数字式遥测心电监护系统的设计和实现

中文摘要:

   提出的遥测心电监护系统采用蓝牙无线技术监测病人的心电等生理参数,克服了使用传统的有线系统及病人不能自由活动的缺点。系统的发射机主要由蓝牙模块ROK101007和带有8通道12位A/D转换器的微控制器aduc812组成,aduc812主要进行心电数据的采集和控制,两者之间通过UART接口进行指令和数据的传输。接收机通过USB接口与PC机或者笔记本电脑实现高速数据通信而不需要外加工作电源。试验表明,该系统能有效地无线传输心电数据。

英文摘要：

  The primary aim of this system is to monitor the health of the patient using Bluetooth wireless technology with respect to specific parameters such as heart and the ECG. This overcomes one of the drawbacks of the current system , which is not suitable for an ambulatory patient since the patient is wired into the system. Its telemetry transmitter is im2 plemented using a ROK101007 Bluetooth module and an ADuC812 micro2controller. The ADuC812 provides an 82chan2 nel 122bit resolution A/ D converter. It primarily realizes ECGparameter collect and control . Communication between the Bluetooth module and the micro2controller is carried out via UART interface. Its receiver can realize high2speed data communicating with the PC and the notebook computer through USB port without extra operation power supply. In the test , this telemetry ECGmonitor can be used for ECG data effectual transmission.

心电监护作为一种对心血管疾病进行动态检测与诊断的有效手段,在临床上得到了广泛的应用。对于 某些重症病人或者手术中、手术后的病人进行心电监护也是必不可少的。传统的心电监护系统采用导线连 接,卧床监护,给病人带来很大的不便,已经越来越不能适应当今多元化、信息化和个性化的医疗监护需求。 医疗监护产品的总体发展趋势是模块化、多参数监护、便携式、使用方便、实时信号处理和网络化。 蓝牙(Bluetooth) 是一种短距离无线通信技术,工作频带为全球统一开放的2. 4 GHz 工业、科学和医学 ( ISM) 频段,采用GFSK跳频和时分双工(TDD) 技术,通信距离为10～100 m 左右。蓝牙技术具有低成本、低 功耗、高速率、抗干扰和接口灵活、方便等特点,近年来发展迅速,给医疗监护产品的升级换代提供了技术支 持。目前,正在应用的其他短距离无线通信技术主要还有红外通信技术、IEEE802. 11 无线局域网技术和 HomeRF 家用无线局域网技术等。红外通信技术是通过红外光传输数据,易受遮挡,收发装置的光路夹角一 般在30°左右,通常的通信距离为1～3 m ,其移动性不如蓝牙技术。蓝牙技术与IEEE802. 11 无线局域网技 图1 　蓝牙模块ROK101007 的内部结构简图 术、HomeRF 家用无线局域网技术相比具有体积、功耗和成本 上的优势。 本文提出的遥测心电监护系统采用蓝牙技术进行心电 信号的无线传输,给病人带来了行动上的便利,也给家庭监 护、远程医疗等创造了条件。
1 　心电监护系统的硬件设计
    
1. 1 　主要器件的原理和选择
     爱立信(Ericsson) 公司的ROK101007 将蓝牙射频单元和 蓝牙基带控制器及一些外围器件封装到一块芯片中,是一种 短距离、低成本的射频/ 基带蓝牙模块,其内部结构如图1 所 示。该模块符合蓝牙规范1. 1 ,支持点对点和点对多点通信, 支持的接口包括UART , I2C ,PCM 和USB , 微控制器采用美国AD 公司的ADuC812 ,该芯片内包含了自校准的8 通道12 位ADC ,两路12 位DAC 以 及与8051 兼容的MCU ,单电源3 V 或5 V 工作。它有正常、空闲和掉电工作模式,可提供适合于低功耗应用 的灵活的电源管理方案。芯片本身带有8 KB 闪存程序存储器、640 B 的闪存数据存储器和256 B 的数据 RAM[2 ] 。
1. 2 　硬件电路的设计
     遥测心电监护系统的组成如图2 所示,分为心电信号采集、发射(图2a) 和心电信号接收、处理(图2b) 两 部分。心电信号采集、发射部分的硬件电路主要包括心 电信号的放大、滤波等预处理电路,微控制器ADuC812 与蓝牙模块ROK101007 的接口电路,微控制器与外接 RAM (容量为2KB 的SRAM) 的接口电路,电源模块等。 其中的心电信号放大、滤波等预处理电路等已有成熟的 技术,新的电路文献[3 ]已介绍,本文不再论述。硬件接 口电路如图3 所示。
2 　软件设计
    
2. 1 　数据采集程序设计
     为了处理不同信号的实际需要,ADuC812 片内的ADC 模块的各项功能可方便地通过特殊功能寄存器 (SFR) 的控制命令来设置。其中的ADC 模块有3 种工作模式,即单次转换、连续转换和DMA 模式。DMA 模 式的转换时间为5μs。由于心电信号的整体频谱范围为0～40 Hz ( ±7 Hz) [4 ] ,最高频率为100 ～125 Hz 左 右,采样频率设计为400 Hz ,可利用ADuC812 的片内定时器和ADC 模块的单次转换功能来实现定时采样的 目的。
2. 2 　蓝牙通信程序设计
     蓝牙主机控制器接口(HCI) 是主机(控制蓝牙模块的单片机、DSP 、PC 机等) 与蓝牙模块间的软硬件接 口。当主机和蓝牙模块通信时,HCI 层以上协议在主机上运行,而HCI 层以下的协议由蓝牙模块内部嵌入式 的微处理器(主机控制器) 硬件来完成。它们通过HCI 传输层进行通信。主机和主机控制器之间通过HCI 收 发“封包”(Packet) 的方式进行信息交换。
3 　结束语
     调试结果表明,本监护系统能有效地无线传输心电数据。由于本系统有8 个输入通道,除了监测心电信 号外,还可以同步监测血压、脑电和睡眠呼吸等生理参数;也可以作为便携式动态心电图(Holter) 使用。由于 没有导线连接,在检测病人或运动员在运动状态下的各种生理参数的变化时非常方便。如果采用Ericsson 公司的蓝牙模块ROK104001 ,通过外接射频功率放大模块,可使通信距离达到100 m。 　
蓝牙模块ROK101007于aduc812单片机的电路图