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1、便携家庭式远程定位 ECG 监测预警系统的设计与实现 王炜 赵开源 陈宏 兰州大学信息科学与工程学院 摘 要： 针对远程定位 ECG 监测预警系统的需求, 设计了一套家庭式心电实时监测预警系统。系统包括远程监测平台与移动预警端, 远程监测平台采用 Lab View 编写了 ECG 波形显示与回放程序, 并利用自主开发的心电采集设备实现了心电分析与监测预警等功能。移动预警端将 ECG 采集模块与 Android 手机相结合, 实现了 ECG 信号的实时监控与远程定位等功能。实测结果表明, 系统准确率在 94%以上, 携带方便, 在出现心率紊乱等症状时, 可及时发送报警信息, 帮助患者得到医疗救助
2、。关键词： 心电信号; 远程定位; 预警; 实时监控; 便携式; 作者简介：王炜 (1956-) , 男, 教授, 博士生导师, 主要研究方向为生物医学工程人体弱信号提取分析, ;作者简介：赵开源 (1990-) , 男, 内蒙古, 硕士研究生, 主要研究方向为信号与信息处理, 。收稿日期：2016-10-08The Design and Implementation of Portable Family Remote ECG Monitoring with Early Warning SystemWANG Wei ZHAO Kaiyuan CHEN Hong School of Inform
3、ation Science and Engineering, Lanzhou University; Abstract： According to requirements of a remote ECG monitoring warning system, a set of family real-time ECG monitoring early warning system has been designed.The system mainly consists of two parts, the remote monitoring platform and the mobile war
4、ning port.The remote monitoring platform uses Lab Veiw to implement ECG waveform displayand playback program, and also use the independent development of ECG acquisition device implements the ECG analysis and monitoring early warning function.It realizes the real-time monitoring and remote warning p
5、ositioning function by combining the mobile warning ECG acquisition module and Android phones.Experiment verifies that the system can be carried around conveniently with the accuracy above 94%.When patients appear abnormal heart rate symptom, the system can timely send emergency alarm information to
6、 help patients medicare treatment.Keyword： ECG; remote; early warning; real-time monitoring; portable; Received： 2016-10-08心血管病已成为人类健康的第一大杀手, 发病率与致死率不断增高, 在中国居民全因死亡构成中, 心脏心血管病居各疾病之首, 农村为 44.60%, 城市为42.51%1。由于其具有突发性、瞬时性和致命性的特点, 要及时早期防治心脏病就必须对患者进行长时间的心电信号监测, 对心率紊乱进行预警。再一方面, 中国老年人口高龄化及城镇化进程的加速, 心血管病危险因
7、素流行趋势将更加明显, 今后 10 年心血管患病人数仍将快速增长1, 所以一款家庭式心电监测与预警系统的应用是目前迫切需要开发的重要领域。目前市场上现有的心电仪大致分为两类:一类是采用个人电脑对心电信号进行显示与分析的监测仪, 这类心电仪体积较大、携带不便, 不易对患者进行实时监控。另一类是采用专业的心电采集芯片, 利用蓝牙、GPS、红外等进行手机通讯的便携式心电仪, 此类心电仪具有体积小、易携带等特点, 但其功能型单一, 缺乏定位信息、实时求助等功能2-3。此外市场上大多数心电仪缺少自动预判与实时报警功能, 患者大多数需要手动求助, 若患者突发疾病无法进行自救时, 患者的生命安全将不会得到保
8、证。针对上述心电监测系统存在问题与不足, 设计了一套具有远程定位报警功能的便携式心电信号监测预警系统, 分别部署到了 PC 端和 Android 智能手机移动端4。其中 PC 端作为远程医疗监测平台, 用于医院监测患者心脏病情, 在接收到患者心电数据时能第一时间观察到患者心电波形。手机移动端作为移动预警端, 用于实时采集患者心电信息, 在出现心率紊乱时系统自动定位出患者所在位置5, 并通过 E-mail 将患者位置信息与发病时的心电数据同时发送给求助手机端与远程医疗监测平台, 达到双重报警的效果。患者也可手动保存发送心电数据方便患者更加全面的了解自身心脏状况。系统为患者提供一款容易操作且成本低
9、廉的健康心电设备, 实现了家居环境下的心电监测, 可实时监测患者病情, 让患者能随时得知自身心电状况并及时作出反应, 对设计家庭医院外心电监测预警系统有重要的应用价值。1 心电系统的总体设计系统由远程监测平台与移动预警端两部分组成, 其中远程监测平台由自主开发的心电采集模块与使用 Lab View 编写的心电显示分析模块组成, 心电采集模块主要实现了心电信号的放大采集、电平抬升、模数转换等功能, 便于显示分析模块进行心电信号分析。远程监测平台心电显示分析模块实现了心电数据信号显示、回放预警心电波形等功能, 其主要用于医院监测患者心脏病情, 在接收到患者心电数据时能第一时间观察到患者心电波形,
10、方便医院更加全面的了解患者心电状况。移动预警端将 BMD101 芯片控制下的心电采集模块与 Android 智能手机相结合, 开发出了一款可以实现心电监控、远程患者定位、心率紊乱预警等功能的人机交互系统。其中心电采集模块可以实时地采集到患者心电波形7, 并通过蓝牙技术传送心电数据到 Android 智能平台上进行心电信号分析、显示心电波形。在专为本设计编写的 Android 应用 APP 中还加入了远程定位报警功能, 让患者随时得知自身心电状况的同时, 可通过 E-mail 将患者位置信息与患者实时心电数据同步传输到远程监测平台。通过监测预警信息, 能及时的发现患者发病位置, 便于患者得到医疗
11、救治。ECG 监测系统总体框图如图 1 所示。图 1 ECG 监测系统结构图 下载原图2 硬件设计与实现心电信号正常的幅值范围在 10V4 m V 之间, 典型值为 1 m V。频率范围在0.05 Hz100 Hz 以内, 而 90%的 ECG 频谱能量集中 0.25 Hz35 Hz 之间。根据心电信号特征, 设计了一套适合采集人体心电信号的硬件系统, 并将采集到的心电信号通过蓝牙或串口接收的形式传送到手机移动端或 PC 端进行心电信号分析。2.1 PC 测试端硬件部分2.1.1 供电模块与信号调理电路系统供电模块由信号采集芯片的供电范围决定, PC 端选取的心电采集芯片供电范围较大, 在2.
12、25 V18 V 之间, 因此, 实验综合考虑芯片供电范围和电源选择的普适性, 采用两块手机电池通过反向串接设计了一个正负 5 V 电源模块, 实现供电功能。信号调理电路主要负责采集人体心电信号。电路采用 3 个盘状金属电极作为信号采集点。在图 2 中电极 1 与电极 2 用于采集人体左右手心电差模信号, 共模电极 P1 用于接收电路反馈的人体共模信号;U1 采用仪表放大器 INA128 实现了信号的初级放大, 基线高频滤波以及人体共模信号采样, 其中 U1 的增益电阻由R1、R 2、R 3、C 1串并连组成, R 3和 C1组成高频滤波电路, 截止频率约为 0.45 Hz左右。R 1、R 2
13、的中间点取出人体共模信号, 通过 U3 反馈到人体实现共模信号抑制;U2、U6 采用贝塞尔开关电容滤波器 MAX7405 分别组成截止频率为 45 Hz 的低通滤波器。U4 和 U7 分别为 INA128 与 TLC071 组成的 51 倍与 1 倍20 倍信号放大电路, 通过本硬件系统可将毫伏级级心电信号放大至伏级。电路板上调通远程监护平台调理电路, 通过 Protel 软件将信号调理电路进行了 PCB 板的绘制, 制作 PCB 板进行了元器件的焊接组合, 使之成为了一个整体的心电采集系统。利用得到的 PCB 板进行心电采集实验, 实验在非屏蔽室中进行, 采集电极使用不带屏蔽线的镀金盘状电极
14、, 皮肤接触面涂抹生理盐水, ECG 信号采集时将两个差分输入电极置于受试者胸前左右两侧, 共模抑制电极连接到左耳垂, 通过滤波器观察信号发现设计电路完全可以实现对人体心电波形实时采集与放大功能。供电模块与信号调理电路如图 2 所示。2.1.2 电平抬升电路与 A/D 采集模块系统通过 TLC072 芯片组成的加法电路, 实现了对采集的心电信号进行电平抬升, 以便于在 PC 端可以无失真的 A/D 采集。在 A/D 采集模块中使用了 DFRobot 的Arduino 开发板, 此 A/D 模块的采样精度为 10 bit, 基准电压为 5 V, 最高采样率可达 5 kbit/s, 系统采样率设置
15、为 100 Hz, 经过实验验证, 此开发板可以进行心电数据的有效采集。电平抬升与 A/D 采集电路如图 3 所示。图 2 供电模块与信号调理电路 下载原图图 3 电平抬升与 A/D 采集电路 下载原图2.2 手机移动端硬件部分2.2.1 供电模块与 BMD101 心电模块手机移动端心电采集系统中, 供电系统采用单电源供电, 实验中采用三节+1.5 V 电池串接设计了一个+4.5 V 电源模块, 实现了供电功能。手机移动端心电采集部分采用了 Neuro Sky (神念科技) 的片上处理设备BMD101 芯片。此芯片功耗仅为 0.8 m A, 大小仅为 3 mm3 mm, 可以很稳定地采集人体心
16、电信号, 具有极低的系统噪声与可控增益, 并使用 16 bit 高精度ADC 模数转换器进行信号的模数转换10。通过手机监测客户端观察, BMD101心电模块可以准确采集人体心电数据。2.2.2 蓝牙 2.0 模块蓝牙模块是系统无线传输信号的核心, 承载着数据通信的重任, 系统所采用的HM-06 蓝牙模块的主控 IC 为 CSR Blue Core 的 BC417143 芯片, 通信协议为蓝牙 V2.1+EDR 版本。该协议的理论传输速度高达 3 Mb/s, 实际传输效率在 2.1 Mbit/s 左右。模块供电电压在 3.3 V4.5 V。该模块采用全贴片最小封装形式, 核心模块尺寸大小仅为为:27 mm13 mm2 mm, 通信距离约在 8 m10 m 左右。蓝牙模块与手机进行配对将 A/D 转换后的心电数据传入手机客户端9, 从而实现移动预警端与 Android 智能手机之间的无线数据传输功能。3
