[讨论] 兼具HOLTER功能的数字式心电遥测监护系统的研制

兼具HOLTER功能的数字式心电遥测监护系统的研制  

1　引言

　　心血管疾病是当今发病率与死亡率最高的疾病之一，其发病具有很大的偶然性与突发性，一些异常的心电信息只有在某些特殊的情况下才出现，因此有必要对ECG进行长时间记录与分析。心电监护作为一种对心血管疾病进行动态监测与诊断的有效手段，在临床与家庭健康护理中得到了广泛的应用。遥测心电监护由于给病人带来行动上的便利而成为监护病房与家庭健康护理中的首选方案。传统的模拟式心电遥测系统虽体积小，功耗低，但其抗干扰能力差、基漂大的缺点对疾病的诊断产生许多不利的影响，为此，我们研制了数字式心电遥测监护系统，它采用频移键控、二次调制解调技术，应用带锁相环的高频发射接收电路，保证了数据无线通讯的可靠性与抗干扰性。其发射机电路由单片机总体控制，不仅可对来自仪表放大器的ECG信号进行滤波、去基漂及数据压缩处理，还可将数据存放于大容量快闪存储器内，使之具有HOLTER功能，从而扩大了发射机的应用范围。接收部分做成PC机扩展槽的插接件，配上ECG监护软件就成为一套完整的家用动态心电监护仪，它不仅可实现ECG波形实时显示和分析诊断，还可通过网络或电话系统将异常心电信号送到医院中心监护站供医生诊断处理。

2　发射机电路结构及功能的设计与实现

　　发射机电路按其功能可分为：心电放大、滤波及电平调整电路，模数转换电路，单片机及外围控制与储存电路，频移键控及调频发射电路，电源变换电路。考虑到发射机的便携性与低功耗的要求，电路所用器件均有别于常用器件。
2.1　心电放大、滤波及模数转换电路的设计
　　常规心电前置放大电路采用由三运放构成的同相并联差动放大电路以获得高输入阻抗与共模抑制比，我们采用了具有此结构的集成型低压低功耗仪表放大器INA118，其内部各运放、电阻的严格匹配与校准使其具有极高的工作性能，最大偏置电流5nA,共模抑制比大于100dB，放大倍数1～1000可调，电源电压范围宽，从±1.35V到±18V，静态工作电流最大为380μA，非常适用于电池供电系统，其输入端还具有高达±40V的过电压保护功能。由INA118获取的信号经隔直电路进入下一级由MAX494构成的放大器，MAX494是一种低压微功耗的运算放大器，其电源电压可从2.7V到6V或±1.35V到±3V，静态电流仅为150μΑ，由它构成了二级放大与电平调整电路可获得0～5V范围的ECG信号，再通过50Hz双T陷波及二阶低通滤波后，就可将此信号送入A/D转换器进行模数转换。从电源、功耗、体积的要求出发，我们选用MAX187A/D转换器，其转换位数为12位，串行数据输出，采样率为75KHz，供电电压为5V，工作电流为1.5mA，片内自带采样保持器和4.096V的参考电压，8-DIP的封装形式及三线串行接口为使用带来了方便。根据三线接口SCLK，CS及Dout的操作时序，我们分别用单片机的三个I/O口来完成CS片选、SCLK串行时钟的输出及对Dout串行数据的读入。





图1　心电放大、滤波及模数转换电路框图


　　2.2　单片机及外围电路的设计
　　应用89C51单片机节省了外部程序储存器，简化了外围电路。针对快闪存储器地址空间的需求，我们把P1.3～1.6口作为扩展地址总线A16～19。单片机对A/D转换获得的数据进行去基漂、去干扰、压缩编码处理后，可将之送到两个不同的地方；若单纯作为发射机用，可通过串行口TXD送至FSK电路，规定此处的串行通讯协议为：波特率4800bps，8位数据位，1位停止位，1位校验位；若作为HOLTER使用，则送入快闪储存器AM29F016保存。29F016的存储空间为2M×8字节，兼具ROM和RAM的优点，其内嵌算法支持在线快速字节读写、片内或页内擦除等功能。典型地，读出一字节的时间＜200ns，写入一字节的时间＜30μs，可完全满足低采样率A/D转换数据的实时存储的需求。一片29F016可擦写近10万次，再加上其具有掉电数据不丢失、容量大等优点，成为固态数据存储器的理想选择。29F016的读写操作均通过一系列命令序列来启动其片内算法，在写入某个命令系列后，再通过其提供的Data Polling特性来判定内部程序是否完成或完成正确与否［5］。以200Hz采样率计算，即使数据不压缩，一片29F016也能储存3个小时的心电数据。若采用Hoffman编码算法，可获得约3：1的数据压缩率，一次则可记录近10个小时的心电数据，能基本满足一般心电数据的记录要求。

　　2.3　调制发射方法
　　由单片机串口送出的串行数据首先送入FSK频移键控电路进行第一次调制。频移键控电路是由集成锁相环电路4046完成的，它通过串行数字信号对模拟开关的控制来改变接入4046的外围振荡电路的电阻值，从而得到对应高低电平的两种振荡频率的FSK信号［6］，再通过ACMTX16完成调频发射。ACMTX16是一专为数据传输、无线寻呼等设计的大规模集成单片发射芯片，内部采用PLL合成技术，只需外接低频晶体即可获得稳定自锁的高频信号。其功耗极低，并具有节电模式，典型工作电流为2.5mA，发射功率可调，加之SMD14的小型封装，完全符合设计要求。

　　2.4　电源变换电路的设计
　　发射机采用1节5号电池供电，由MAX777 DC/DC变换器将1.5V或3V的电压提升到5V。MAX777为8-DIP封装，电压输入范围为1～6V，最大输出电流为240mA，效率为82%。为提供运算放大器正负电源，利用此5V电源产生一个2.5V的浮地，具体电路如图2所示。





图2　电源变换电路


3　遥测接收板的电路设计与实现

　　计算机的普及应用促使我们将遥测接收部分做成计算机扩展槽插接件式，接收板内含解调电路、串并转换电路和总线接口电路，如图3所示。





图3　遥测接收板电路框图


　　由外置天线接收到的高频调制信号首先被送入ACMTR18进行解调。ACMTR18是与ACMTX16相对应的单片接收芯片，其内含VCO、PLL电路，接收灵敏度＞105dBm，在无线数传应用时可接收大于50kbps的串行数据。解调信号再送入4046锁相环进行FSK解调得到标准串行数据。串并转换由8250可编程通信接口电路实现［6］。按确定的通信协议对8250进行编程后，8250就可以在外晶振时钟的驱动下实时检测RXD电平信号，当发现RXD线上出现低电平时就开启内部计数器，开始进行起始位的确认、串行数据的接收等工作。转换结束后发出RDY信号，使计算机产生IRQ2中断，CPU执行中断服务程序读取此数据。8250与总线间通过总线驱动器LS245来隔离驱动。逻辑门电路向8250提供了片选信号CS。
　　计算机对接收板的控制及数据处理、图形显示、通讯等功能由自编软件实现，其流程如图4所示。





图4　软件流程图


4　结果

　　本数字式心电遥测监护系统已在清华大学医院进行了为期一个多月的临床应用，并同医院现有的模拟式心电遥测系统进行对照实验。实验表明，本数字式心电遥测监护系统已完全达到模拟式遥测系统的性能指标，如室内遥测有效距离大于30米，接收的心电信号无失真，连续工作时间大于24小时等。此外，本系统还具有模拟式心电遥测系统所不具有的一些特性：
　　1)接收的心电信号稳定度高，不会因病人活动产生基线漂移。
　　2)各高频干扰信号对ECG信号无影响。
　　3)接收电路自动对ECG串行数据进行校验，当接收到的心电信号有误码时，系统自动提示并加以标记，当误码率超限时系统停止接收心电信号，直至其恢复正常。
　　4)软件可对心电信号进行实时分析处理，当发现异常的心电信号后会将之自动拨号上网传送至医院监护中心。医生的诊断结果或医嘱可实时反馈回用户。
　　5)当发射机用作HOLTER功能时，它可连续记录3个小时的原始心电数据，所得数据可通过接收板送入计算机进行ECG波形显示、心电数据分析。
　　由于发射机电路结构较复杂，应用芯片较多，其耗电量比模拟式心电发射机要大，若发射机使用两节5号充电电池，可连续工作24小时，而模拟式心电发射机用一节9V层叠电池可连续工作一周左右。发射机功耗的降低可望通过电路的进一步优化配置来实现。

5　结论

　　临床使用表明，此数字式心电遥测监护系统性能优于同类模拟式遥测系统，是一种替代型心电遥测与监护装置。本系统已通过了医生及有关专家的检验并获取了国家实用新型专利。