，并引起空间电势 的变化。 2 1 2 心电向量 为了简化，可将心脏等效为一个电极偶子，此电极偶子大小和方向都随时 间变化，简称心电偶。某一个时刻所有心肌细胞电矩的矢量和称为心电偶在此 时刻的电矩，简称心电向量。 从宏观上记录心脏细胞的除极和复极过程即是心电信号，从一定程度上反 映了心脏各部位的生理状况。心脏的病变，会使心电信号在形态和周期上发生 畸变，因此在临床上有很大的意义。 5 成都理工大学硕士学位论文 2 1 3 导联电压 临床上为了统一并且便于比较e c g 波形，对测定e c g 的电极安放位置 和放大器与引线的联接方式有较严格的规定，即是称为心电图的导联系统。标 准肢体导联是指把电极放置在肢体末端( 手腕和踝) ，通常为了降低噪声采用右 足接地，余下的末端电位配对给出如下所示三种导联电压： v = l a r a v = l l r a v = l l l a 式中r a 代表右臂，l a 代表左臂，l l 代表左足，l a r a 代表左臂相对 于右臂的电位，其他类推。这种双极导联方式产生的是体表某两处的电位差信 号。还有一种方式是单极导联，此导联获取的是体表某处相对于参考点的电位。 2 2 心电信号的时域和频域特征 e c g 信号是心脏活动过程中心脏的肌肉和神经电活动的综合反映，属于直 接信号。由于人体自身的机理以及人体心脏的不可触及，e c g 信号与其他生命 体系统产生的信号大体相似，主要具有以下几个特点：随机性强，信号无法用 比较确定的函数描述；背景噪声强，有用信号往往淹没在许多无用信号中；信 号频率低，心电信号属于低频信号。心电信号大体部分是周期性的信号，但是 也有着非平稳的性质，e c g 信号随时都有微小的变动，不是固定不变的。即使 从同一对象取得的e c g 信号，在不同时刻也是不同的。e c g 节律会随运动也 会随某种疾病如冠心病等的因素而变。虽然不同的人之间的心电波形差异可能 会较大，但所有的心电波形的都可以看做由p 波、q r s 波、t 波和u 波几个 部分组成。 2 2 1 心电信号的时域特征 心电信号是心电电压与幅值都随时间变化的信号，是时域信号。传感器采 用体表电极时，信号的幅度范围是l o u v 到4 m v ，典型值是l m v 。一个典型 的导联电压对时间的函数关系如下图2 1 所示： 6 第2 章心电监护系统总体方案设计 图2 l 典型心电波形 1 、p 波代表心房肌除极的电位变化。 形态：p 波的形态在大部分导联上一般呈半圆形，有时可能有切迹。 时间：正常人p 波时间一般小于0 1 2 s 。 振幅：p 波振幅在肢体导联一般小于0 2 5 m v ，胸导联一般小于0 2 m v 。 2 、p r 间期：从p 波的起点至q r s 波群的起点，代表心房开始除极的时 间。 心率在正常范围时，p r 间期一般为o 1 2 s 到0 2 0 s 。幼儿或心动过速p r 间 期相应缩短。老年人或心动过缓p r 间期可略延长，但不超过0 2 2 s 。 3 、 q r s 波群代表心室肌除极的电位变化。 时间：正常成年人q r s 时间小于0 1 2 s ，多数在0 0 6 到0 1 0 s 。 振幅和波形：正常人v i 、v 2 导联多呈r s 形，v 1 的r 波一般不超过1 0 m v 。 v 5 、v 6 导联q r s 波群可呈q r 、q r s 、r s 、r 型，且r 波一般不超过2 5 m v 。 正常人胸导联的r 波自v 1 - v 6 逐渐增高，s 波逐渐变下，v 1 的r s 小于l ， v 5 的r s 大于l 。在v 3 或v 4 导联，r 波和s 波的振幅大体相等。在肢体导 联，i 、i i i 导联的q r s 波群在没有电轴偏移的情况下，其主波一般向上。 a v r 导联的q r s 波群主波向下，可呈q s 、r s 、r s r 或q r 型。a v l 与a 、，f 导联 的q r s 波群可呈q r 、r s 或r 型，也可呈r s 型i 导联的r 波小于1 5 m y ，a v l 导联的r 波小于1 2 m v ，a v f 导联的r 波小于2 0 m v 。 6 个肢体导联的q r s 波群振幅( 正向波与负向波振幅的绝对值相加) 一般 不应都小于0 5 m v ，6 个胸导联的q r s 波群振幅( 正向波与负向波振幅的绝对 值相加) 一般不应都小于o 8 m y 。否则称为低电压。 7 成都理工大学硕士学位论文 i 魏蜂嬲间撙q l ( s 起点至寰漩顶端萋置线朐腕墼 图2 - 2 心电波形图各段说明及意义 4 、r 峰时间( rp e a kt i m e ) ：过去称为类本位曲折时间或室壁激动时间， 指q r s 起点至r 波顶端垂直线的间距。如有r 波，则应测量至r 峰；如r 峰 呈切迹，应测量至切迹第二峰。正常人r 峰时间在v i 、v 2 导联不超过o 0 4 s ， 在v 5 、v 6 导联不超过0 0 5 s 。 5 、q 波：除a v r 导联外，正常人的q 波时间小于o 0 4 s ，q 波振幅小于同 导联中r 波的1 4 正常人v l 、v 2 导联不应出现q 波，但偶尔可呈q s 波。 6 、j 点：q r s 波群的终末与s t 段起始之交接点称为j 点。 j 点大多存在与等电位线，通常随s t 段的偏移而发生位移。 7 、s t 段：表示自q r s 波群的终点至t 波起点问的一段线段，代表心室缓 慢复极过程。正常的s t 段大多为等电位线，有时可能有轻微的偏移，但对任 一导联方式，s t 段下移绝大多数不超过0 0 5 m v ；s t 段上抬在v 1 - v 2 导联大多 不超过0 3 m v ，v 3 不超过0 5 m v ，在v 4 v 6 导联及肢体导联不超过0 1 m v 。若 s t 段偏离等电位线一定范围，则提示心肌损伤、缺血等病变。 8 、t 波：代表心室快速复极时电位变化。 9 、q t 问期指q r s 波群的起点至t 波终点的间距，代表心室肌除极和复 极全过程的时间长度。q t 间期长短与心率的快慢相关密切，心率越快，q t 间 期越短，反之则越长。心率在6 0 1 0 0 次分时，q t 间期的范围为0 3 2 0 4 4 s 。 第2 章心电监护系统总体方案设计 1 0 、u 波；在t 波之后0 0 2 0 0 4 s 出现的振幅低小的波称为u 波，代表心室 后继电位，其产生机制目前尚未完全清楚。u 波方向大体与t 波相一致。u 波在 胸导联较易见到，以v 3 v 4 导联较为明显。u 波明显增高常见于血钾过低。 2 2 2 心电信号的频谱特点 据研究，心电信号频率较低，直流成分较多，除去直流，它的主要频率范 围是0 0 5 h z 到1 0 0 h z ，大部分能量集中在0 0 5 h z 到4 0 h z 。从功率谱分析发现， q r s 的能量在心电信号中占了很大比例，它的峰值约在1 0 h z 到2 0 h z 之间， 分布于心电信号的中、高频区，这个特征在e c g 中显得非常突出，使得q r s 成为心电信号中最易识别的信号段。 q r s 检测错误是因受测e c g 信号的中的异常的波形和干扰导致的。异位 的心动也能导致q r s 复合波形态发生一些变换，在q r s 上的分类和采集带 来一定困难。来自生理上的潜在的错误因素还包括：不正常的p 波和t 波、 在频率和幅值上类似q r s 复合波的肌电也会造成检测错误。在窦性节律里， 除了频率很高的瞬态尖峰信号，还有非周期性的低频变化等，病人的呼吸会造 成在e c g 信号在q r s 复合波形态和幅值上的突然变化，从而引起q r s 波 的漏检，与低频基线漂移。 一般电信号有三大普遍特征：信号源阻抗、幅度和频谱。作为生物电的心 电信号具有下面三个特征： 1 微弱性：心电信号是从人体体表特定点处采集的生物电信号，信号 一般十分微弱，其幅度基本不超过5 m v ，典型值为l m v ； 2 低频特性：心电信号频率较低，其频谱范围一般为0 0 3 h z 到1 0 0 h z ， 频谱能量主要集中在0 5 h z 到3 5 h z 之间。 3 高阻抗特性：作为心电信号的信号源，人体阻抗一般较大，可达几 十千欧，会给心电检测带来误差。 2 3 心电传感器工作原理 心肌细胞膜内钠离子浓度低于膜外的钠离子浓度，所以在细胞膜内产生了 一个电压差该电压差值约为9 0 m v ，如图2 3 所示：。 9 成都理一r 人学硕士学位论文 暇鹱旺匝国1 二蓁 篓i iilllfll lf l i 1 誓 引1 ，1 i i 。儿 曩 ( ) ( xxxxx ) ( ) ( ) ( xxx 。) ( 。) 至 2 4 心电信号的模拟 在做心电监护仪测试时，需要各种情况的心电信号为所设计出的心电监护 系统提供一个较真实的场景，作为判断系统是否能达到我们所预期的结果。对 心电信号模拟器的要求就是能提供尽可能多的不同生理、病理状态下的心电信 号。 1 0 第2 章心电监护系统总体方案设计 2 4 1 模拟电路方案 此方案的设计思想是通过模拟电路来模拟心电信号，此方案的优点是能动 态的调节部分元器件参数达到调节输出心电模拟信号波形，但是缺点也是显然 的：不能很好的调出各种病态的心电信号，且不好与真正的心电信号对比。只 能作为在系统前期测试时使用。 图2 _ 4 心电信号发生器电路图 其中增大r 4 可以增加t 波宽度增大c 2 可以增大t 波幅度，增加c 8 可以 调节p 波宽度，增大r 1 9 可减小p 波幅度，改变c 1 4 可以改变r s 波宽度，调 节r 3 4 可以调节r s 波幅度。 2 4 2d a 输出方案 此方案的设计思想是将数字心电信号经过数模转换，模拟输出各种心电信 号。我们事先获得大量各种特征的心电数字信号，存贮在心电数据库中。当我 们需要模拟某特定心电信号时，只要将数据库中的信号模拟输出就可以提供实 验。d a c 输出幅度为5 v 5 v ，而人体心电信号的幅度很小，所以模拟输出心电 信号还要经过一级衰减，使输出幅度达到标准心电信号的幅度范围。衰减器设 成都理工大学硕七学位论文 计成一个电阻分压电路，衰减幅度可以由外部按钮调节。 图2 - 5d a 方案心电信号发生器框图 此方案能弥补上一个方案的不足，存储不同的病态心电波形数据后通过 d a 输出方式模拟心电波形，但是此方案的不足也是显然的，所输出的波形限 制于p c 机内存储的心电波形数据，不能像上一个方案一样实现手动调节。此 方案适合系统最终测试。 2 5 心电监护仪的总体设计 通过以上的阐述可知心电信号是一种微弱的体表电信号，信号微弱、频率 低、环境噪声干扰严重。为采集和测量带来了很大的难处，综合各方面考虑本 系统总体设计方案如下： 心电监护仪系统由心电传感器模块、心电采集模块、电源模块、导联脱落 报警模块、心电信号处理模块、中央处理芯片、l c d 显示器、键盘等组成，其 框图如图2 - 6 所示。 图2 - 6 心电监护仪组成框图 1 2 第2 章心电监护系统总体方案设计 心电传感器从人体体表获取心电信号，通过防干扰的电缆传输到心电信号 输入模块，分别放在五个单独的输入端。通过上面的论述可知，心电信号的峰 值为l m v ，频率分布在o 0 3 h z 到1 0 0 h z ，经过一系列的放大滤波及5 0 h z 陷波 处理后放大送入a d 进行转换，单片机采集到这些信号通过w l a n 模块发送 到服务器，在此整个信号流程完毕。其中还有显示器与键盘等外设，方便用户 操作与实时监视。 本系统能较好的满足微弱心电信号采集与处理的要求，总体功能如下： 1 心电信号的采集。 2 对心电信号的处理，保证了心电信号的失真最小。 3 使用a d 采样能达到1 6 位的分辨率。 4 实现良好的人机接口，用户能通过l c d 液晶屏幕观察心电信号。 5 能实时的与服务器通信，能将采集数据上传到服务器。实现远程监护。 1 3 成都理1 ：大学硕十学位论文 第3 章心电监护系统硬件设计 心电监护仪硬件部分主要包含：心电信号获取模块、采集模块、电源模块、 人机交互、w l a n 模块设计。 3 1 心电信号的获取模块 心电信号的获取模块主要包括了多极联导技术、右腿驱动电路、放大电路、 滤波电路和a d 采集。 心电信号获取电路框图如图3 1 所示，由专门的医用电极从人体体表提取 心电信号，通过导联技术将信号传输到放大电路，通过放大电路放大约1 0 0 0 倍 后传输到滤波电路，连接右腿驱动电路提高系统的稳定性与抗干扰能力，处理 后的信号传输给单片机的a d 模块采样。 3 1 1 前置放大电路 图3 1 ，b 电信号获取电路框图 心电信号取自人体表面，信号源阻抗大，背景噪声强，存在工频5 0 h z 和 极化电压等干扰，信号很微弱以至于不能被a d 转换器采集，因此放大电路的 放大倍数至少是1 0 0 0 倍以上，因此前置放大电路的具体要求有下面几点： 1 低噪声、低漂移。由于心电信号很微弱所以前置放大器的内部噪声应该 远远小于心电信号，否则心电信号被噪声淹没。 2 高输入阻抗。因为电极与皮肤间存在接触电阻，等效于一个有内阻的信 号源，所以要求前置放大器必须高输入阻抗，保证不会使心电信号衰减。 3 高共模抑制比。环境中存在各种电磁干扰，尤其是5 0 h z 市电干扰，为 了抑制这些干扰，前置放大器必须有高抗干扰能力，即必须有高共模抑制比。 生物电放大器的共模抑制比一般需要达到6 0 d b 到8 0 d b 。 1 4 第3 章心电监护系统硬件设计 为了满足上述要求，在设计时选用了专门的仪表放大器a d 6 2 0 作为前置放 大器。a d 6 2 0 是一种高精度的仪表放大器，采用激光晶片校准技术，使用户仅 用一只外接电阻便可实现1 1 0 0 0 的放大增益。a d 6 2 0 的精度高，线性误差最大 值为4 0 0 p p m ；最大供电电流为1 3 m a ，在电池供电、便携式应用场合非常实用。 心电监护仪采集电极是放置于人体右臂、左臂和右腿上的双极导联。因为 方向和心脏电轴方向最为接近，p 波河r 波最为清楚，能较好的发现心率失常。 前置放大电路图如下图3 2 所示： l a 十3 、， q 7 “ l 2 0 k ， 善。弋 c 8 ：c 1 + ； 1 k 1 v 嘘： a d 6 2 0 、0 6 l l 懈一 敏” 输硅 ： 1 ， r - t l 0 k 2 5 4 i l 一：一亨 ! i 2 右腿驱动电路图3 前置放大电路图 电路又称右腿信号采集电路，专门用来消除人体引入的共模干扰， 能有抑制交流(大部分是50hz)共模电压的干扰，由电阻网络和低功耗运 放组该电路一般从前级放大电路的增益调节电阻处提取反馈信号，并将反 馈信入反相放大器的负端，放大后接到人体右腿。可以大大降低人体共模 电压响，使共模干扰降低到1以内，典型的右腿驱动电路如图33所示。1 5 成都理t 人学硕十学位论文 图3 - 3 典型的右腿驱动电路 其中c b 是人体与大地之间的寄生电容，c s 是运放公共地与接地间的隔离 电容，r c 为等效阻抗，计算可得： v o = 一2 。古二= v ：一i d 2 ( r e l + r o ) 由上式： 耻毫= 等肛2 r r f a 由上式可知，如果把前置放大电路的参考电位s 1 直接接在运放的公共端， 那么人体与运放的公共端问的等效阻抗为( r e l + r 0 ) ( 1 + g ) 。如果增益很大， 则等效阻抗减小，有利于减小共模电压。右腿驱动等效电路如图3 - 4 所示： 图3 _ 4 右腿驱动等效电路图 本系统中的右腿驱动电路是由电阻r 6 、r 7 、r 8 和运放t l c 2 2 5 4 组成，其 工作原理是：人体共模电压通过r 6 、r 7 检测出，送入到右腿驱