CN204121010U - 一种基于无线信号的心电采集与监护系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：包括心电信号采集处理电路，该部分包括依次相连的前置放大电路、多重滤波电路和后极放大电路；心电监护电路，该部分包括依次相连的QRS波提取电路、MCU和液晶显示模块；远程通信电路，包括MCU、存储器、GSM/GPRS基带处理器模块、SIM卡和天线接口电路，MCU与存储器和GSM/GPRS基带处理器模块分别相连接，GSM/GPRS基带处理器模块分别与SIM卡和天线接口电路相连接；上位机，与MCU通过RS232接口相连。本实用新型具有体积小、重量轻、便于携带、整机成本低、可与计算机连接实现远程监控的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及医疗电子类计算机无线监控技术领域，尤其是涉及一种基于无线信号的心电采集与监护系统。
背景技术
由于心血管疾病具有病情隐蔽、发展缓慢、发病危险性高的特点，它对心脏病患者、特别是中老年患者的危险性极大，是威胁人类生命安全的“第一杀手”。在各类监护参数中，心脏的活动是一个至关重要的生理参数，特别是对患有严重心血管病的病人。为了阻止病人的病情恶化，需要对其进行实时监护。人们日常见到的心电监控系统往往是医院里的大型心电监测工作站，这种工作站体积大，价格昂贵，专业性强，且不具备无线传输能力，因此在家庭服务和社区服务方面应用较少。
发明内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于无线信号的心电采集与监护系统，该系统由监护终端(便携式心电监护仪)、无线网络和监护中心站三部分组成。其中无线网络利用现代的通信网络和计算机网络，在监护终端提供接入装置就行；监护中心一般建在医院日的监护中心，心电监护是该中心的一个部分；监护终端是实现无线实时监控的关键，是本文的设计重点。本实用新型具有方便、快捷、实时、交互等特点。在设计过程中采用最新系统单片机C8051F005实现心电监护，并可通过RS232接入计算机实现远程监测，还可通过GSM/GPRS模块实现远程控制和信息存储，使整个设计具有体积小、重量轻、便于携带、整机成本低的特点。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：包括心电信号采集处理电路，该部分包括 依次相连的导联电极、前置放大电路、多重滤波电路和后极放大电路；心电监护电路，该部分包括依次相连的QRS波提取电路、MCU和液晶显示模块；远程通信电路，包括MCU、存储器、GSM/GPRS基带处理器模块、SIM卡和天线接口电路，所述MCU与存储器和GSM/GPRS基带处理器模块分别相连接，所述GSM/GPRS基带处理器模块分别与SIM卡和天线接口电路相连接；上位机，与MCU通过RS232接口相连；所述心电信号采集处理电路、心电监护电路、远程通信电路和上位机均通过MCU相连接并交互信息。
上述的一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：所述导联电极与前置放大电路之间还连接有心电采集信号预处理电路，所述心电采集信号预处理电路由导联线输入缓冲电路、屏蔽线驱动电路和右腿驱动电路组成。
上述的一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：所述后级放大电路后端还设置有抗工频干扰和肌电干扰电路。
上述的一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：所述MCU为C8052F005单片机芯片。
上述的一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：所述GSM/GPRS基带处理器为TC35i模块。
上述的一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：所述前置放大电路选用美国Analog Device公司的低价仪表放大器AD620。
上述的一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：所述多重滤波电路为带通滤波器，采用单运放集成电路OP07构成。
上述的一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：所述带通滤波器设计在0.03～110Hz以滤除心电信号频带以外的信号频率。
与现有技术相比，本实用新型有一下优点：
本实用新型具有方便、快捷、实时、交互等特点。在设计过程中采用最新系统单片机C8051F005实现心电监护，并可通过RS232接入计算机实现远程监测，还可通过GSM/GPRS模块实现远程控制和信息存储，使整个设计具有体积小、重量轻、便于携带、整机成本低的特点。
附图说明
图1本实用新型的整体结构框图；
图2本实用新型的导联输入缓冲电路原理图；
图3本实用新型的屏蔽线驱动电路原理图；
图4本实用新型的右腿驱动电路原理图；
图5本实用新型前置放大电路原理图；
图6本实用新型多重滤波电路原理图；
图7本实用新型后级放大电路原理图；
图8本实用新型电平抬升电路原理图；
图9本实用新型工频陷波电路原理图；
图10本实用新型的抗肌电干扰电路图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本实用新型的具体实施方式：
如图1所示，一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：包括心电信号采集处理电路1，该部分包括依次相连的前置放大电路、多重滤波电路和后级放大电路；心电监护电路2，该部分包括依次相连的QRS波提取电路、MCU和液晶显示模块；远程通信电路3，包括MCU、存储器、GSM/GPRS基带处理器模块、SIM卡和天线接口电路，所述MCU与存储器和GSM/GPRS基带处理器模块分别相连接，所述GSM/GPRS基带处理器模块分别与SIM卡和天线接口电路相连接；上位机4，与MCU通过RS232接口相连；所述心电信号采集处理电路1、心电监护电路2、远程通信电路3和上位机4均通过MCU相连接并交互信息。
本实施例中，所述导联电极与前置放大电路之间还连接有心电采集信号预处理电路，所述心电采集信号预处理电路由导联线输入缓冲电路、屏蔽线驱动电路和右腿驱动电路组成。
如图2所示，导联线输入缓冲器实际上是一个阻抗转换器将人体和电阻网络威尔逊网络隔离使输入阻抗及人体心电信号不受电阻网络的影响。采用 的芯片是OP4177(SOIC封装)。通过缓冲器电路有比较大的输入阻抗，信号比较稳定，电路和人体有了一定的隔离，同时也有一定的抗干扰的能力。
引入屏蔽驱动和右腿驱动，是为提高系统的共模抑制能力，增强系统抑制干扰的能力，使整个系统比较稳定。屏蔽驱动和右腿驱动的信号都取自共模信号。屏蔽线驱动是为了消除来之导联线的工频干扰，右腿驱动电路也是一种抑制工频干扰的有效方法之一，而且用来抑制人体脉冲电压的突变，右腿驱动电路起到一个反馈和抑制的作用。
如图3所示，屏蔽驱动电路由于信号线与电缆屏蔽层之间存在分布电容，而两根导联线的分布电容不可能完全相等，加之电极阻抗不平衡，导致包括输入回路在内的整个放大系统共模抑制比能力下降，所以使导联线的屏蔽层不接地，取出放大电路的共模电压端与屏蔽层连接，从而消除屏蔽层电容的不良干扰。
如图4所示，右腿驱动电路作为抑制工频干扰的有效方法之一，采用右腿电极经电阻与放大器接地端相连，以降低人体的共模电压，即等效为以人体为相加点的共模电压并联负反馈电路。
如图5所示，本实施例中，所述前置放大电路选用美国Analog Device公司的低价仪表放大器AD620。心电前置放大要求具有非常高的输入阻抗和共摸抑制比(CMRR)、低零漂、低失调、低功耗、尤其是低的1/f噪声电压，一般采用同相并联差动三运放仪表放大器，以获得良好的综合性能，本设计选用美国Analog Device公司的低价仪表放大器AD620，这是一款性价比很高的仪用放大器，输入失调电压最大为50uV，输入失调漂移0.16uV每度，共模抑制比120dB(G＝10)，且最大供电电流只有1.13mA，获得了良好的电路效果。
尽管AD620由传统的三运算放大器发展而成。但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计，如电源范围宽(±2.3V-±18V)，设计体积小，功耗非常低(最大供电电流仅1.3mA)，因而适用于低电压、低功耗的应用场合。AD620的2个内部增益电阻为24.7千欧。
由于AD620的供电电压是±5V，允许最大输出电压范围是±3.8V，而心电信号幅值在5mV之内，加上共模直流偏移高达300mV，所以AD620可以设置最大为12.45的增益。
如图6所示，本实施例中，所述多重滤波电路为带通滤波器，采用单运 放集成电路OP07构成。OP07具有高精度、低偏置、低功耗等特点，可灵活组成各类滤波放大电路。心电信号频带主要集中在0.05～100Hz，所以带通滤波设计在0.03～110Hz以滤除心电信号频带以外的信号频率。带通滤波由高通滤波和低通滤波组成，电路采用OP07系列运放芯片，具有低偏执电压，高开环增益，高精度低功耗等特点。
如图7所示，为后级放大电路原理图。考虑到心电信号为0-5mV，而AD转换输入信号要求0-2.5V，因此，整个信号电路的放大倍数需500倍左右，而前置放大约10倍左右，因此本级放大倍数设计为50倍左右，放大倍数G＝1+R21/R20＝51。
如图8所示，信号经过调理以后，从陷波器输出的心脏电信号为交变信号，而ADC转换输入电压范围为0-2.5V因此，在送入ADC之前还需进行电平抬升。
本实施例中，所述后级放大电路后端还设置有抗工频干扰和肌电干扰电路。
如图9所示，为工频抗干扰电路图。工频干扰是心电信号的主要干扰，心电信号中的干扰以交流50Hz干扰最为严重，工频干扰由周围的仪器设备及体内分布电容等引起。虽然前置放大电路和后级放大电路对共模干扰具有较强的抑制作用，但有部分工频干扰是以差模信号方式进入电路的，且频率处于心电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定等因素，前级电路输出的心电信号仍存在较强的工频干扰，所以必须用专门的电路来滤除工频干扰。电路采用双T陷波电路，由高通滤波电路和低通滤波组成。
如图10所示，为抗肌电干扰电路图。肌电干扰是随个体的不同而有不同程度的干扰，其主要集中在35Hz左右，本设计采用无限增益多路反馈型二阶陷波器。
ECG信号经带通滤波、检波电路检波对QRS波处理后便于对病人的心律失常和早搏的判断。心电监护部分采用高性能的系统级MCU芯片和几片优质集成电路实现。心电监护部分采用高性能的系统级MCU芯片和几片优质集成电路实现。电路的设计充分考虑到心电信号及心电监护的特点，做到信号输入、输出各自分区，避免互相干扰。心电输入信号首先经过带通滤波芯片处理，保留1-25Hz信号，从而极大地提高了心电信号的波形显示的稳定性和抗干扰 能力，突出了心电监护的特点。由于心电信号较高频率主要集中在QRS脉冲上的特点，采用微分电路提取QRS脉冲位置信息，并由电压比较器提取微分后的正向尖峰信号，形成脉冲宽度很窄的矩形脉冲，很大程度上提高了心率检测的准确性，电路十分简洁。
对QRS波的辨识、提取有助于对心率异常的判断。心电信号中QRS波幅最大、频率最高(QRS波的持续时间一般为0.06～0.10秒)，包含了心电信号中绝大部分中高频信号，是整个心动周期最主要标志，其它部分信号相对频率低、幅度小。经心电微分及脉冲提取可以形成很窄的矩形脉冲，准确标示QRS位置。而直接对输入波形由软件计算心率时计算较繁，易产生误差。
本实施例中，所述MCU为C8052F005单片机芯片。C8051F系列单片机是Cygnal集成产品公司新推出的高速、高性能多功能的混合信号系统级芯片(SOC)，具有与MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51内核；峰值速度可达25MIPS；在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件(包括PGA、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、I2C、看门狗定时器及电源监视器等)；C8051F单片机与其他8位单片机相比具有更为优异的性能，成为许多测控系统的首选机型，十分适合小型、低功耗便携式医疗电子产品设计。
所述单片机与液晶显示模块连接，通过液晶显示，病人可以查看自己当前状态。液晶显示屏选用图形液晶显示器LCM12864，内藏东芝T6963C控制芯片。内部具有128个字符的ROM字符发生器；其字体有四种：5×8、6×8、7×8、8×8；可对8K Byte的显示RAM内存操作；字符与图形可同时显示；T6963C的占空比可从1/16到1/128。LEM12864显示内容128×64点图形阵式，显示行数列数点大小0.40×0.40mm2，点间距0.05mm；显示类型：STN黄绿模式；LCD背光；工作电压：3～5V，工作电流5.8mA。
所述单片机还与GSM/GPRS基带处理器连接，本实施例中，所述GSM/GPRS基带处理器为TC35i模块。TC35I提供了RS232数据串行接口，采用AT贺氏子令，符合ETSI标准和GSM11.11标准。它主要是由射频天线、内部Flash、GSM基带处理器、匹配电源和一个40脚的Zip插座组成。其中GSM基带处理器是核心部件，它的作用相当于一个协议处理器，处理外部系统通过串口发送过来的AT指令。射频天线部分主要实现信号的调制解调，实现外部射频信号 与内部基带处理器之间的信号转换，在本系统中只用调制部分。匹配电源为处理器以及射频部分提供所需的电源，插座是供给用户的应用接口。该模块具有技术先进、功能完善、接口齐全、性能指标好的特点，完全符合无线传输方案的设计要求，也满足系统硬件的设计原则，是作为心电检测数据无线传输核心硬件的合适选择。
另外，系统的单片机还通过RS232接入计算机实现远程监测，使得对于心电信息的监护不局限于本地端，可以接入局域网或者因特网实现异地远程监护。
本实用新型不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：包括心电信号采集处理电路(1)，该部分包括依次相连的导联电极、前置放大电路、多重滤波电路和后级放大电路；心电监护电路(2)，该部分包括依次相连的QRS波提取电路、MCU和液晶显示模块；远程通信电路(3)，包括MCU、存储器、GSM/GPRS基带处理器模块、SIM卡和天线接口电路，所述MCU与存储器和GSM/GPRS基带处理器模块分别相连接，所述GSM/GPRS基带处理器模块分别与SIM卡和天线接口电路相连接；上位机(4)，与MCU通过RS232接口相连；所述心电信号采集处理电路(1)、心电监护电路(2)、远程通信电路(3)和上位机(4)均通过MCU相连接并交互信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：所述导联电极与前置放大电路之间还连接有心电采集信号预处理电路，所述心电采集信号预处理电路由导联线输入缓冲电路、屏蔽线驱动电路和右腿驱动电路组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：所述后级放大电路后端还设置有抗工频干扰和肌电干扰电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：所述MCU为C8052F005单片机芯片。
5.根据权利要求1所述的一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：所述GSM/GPRS基带处理器为TC35i模块。
6.根据权利要求1所述的一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：所述前置放大电路选用美国Analog Device公司的低价仪表放大器AD620。
7.根据权利要求1所述的一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：所述多重滤波电路为带通滤波器，采用单运放集成电路OP07构成。
8.根据权利要求7所述的一种基于无线信号的心电采集与监护系统，其特征在于：所述带通滤波器设计在0.03～110Hz以滤除心电信号频带以外的信号频率。
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