远程无线心电监护系统的软件设计

摘要 心血管疾病具有突发性和高危险性，为了及时发现病情，需要对患者进行有效监护。文中设计了一套远程心电监护系统软件，通过对MC9S12XS128单片机底层程序的设计，完成了对心电信号数据的采集和GPRS模块的AT指令控制，由此实现心电信号数据的无线传输。操作简单、界面友好的监护系统部分采用了LabVIEW图形化编程环境，对采集到的心电信号进行分析、处理、显示以及存储，操作者可以实时监测被测者的心电情况，便于及时做出诊断，及早治疗，同时设置了自动报警系统。
关键词 心电监护；无线传输；实时监测

    随着人们生活和工作节奏的不断加快，心血管疾病已逐渐成为威胁人类生命安全的主要疾病，发病率明显上升，并呈低龄化趋势发展。通过心电信号发现并及时诊治心血管疾病，是降低发病率和死亡率的有效途径。
    利用当前日趋成熟的电子、通信和计算机技术，设计开发一套操作简单、携带方便、价格适宜的远程心电监护系统具有良好的应用价值。患者可以随时随地对自己的心脏状态进行监护，减轻了奔波劳累和经济开支、节省了时间和社会医疗资源；患者在熟悉的环境中实时监测，提高了心电信号的准确性，从而为病情的发现和诊治赢得了时间；对于行动不便或自理能力较差的用户实施远程监护，遇到病情突变时能够迅速报警，为患者提供及时的救助。

1 系统整体结构
    选择以GPRS通信技术为平台，设计了一套基于飞思卡尔DSC的远程心电信号监护系统。该系统主要包括心电采集、数据传输和远程监护3部分。整体框架如图1所示。

    心电信号采集模块负责对患者的心电信号进行长时间实时采集，同时辅以心电信号调理电路，对采集到的微弱心电信号进行放大、滤波，然后由微控制器控制远程通信模块，将心电信号数据发送到医院中心监测站的远程服务器，医护工作人员操作远程服务器上的心电信号监护软件，对接收到的心电信号数据进行进一步的处理和分析，给出诊断意见，为患者的治疗提供实时的远程指导；对一些突发病情，可以赢得宝贵的抢救时间。

2 系统硬件设计与成果
    系统的硬件部分包括心电信号采集模块和远程通信模块两部分。心电信号采集模块主要包括电极、心电导联系统、前置放大电路及右腿驱动、高低通滤波电路、50 Hz陷波电路、后置放大及电平抬升电路等部分。远程通信模块主要由MC9S12XS128单片机、GPRS模块、SIM卡电路、电源电路组成。设计的远程无线心电监护系统样机，在强烈的噪声中仍能够采集到准确的心电信号，尽可能地减小了失真，如图2所示。

3 系统软件设计与实现
    远程心电监护系统软件包括两部分：监护终端软件和远程服务器监护软件。监护终端软件即为单片机软件，主要是完成心电信号数据的采集控制、A／D转换、发送等功能；远程服务器监护软件则是医院监测中心的计算机软件，主要完成心电信号数据的接收、显示、存储及报警等功能。
3．1 单片机程序
    单片机不仅要完成系统初始化设置，还要完成单片机的工作控制、无线传输控制等。为便于程序的调试、连接和修改，设计时分成3个模块：(1)单片机主程序模块：初始化心电信号监护系统终端的各个模块，控制各个模块的工作状态和工作流程，实现远程心电监护系统的总体功能。(2)心龟信号采集模块：主要完成心电信号数据的采样工作。(3)心电信号数据无线传输模块：完成无线传输芯片SIM300模块的初始
化、传输控制等功能。
3．1．1 单片机主程序模块
    单片机主程序模块的流程图如图3所示。

    系统初始化：单片机系统初始化包括锁相环的初始化、串口初始化、A／D初始化等。(1)锁相环的初始化。(2)串口初始化。单片机有两个SCI模块，可任选其一。SCI的初始化主要包括波特率设置、通信格式的设置、发送接收数据方式的设置等。(3)GPRS初始化。系统初始化结束后可以进行GPRS初始化，GPRS初始化是通过SCI串口向SIM300模块输入AT指令，然后根据串口接收的返回值来完成，具体流程如图4所示。

    其中当“AT＼r＼n”的返回值为“OK”时，则表示成功启动SIM300模块，否则表示启动失败；当“AT+CGATT?＼r＼n”的返回值为“1”时，则说明GPRS打开成功，否则说明打开失败；“AT+CIPSTART=<mode>，<IP address>，<port>＼r＼n”中mode表示通信协议，IPaddress表示远程服务器IP地址，同时要求该地址为公网IP地址，port表示远程服务器开放的端口号，该指令的返回值为“CONNECT OK”时，表示登陆Internet成功，即GPRS的初始化即结束。
3．1．2 心电信号采集模块
    心电信号数据的采集流程如图5所示。其中A／D转换之前应按照要求对转换位数、扫描方式、采样时间、时钟频率及标志检查等方式进行设置，然后通过控制寄存器发出转换命令，即可实现A／D转换。

3．1．3 心电信号数据无线传输模块
    心电信号数据的传输是MC9S12XS128单片机通过SCI串口通信控制SIM300 GPRS模块来完成。通过SCI串口向SIM300模块输入“AT+CIPATS =<MODE>，<TIME>”，以此来设定自动发送的时间，其中MODE可以设置为0或者1，0表示不设定时器，1表示设定时器；定时的长度由TIME设置具体的数值，单位s。接着输入指令“AT+CIPSEND”，等待返回“>”后输入要发送的数据，定时一到自动发送输入的数据。当返回值为“SEN D OK”时，表示发送结束。具体的数据传输流程如图6所示。

3．2 远程服务器监护软件设计
    计算机软件选择LabVIEW设计完成。LabVIEW是由美国NI公司设计的图形化编程软件，专门用于数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达，已广泛应用于航空、航天、通信、电力、汽车、电子半导体、生物医学等领域。
3．2．1 数据显示模块
    心电信号监护系统的前面板如图7所示，数据显示主要包括心电信号波形显示、检测结果显示以及报警显示。

    心电信号波形显示的是从串口接收到的心电信号数据，经过转换后的心电曲线。医院中心监测站的工作人员随时观察、分析患者的心电信号波形，及时给出诊断意见。
    检测结果显示的是心电信号的峰值、谷值、峰峰值、R—R间期、频率、心率。设计时选择函数选板[Express]→[信号分析]子选板上幅值和电平测量、信号的时间和瞬态特性参数两个函数分别测量心电信号的峰值、谷值、峰峰值和R—R间期、频率。
    报警显示部分是对所采集心电信号的心率判断，然后用布尔指示灯显示报警状态。一般正常人心跳次数是60～100次／min，<60称为心动过缓。成人每分钟心率超过100次，称为心率过速。本设计中的判断方法就是设定心率上限为100次／min，下限为60次／min。当采集的心率低于60次／min时，点亮心动过缓的指示灯；当采集的心率高于100次／min时，点亮心动过速的指示灯显示心率异常报警状态，提示医护工作人员进行适当的处理。
3．2．2 数据保存和回放模块
    将采集的心电信号数据一方面在前面板上显示，同时还要求保存，尤其是心电信号波形，医护工作人员以后需要观察和分析时可以随时调用。LabVIEW本身不具备数据库访问功能，程序设计中采用了LabSQL工具包解决LabVIEW房屋内数据库的方法。
    如果将波形文件直接存储在数据库中，就会因为每个波形数据的长度都过大而增加数据库的容量，造成系统运行缓慢。因此考虑将波形文件以文本方式统一保存在“波形”的文件夹中，在数据库中只记录保存的路径及文件名。在需要重新打开波形文件时，先从数据库读取它的保存路径及文件名，然后通过它直接打开波形文件。操作时只需点击前面板上的“保存”按钮，调用相关子程序就可以把心电信号波形保存到“波形”文件夹中。
    通过回放心电信号波形，医生对病人的病情可以深入了解，全面考虑，做出正确诊断，从而能为患者提供更为准确、有效的治疗方法。操作时，医护工作人员只要点击“回放”按扭，在弹出“波形”文件夹中选择相应的波形数据，就可以看到先前保存的波形数据。
3．2．3 远程服务器监护软件的测试
    利用LabVIEW提供的[信号处理]→[信号生成]函数选板上的信号函数作为监护软件测试时的数据源；运行软件，能够将信号波形显示在前面板上，并对相关参数进行了测量和判断，图8为选择了一个周期Sine信号的做的测试结果。

4 结束语
    完成了远程心电信号监护系统的硬件设计，但某些内容的研究不够深入全面，还存在许多不足之处。今后将从以下几个方面继续努力研究：(1)日趋成熟的3G技术将是未来数据传输技术的通讯方式，这样能够大幅度地改善传输速度和精度。(2)远程服务器的监护软件设计上可以更好地借助LabVIEW提供的各种函数，结合心电信号处理算法，对采集到的心电信号数据做更深入的分析处理，优化监护软件的功能，使得远程无线心电监护系统更加人性化、智能化。