基于遠端平臺的便攜式心電診斷系統(tǒng)設(shè)計*

曹偉華，劉雄飛，羅運華，郭 爽

（中南大學 物理科學與技術(shù)學院，湖南 長沙 410083）

基于遠端平臺的便攜式心電診斷系統(tǒng)設(shè)計*

曹偉華，劉雄飛，羅運華，郭 爽

（中南大學 物理科學與技術(shù)學院，湖南 長沙 410083）

提出一種基于遠端平臺的心電診斷系統(tǒng)，設(shè)計了前端采集電路、用戶端主控模塊、GPRS無線發(fā)送模塊、心電信號接收和處理模塊。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠完全實現(xiàn)心電信號的采集、無線傳輸及遠端后處理，具有成本低、使用方便、實時監(jiān)測等特點。

遠端；便攜式；無線；心電診斷系統(tǒng)

遠程醫(yī)療是網(wǎng)絡(luò)科技與醫(yī)療技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著世界科技的發(fā)展和經(jīng)濟的進步，遠程醫(yī)療的發(fā)展已經(jīng)是一種勢不可擋的趨勢[1-2]。傳統(tǒng)的醫(yī)院心電檢測設(shè)備由于采集數(shù)據(jù)多（12導聯(lián)）、精度高，所以設(shè)備昂貴，且對醫(yī)護人員的專業(yè)技術(shù)水平要求高；而國內(nèi)的便攜式心電設(shè)備通常為單機診斷、智能化低，對新檢測方法的更新十分不方便，無法對新癥狀通過簡單的更新數(shù)據(jù)庫來達到檢測診斷的目的[3]。為了使用戶能夠不受時間、地點等因素限制而享受實時心電診斷服務(wù)，本文提出了一種基于遠端診斷平臺的心電診斷系統(tǒng)，由此來實現(xiàn)便攜易用、實時監(jiān)測以及降低診斷成本等功能。

1 遠端診斷模式的實現(xiàn)

將專業(yè)性的操作隔離開留給遠程服務(wù)終端，從而實現(xiàn)其便攜性與易用性。

在遠端診斷模式中，用戶終端主要實現(xiàn)實時采集心電信號，將數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)，控制GPRS通訊模塊發(fā)送到遠程服務(wù)終端；遠程服務(wù)終端主要承擔對數(shù)據(jù)的分析、處理，甚至可以與專家在線分析和實時診斷，最后將診斷結(jié)果返回用戶終端。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

便攜式心電診斷系統(tǒng)主要由前端采集電路、用戶端主控模塊、兩個GPRS終端和遠端服務(wù)器幾部分組成，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 便攜式心電診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

提出遠端診斷模式主要是基于兩個原因：一是便攜性,傳統(tǒng)心電檢測設(shè)備由于其局限性難以實現(xiàn)隨身攜帶，病人需要檢測時只能到特定地點，不僅無法實現(xiàn)實時性，而且增加了醫(yī)療成本；二是易用性，傳統(tǒng)設(shè)備對操作者有一定的專業(yè)要求，往往病人自己難以操作。提出遠端診斷模式,將系統(tǒng)分為用戶終端與遠程服務(wù)終端，用戶只需攜帶用戶終端設(shè)備,而且只需操作用戶終端，

圖1中前端采集電路主要承擔心電信號采集的功能，采集的信號經(jīng)初步的濾波及放大后送入用戶端主控模塊，主控MCU對心電信號數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換和一些基本處理之后存儲在 EEPROM中，等待用戶的命令指示。GPRS終端負責數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。遠端服務(wù)器接收到用戶發(fā)送過來的數(shù)據(jù)之后進行詳盡的處理，得到診斷結(jié)果后將結(jié)果發(fā)送回用戶終端。

2.1 前端采集電路

前端采集電路主要由心電電極、前置差分低通濾波電路、前置差動放大電路、高通濾波電路、主放大電路、右腿驅(qū)動電路、過壓保護電路和電源模塊組成。如圖2所示。

圖2 前端心電信號采集電路結(jié)構(gòu)框圖

將兩個電極置于人體表面上不同的兩點，通過導線與心電圖機相連，就可以描出一種心電圖波形。描記心電圖時的電極安放位置及導線與放大器的聯(lián)接方式稱為心電圖導聯(lián)。設(shè)計中采用的是標準雙極導聯(lián)Ⅰ。它是以兩肢體間的電位差為所獲取的體表心電，電極安放位置以及與放大器的連接為：左上肢（L）接放大器正輸入端，右上肢（R）接放大器負輸人端，同時，右下肢（RF）應直接接浮。在本系統(tǒng)中，右下肢接右腳電極驅(qū)動器的輸出端，間接接地。

在此電路中，設(shè)計了一個用于防止RFI整流誤差的差分低通濾波器電路,如圖3所示。該濾波器除了提供對RFI的抑制,還提供附加的輸入過載保護，因為電阻器R1、R2幫助把儀表放大器的輸入電路與外部信號源隔離。C3跨接電橋輸出端，以便C3有效地與C1和C2的串聯(lián)組合并聯(lián)。C3非常有效地減小了由于不匹配造成的任何 AC-CMR（交流-共模抑制）誤差。

2.2 量表的項目分析結(jié)果 項目分析中，條目A8和條目A13與總分相關(guān)系數(shù)<0.4，CR<3，題項刪除后Cronbach′s α系數(shù)不減反增，共同性值<0.20(此時因素負荷量<0.45)，因而經(jīng)項目分析綜合評鑒后，予以刪除[11]。量表剩余19條目。見表3。

圖3 差分低通濾波器

心電信號采集電路中最重要的部分是放大電路。由于心電信號很微弱，而且采集過程中存在著極化電壓、熱噪聲和儀器產(chǎn)生的噪聲等多種干擾信號[4],對后續(xù)特征波形的檢出與分析有很大的影響。這些干擾大都屬于共模干擾,因此要求前置放大器有足夠高的共模抑制比，同時為了抑制信號的“基線漂移”,還要有足夠小的溫度漂移。設(shè)計中采用 TI公司的INA326放大器，電路如圖4所示。

圖4 基于INA326的放大電路

增益G由引腳5的電阻R2和引腳1和8之間的電阻R1控制：G=2（R2/R1）。由于第一級增益不能過大，這里取 R1=39×2=78 kΩ，R2=180 kΩ。計算得到前置放大器的增益G=4.615。

圖5 主放大電路

2.2 用戶端主控模塊

主控模塊選擇 MSP430F149作為系統(tǒng)的中央控制器，主要完成對放大濾波后的心電信號采樣量化、存儲轉(zhuǎn)發(fā)、LCD顯示及用戶交互等功能。用戶端系統(tǒng)的工作流程如圖6所示。

圖6 用戶端系統(tǒng)工作流程圖

2.3 GPRS無線發(fā)送模塊

GPRS無線收發(fā)模塊采用了集成 TCP/IP協(xié)議的SIM300。SIM300是一個三頻GSM/GPRS模塊，能夠工作在EGSM 900 MHz、DCS 1 800 MHz和PCS 1 900 MHz三種頻率，同時SIM300提供兩種時隙供選擇，并支持 CS-1、CS-2、CS-3、CS-4四種 GPRS編碼方案[5]。

在整體方案中，心電信號數(shù)據(jù)通過主控模塊的初步處理之后打包，通過串口送到GPRS發(fā)送模塊，傳送到GPRS接收端之后交由上位機處理。整個流程如圖7所示。

圖7 GPRS模塊接口電路圖

在設(shè)計SIM300外圍接口電路時，采用MAX809自動控制通信模塊的復位,可以在上電和VBAT下降到3.3 V時產(chǎn)生復位信號。而由于在實際應用中GPRS數(shù)據(jù)傳送是偶發(fā)性事件,所以SIM300模塊的RESET和ON/OFF交由主控制器控制,通過程序來實現(xiàn)模塊的開關(guān)機，達到降低功耗的效果。總體設(shè)計如圖8所示。

2.4 基于小波變換的心電信號消噪

信號經(jīng)過前端采集與主控模塊進行初步處理之后，發(fā)送到服務(wù)器端。服務(wù)器端運行上位機系統(tǒng)，對接收到的用戶數(shù)據(jù)進行后處理，經(jīng)過進一步消噪與匹配之后得到診斷結(jié)果，同時提供專家診斷平臺接口。而后處理中主要是利用小波變換來實現(xiàn)消噪，因此為了更好地實現(xiàn)算法的嵌入,采用了MATLAB的GUI來編寫上位機程序。

心電信號是毫伏級的微弱信號，容易受到噪聲的干擾如工頻干擾、基線漂移干擾和肌電干擾等，部分心電信號因此具有噪聲非均勻分布現(xiàn)象。Ahlstrom等[6]用低通濾波器法進行心電信號消噪，但低通僅濾除了高頻信息，對心電信號消噪的效果不理想，必須經(jīng)過進一步處理才能應用于診斷。本系統(tǒng)采用小波變換對信號進行消噪。

小波變換具有時頻局部化特性，因此，小波變換可在時間軸上準確定位信號的突變點，同時其多分辨率特性又決定了小波變換可在不同尺度上描述信號的局部特征[7]，但對噪聲非均勻分布信號具有局限性。為解決這個問題，本文引入奇異值分解消噪法與小波閾值消噪相結(jié)合，利用矩陣奇異值正交分解和小波閾值消噪特點，以解決非均勻噪聲分布心電信號的消噪問題[8]。

對于噪聲分布不均勻的信號，因為區(qū)域噪聲分布特征不同，規(guī)則的選擇相互矛盾，所以在處理信號時先將非均勻噪聲分布信號經(jīng)過奇異值分解，然后利用小波軟閾值消噪法分別對分解后的正交分量進行消噪，由線性疊加消噪后的分量得出消噪后的心電信號。奇異值小波消噪法步驟如下：

（1）將噪聲非均勻分布心電信號經(jīng)奇異值分解，得到不同正交子空間的疊加：X=S1+S2+…+Sk。

（2）對若干個不同子空間的正交分量 Si（1＜i＜k）采用小波閾值消噪法進行消噪,得到消噪后的分量Si′（1＜i＜k）。

（3）經(jīng)過線性疊加消噪后的正交分量為：X′（1＜i＜k）。其中X′為消噪后心電信號。

其流程圖如圖9所示。

圖9 奇異值小波消噪流程圖

2.4.2 消噪結(jié)果分析

圖10給出了利用奇異值小波消噪法對采集到的心電信號進行降噪后的結(jié)果。

圖10（a）是原始的心電信號，圖 10（b）是去零點漂移后的波形。可以看出，去零點漂移后波形趨于平穩(wěn)。圖10（c）是經(jīng)過奇異值小波降噪后得到的信號，對比原始信號可以較清晰地看到 PQRST波的基本特征，波峰和幅值的損失較小。由此可以看出，消噪取得了良好的效果。

本文提出了一種基于遠端診斷平臺的便攜式心電診斷系統(tǒng)，設(shè)計了前端采集部分、主控模塊、GPRS模塊；編寫了服務(wù)器端的上位機軟件并采用基于小波變換的算法對心電信號實現(xiàn)了降噪處理，預留了接口，方便新檢測方法的更新;測試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有簡單易用、診斷成本低、能夠?qū)崟r監(jiān)測等特點。

[1]高嵩,王鐵流,賽景波.遠程家庭心電監(jiān)護終端[J].醫(yī)療電子,2008,20（3）:35-38.

[2]陳軼煒,張永紅,白凈.基于藍牙通訊的便攜式心電監(jiān)護儀的研制[J].北京生物醫(yī)學工程,2008,27（2）.

[3]姜永權(quán),魏月,劉克巖.適合中國國情的遠程家庭醫(yī)療系統(tǒng)研究[J].中國醫(yī)療器械雜志,2001,25（6）:81-83.

[4]朱大緩,郭育華,汪公社.便攜式心電檢測放大電路設(shè)計[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2008,29（5）:21-23.

[5]SIMCOM Company,SIM300 Hardware Interface Description,SIM300_HD_V1.06,2006.

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[7]DONOHO D L.Denoising by soft-threshholding[J].IEEE Trans on Information Theory.1995,8（3）:613-627.

[8]劉雄飛,郭爽,李長庚,等.非均勻噪聲分布心電信號的奇異值小波消噪法[J].中南大學學報:自然科學版, 2009,40（5）:1375-1380.

Design of remote-platform-based portable ECG diagnosis system

CAO Wei Hua,LIU Xiong Fei,LUO Yun Hua,GUO Shuang
（School of Physical Science and Technology,Central South University,Changsha 410083,China）

This paper represents a remote-platform-based ECG diagnosis system,and designs a front-end acquisition circuit, the client control module,GPRS wireless transmission module,ECG receiving and processing module.To test the system,the results show that the system can realize the ECG signal acquisition,wireless transmission and remote post-processing.There are features of low cost,easy to use,real-time monitoring and so on.

remote;portable;wireless;ECG diagnosis system

TP216；TP23

A

0258-7998（2010）09-0093-04

中南大學國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目（LA08038）

2010-04-15）

曹偉華，男，1987年生，主要研究方向：數(shù)字通信方面研究。

劉雄飛，男，1960年生，教授，主要研究方向：數(shù)字信號處理研究。