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隨著科學(xué)的發(fā)展,現(xiàn)代醫(yī)療的重心由原來的治療為主轉(zhuǎn)為預(yù)防和提高身體素質(zhì),而遠(yuǎn)程醫(yī)療、社區(qū)護(hù)理正是解決這一問題的有效辦法。遠(yuǎn)程心電血壓監(jiān)護(hù)擴(kuò)大了心臟疾病監(jiān)護(hù)的應(yīng)用范圍,對(duì)于監(jiān)測(cè)醫(yī)院普通檢查不易發(fā)現(xiàn)的突發(fā)性心臟疾病,有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),并很適合在家庭和社區(qū)醫(yī)院對(duì)老人和行動(dòng)不便的患者進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]。 已有的一些監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)和血壓檢測(cè)系統(tǒng),采用個(gè)人電腦或是工控機(jī)作為波形顯示和數(shù)據(jù)處理的控制器,它們體積大,不易攜帶[2]。一些檢測(cè)系統(tǒng)直接采用單片機(jī)做處理器的監(jiān)護(hù)系統(tǒng),功能較為單一,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量小,使用不是很方便[3]。遠(yuǎn)程通訊技術(shù)、微處理器技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展為醫(yī)療保健技術(shù)提供了新的平臺(tái)。其中掌上電腦以其體小,功能強(qiáng),交互性好的特點(diǎn)得到了越來越多的普及。例如,美國George W ashing2ton大學(xué)研制的基于Paml型掌上電腦的心電記錄儀,可以記錄三導(dǎo)心電數(shù)據(jù),在掌上電腦上實(shí)時(shí)顯示心電圖[4]。Newl an[5]等開發(fā)了使用無線PDA作為心電發(fā)送工具的心電監(jiān)護(hù)儀器。2002年,第三軍醫(yī)大學(xué)研制了與掌上電腦結(jié)合的具有遠(yuǎn)程傳輸能力的新型血壓Holter[6]。使用掌上電腦來監(jiān)測(cè)生理參數(shù)的方法,國外正在逐漸普及,而國內(nèi)此方面的研究剛起步,本文在此方面做了有益的嘗試。 本系統(tǒng)采用掌上電腦為平臺(tái),配以心電采集卡,組成心電血壓采集系統(tǒng)。它有體積小,功能多,操作方便的特點(diǎn),可以方便地在日常使用。這對(duì)擴(kuò)大心電血壓監(jiān)護(hù)手段,拓展心電血壓監(jiān)護(hù)的范圍做了進(jìn)一步的探索。 系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)由前端采集卡和掌上電腦組成。采集卡通過RS232串行口與掌上電腦通訊。掌上電腦通過M odem撥號(hào)上網(wǎng)與遠(yuǎn)程醫(yī)療中心通訊。 普通的心電血壓采集模塊體積大、功耗高,不適合與掌上電腦連接[7,8]。本系統(tǒng)為了提高實(shí)用性,設(shè)計(jì)了心電血壓采集卡,集成了兩路心電信號(hào)的采集和血壓數(shù)據(jù)的采集功能。充分利用掌上電腦其人機(jī)界面友好,連網(wǎng)功能強(qiáng)的特點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)便攜性好,功能多,使用方便。 本系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的樣機(jī),使用的是聯(lián)想公司的天璣5000掌上電腦。該種機(jī)型為掌上電腦的普及類型,具有廣泛的兼容性。聯(lián)想天璣5000掌上電腦采用IntelStrongARM206MHz32位低功耗精簡指令微處理器,具有16M b隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM ),32M b只讀存儲(chǔ)器(ROM ),240×320分辨率12Bit增強(qiáng)色觸摸手寫輸入屏。掌上電腦內(nèi)置揚(yáng)聲器,有CF卡插槽可外接W INWARD56K M odem,并有RS232串行口和手寫輸入筆。如圖1所示,采集卡通過RS232串行口與掌上電腦連接,掌上電腦可以通過調(diào)制解調(diào)器撥號(hào)上網(wǎng)與在互聯(lián)網(wǎng)上的遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)中心通訊。  
心電血壓采集部分 系統(tǒng)將心電接收、血壓接收、心電血壓發(fā)送3部分集成于一塊采集卡(圖2)。采集卡集成了兩路心電放大電路。每一路心電放大電路包括信號(hào)放大、整形、濾波電路,并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入到單片機(jī),由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)中的血壓測(cè)量采用日本松下電工的EW274腕式血壓計(jì),可以方便的測(cè)量使用者血壓和心率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了接口電路可以將血壓計(jì)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到采集卡單片機(jī)中。采集卡中用單片機(jī)控制心電信號(hào)和血壓數(shù)據(jù)采集,處理后經(jīng)RS232串行口向掌上電腦發(fā)送。我們?yōu)椴杉ㄔO(shè)計(jì)了電源管理系統(tǒng),采用鋰電池為采集卡供電,并配有鋰電池充電電路。心電信號(hào)采集電路研究證明,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)心電圖及臨床觀察來選擇最佳監(jiān)測(cè)導(dǎo)聯(lián),對(duì)動(dòng)態(tài)心電圖報(bào)告的可信性十分重要。監(jiān)護(hù)儀現(xiàn)多采用雙極胸導(dǎo)或三極胸導(dǎo)。多導(dǎo)聯(lián)的選擇可以幫助更好檢測(cè)不同的心臟疾病。例如, M V5和M V6導(dǎo)聯(lián)對(duì)分析P波、QRS波和S2T波、T波的異常波形很有利。M V1導(dǎo)聯(lián)主要用于很少涉及到S2T段、T波改變的心臟節(jié)律的分析。本系統(tǒng)采用了雙導(dǎo)的采集心電數(shù)據(jù),可以反映心臟額面和橫面上的心電變化,從而可以更好的反映使用者心電的活動(dòng)情況,對(duì)心肌梗死和早搏進(jìn)行更為準(zhǔn)確的定位診斷[7]。 
針對(duì)心電信號(hào)的特點(diǎn),經(jīng)過試驗(yàn)比較,我們采用的前置放大電路,針對(duì)常用的前置放大電路[8] 進(jìn)行了改進(jìn)。主要是將高通濾波部分提前,以更有效地去除電極產(chǎn)生的直流極化電壓,使第一級(jí)放大電路的增益得以提高,從而提高了整個(gè)前置放大電路的共模抑制比。前置放大器采用INA128精密的儀表放大器。針對(duì)在不同電磁場環(huán)境下50Hz干擾有時(shí)會(huì)比較嚴(yán)重的情況,在電路中采用50Hz陷波器,對(duì)干擾噪聲有很好的濾除作用。系統(tǒng)用數(shù)字電位器MAX5460控制心電信號(hào)放大系數(shù),使不同幅值的心電信號(hào)可以放大到相似的水平,可以充分利用12BitA /D轉(zhuǎn)換器的精度。低通抗混疊濾波器可將高頻干擾濾除,以便于心電信號(hào)的A /D轉(zhuǎn)換后對(duì)心電信號(hào)的分析。M SP430單片機(jī)的A /D轉(zhuǎn)換器,可達(dá)12Bit精度,完全滿足心電數(shù)據(jù)采集的需要,無需外接A /D轉(zhuǎn)換芯片(圖3)。這些改進(jìn)都改善了心電信號(hào)采集電路的性能,簡化了電路,減小了系統(tǒng)的體積。 血壓數(shù)據(jù)讀取電路本系統(tǒng)中的血壓測(cè)量采用日本松下電工的EW274腕式血壓計(jì),它使用2節(jié)5號(hào)電池供電,當(dāng)用戶觸發(fā)按鈕后,血壓計(jì)將自動(dòng)充氣至一固定袖帶氣壓,而后漸放氣,并在此過程中檢測(cè)出被試者的收縮壓、舒張壓和心率。記錄結(jié)果可存于血壓計(jì)內(nèi),并同時(shí)記錄下測(cè)量的日期和時(shí)間。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了接口電路,用ml393電壓比較器將血壓計(jì)電平轉(zhuǎn)換到TTL電平,可以從腕式血壓計(jì)內(nèi)快速采集數(shù)據(jù),其原理可參見張鵬鵬等人為血壓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的松下腕式血壓計(jì)的。 電池供電部分考慮到掌上電腦耗電量較大,所以心電采集裝置不再以掌上電腦串口作為電源,而是設(shè)計(jì)鋰電池電壓轉(zhuǎn)換和充電電路。本系統(tǒng)采用的鋰電池體積小,容量較大(200mA時(shí)),可提供3.6V電壓,完全可以滿足需要。電路采用MAX1675作為直流電壓轉(zhuǎn)換芯片,產(chǎn)生+3.3V電壓,用MAX828直流轉(zhuǎn)換電荷泵產(chǎn)生23.3V電壓,供采集卡電路使用。系統(tǒng)采用MAX1879組成鋰電池充電電路,可以保證使用者隨時(shí)為心電采集卡充電,方便易用。整個(gè)電路工作時(shí)耗電量為25mA,采用鋰電池供電后,可以連續(xù)工作8h。 經(jīng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn),采集卡可滿足體積小巧(85mm×50mm×22mm )和長時(shí)間工作的要求。 采集電路的控制部分 本系統(tǒng)采用掌上電腦觸摸屏上顯示用戶界面,用戶在掌上電腦觸摸屏上點(diǎn)擊按鍵,控制心電數(shù)據(jù)采集和血壓數(shù)據(jù)采集。為配合掌上電腦控制,采集卡用M SP430單片機(jī)作為控制芯片,采用嵌入式C語言編寫了控制程序,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和傳送。 單片機(jī)工作原理采集卡使用的M SP430F149單片機(jī)是TI公司最近推出的超低功耗微控制器。它采用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)與RISC精簡指令集相結(jié)合,內(nèi)置60kb Flash程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,2kb RAM,可利用JTAG接口在線編程調(diào)試。它還集成了部分外部模塊,包括2個(gè)定時(shí)器、2個(gè)UART/SPI可選串行接口、1個(gè)12位精度A /D轉(zhuǎn)換模塊和1個(gè)看門狗模塊。它內(nèi)置了高頻率的DCO振蕩器,可以在外接32.768kHz低頻鐘表晶振的情況下保持高達(dá)5MHz的處理速度(圖4)。 
本系統(tǒng)中采用外接低頻時(shí)鐘源和內(nèi)部定時(shí)器A配置,可以很方便地實(shí)現(xiàn)200Hz的A /D采樣速度,同時(shí)降低了功耗。M SP430F149單片機(jī)有6×8個(gè)通用I/O口(P1~P6),本系統(tǒng)通過用軟件模擬接口時(shí)序,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字電位器的控制,可以實(shí)調(diào)整心電放大倍數(shù)。單片機(jī)集成兩路UART/SPI可選串行接口。本系統(tǒng)中采用單片機(jī)的異步通信方式,用異步串行口1(UART1)實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與掌上電腦的全雙工串行通信[10]。心電采集程序M SP430單片機(jī)內(nèi)置12Bit精度的A /D轉(zhuǎn)換模塊ADC12,它有高速、通用的特點(diǎn)。ADC12的采樣時(shí)序可以通過軟件來控制。
本系統(tǒng)中采用M SP430的定時(shí)器A作為時(shí)鐘信號(hào)源,用定時(shí)器中斷設(shè)置200Hz采樣率。每當(dāng)定時(shí)器A的中斷到達(dá)時(shí),從采集電路讀取心電數(shù)據(jù),進(jìn)行A /D轉(zhuǎn)換,并讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。 M SP430的A /D轉(zhuǎn)換有多種工作方式。本系統(tǒng)使用M SP430A /D轉(zhuǎn)換的通道1和通道2采集心電模擬信號(hào)。在心電單導(dǎo)聯(lián)監(jiān)護(hù)時(shí),采用單通道重復(fù)轉(zhuǎn)換工作方式,連續(xù)讀取一路數(shù)據(jù)。在心電雙導(dǎo)聯(lián)監(jiān)護(hù)時(shí),采用序列通道重復(fù)轉(zhuǎn)換方式,循環(huán)讀取兩路數(shù)據(jù)。   
單片機(jī)電源管理M SP430單片機(jī)為滿足低功耗的要求的進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)。它可選擇低頻時(shí)鐘源、高頻鐘源和數(shù)控振蕩3個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器,分別作為時(shí)鐘源產(chǎn)生主時(shí)鐘、輔助時(shí)鐘和子時(shí)鐘3個(gè)不同頻率的時(shí)鐘信號(hào),分別為高速信號(hào)處理或低功耗需求提供相應(yīng)工作方式。實(shí)際使用時(shí),M SP430設(shè)有多種工作模式,可以通過禁止M SP430CPU和關(guān)閉、切換工作模塊的時(shí)鐘,進(jìn)入低功耗模式。而M SP430單片機(jī)獨(dú)特的中斷喚醒設(shè)計(jì),可以在有外部事件觸發(fā)時(shí)將CPU從各種低功耗模式中喚醒,并選擇單片機(jī)正常工作的時(shí)鐘,使單片機(jī)進(jìn)入正?；顒?dòng)模式。我們充分利用了M SP430單片機(jī)的上述特性進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在心電血壓監(jiān)護(hù)儀記錄過程中,絕大部分時(shí)間使單片機(jī)處于空閑等待狀態(tài),讓CPU處于休眠低功耗狀態(tài)。開始測(cè)量時(shí)利用串行通訊中斷喚醒CPU,再選擇正常工作時(shí)鐘,啟動(dòng)各功能模塊進(jìn)行監(jiān)護(hù)。采集卡接口采集卡使用RS232串口與掌上電腦通訊,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸并接收相應(yīng)的控制命令。本系統(tǒng)使用M SP430單片機(jī)的異步串行通訊口進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收,并采用了MAX2IM3221芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,將單片機(jī)邏輯電平轉(zhuǎn)換為RS232電平。異步串行通訊口采用9 600bts的速度,達(dá)到了實(shí)時(shí)顯示和處理數(shù)據(jù)的目標(biāo)。 心電血壓數(shù)據(jù)的顯示和傳輸 掌上電腦通過RS232串行口接收心電血壓數(shù)據(jù),顯示心電波形,血壓數(shù)據(jù),并用液晶屏與用戶交互,通過RS232串行口向單片機(jī)發(fā)出指令,與單片機(jī)配合,控制采集電路的工作,并通過M o2dem撥號(hào)上網(wǎng)發(fā)送心電血壓數(shù)據(jù)。掌上電腦序在PocketPC中文操作系統(tǒng)上采用微軟的M icrosoft Embedded Visual Tools工具開發(fā)[11]。 心電血壓數(shù)據(jù)顯示掌上電腦通過串口接收采集卡傳送的數(shù)據(jù),在屏幕上繪出相應(yīng)的心電波形。接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到文件,每個(gè)心電文件的文件名和文件內(nèi)部都存有相應(yīng)的時(shí)間信息。本系統(tǒng)采集每一路心電信號(hào)的同時(shí)也記錄放大倍數(shù),在顯示心電波形的同時(shí)顯示心電的電壓幅度,方便了使用者觀察,也為心電分析提供了重要的參考依據(jù)。掌上電腦通過串口接收采集卡傳送的血壓數(shù)據(jù),可以用柱狀圖的形式顯示收縮壓、舒張壓數(shù)據(jù),同時(shí)顯示心率和記錄時(shí)間。 心電數(shù)據(jù)分析掌上電腦在顯示心電波形的同時(shí)分析異常心電信號(hào),并在出現(xiàn)異常心電時(shí)報(bào)警。單導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是心電分析技術(shù)的基礎(chǔ),本論文的工作就采用了單導(dǎo)聯(lián)進(jìn)行心電信號(hào)分析。胡鵬等人利用連續(xù)小波變換及其在不同尺度上的變化規(guī)律對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行分析,可以對(duì)常見的6種心律失常,進(jìn)行自動(dòng)判別。通過采用M IT心電數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試,QRS波的正確檢出率在99%以上,而室性期前收縮、房性期前收縮的正確檢出率在90%以上[12,13]。本論文中就采用了此種檢測(cè)方法。在移植中充分考慮到了實(shí)時(shí)性的限制,采用定點(diǎn)運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)了心電數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。 
數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通訊本系統(tǒng)中掌上電腦可以通過M odem (調(diào)制解調(diào)器)撥號(hào)上網(wǎng),使用TCP/IP協(xié)議的W insock編程,只要用戶就可以撥號(hào)連接到Internet即可與中心站通訊。在心電血壓發(fā)送完畢后還可以接收中心站的反饋信息。 結(jié)果與討論 本系統(tǒng)利用掌上電腦,結(jié)合生理參數(shù)檢測(cè)技術(shù)、微電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)研制了心電血壓監(jiān)護(hù)系統(tǒng),具有便攜性、智能化的特點(diǎn)和遠(yuǎn)程傳輸能力。較好地解決了遠(yuǎn)程對(duì)心電血壓數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)護(hù)的問題,可以很好的拓展心電血壓監(jiān)護(hù)的范圍。 本系統(tǒng)的參數(shù)如下: 1)前置放大電路共模抑制比達(dá)到了90dB以上。我們用示波器觀察采集志愿者的心電信號(hào),檢測(cè)前置放大電路的效果,完全滿足移動(dòng)監(jiān)護(hù)設(shè)的要求,高于AAM I (association for the ad2vancement ofmedical instrumentation)的規(guī)定(標(biāo)準(zhǔn)心電采集電路共模抑制比的最小要求為89dB,移動(dòng)監(jiān)護(hù)設(shè)備的最小要求為60dB[14])。 2)血壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口,可以準(zhǔn)確讀取腕式血壓表近30次血壓數(shù)據(jù),并可記錄數(shù)據(jù)采集的日期、時(shí)間。 3)本系統(tǒng)移植了胡鵬等人的心電算法軟件[12,13],可以對(duì)心率失常的心電信號(hào)作出實(shí)時(shí)檢測(cè)。 4)由于采用低功耗單片機(jī)和元件,整個(gè)系統(tǒng)十分省電。采集卡的耗電量低于25mA。在采集卡內(nèi)配備了小型鋰電池,可以連續(xù)使用近8h。此系統(tǒng)在清華園社區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行了試用,取得較好的效果。 本系統(tǒng)可以方便地在家庭和社區(qū)使用,為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療、社區(qū)護(hù)理提供了一種有效辦法。隨著掌上電腦的普及和功能的增強(qiáng),它可在生理信號(hào)監(jiān)護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮出更多的作用,本研究結(jié)合心電、血壓監(jiān)測(cè)在這方面作出了一些有益的探索。 摘自：中國計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
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