远程心电医疗信号监测系统设计

1 引言

HHCE(Home Health Care Engineering)这门学科正随着人类对健康的重视和远程医疗的发展而逐渐走进人们的生活，它提倡的是一种“在家就医，自我保健，远程诊断”的理念，把高科技与医疗结合起来。HHCE的出现符合21世纪社会老龄化、医疗费用日益高涨以及人们生活健康质量高要求的趋势，同时可实现医疗资源共享，提高边远地区的医疗水平，因此具有特别旺盛的生命力。

HHCE系统提供一种对于家庭、社区医疗、出诊医生有效便捷的医疗监测解决方案，具有心电信号监测功能的监测器是HHCE系统的重要组成部分。就国内而言，该类产品的研究也属于刚起步阶段，远程网络也只是简单的完成数据库医疗数据的存储和传输，还没有真正完成将网络与医疗器械相结合。在国际方面，世界各国在此的研究均投入大量资金，但依然主要是使用价格昂贵的仪器完成医疗数据采集，然后依托PC／internet网络完成数据采集以及网络诊断。

本设计采用了Altera公司的NiosⅡ软核处理器作为CPU，并移植了当今主流的μClinux操作系统。该系统具有系统稳定、便携式、功能可升级扩展、面向用户、远程控制等特点。一方面，它将家庭保健和远程医疗结合起来，主要面向用户终端设计，使个人能够方便的对自身心电信号的进行自我检测与分析，实时了解自己的身体健康状况；另一方面，采集到的数据还可以通过存储卡存储，以便对数据进行长期分析处理和诊断；除此之外，系统还可以通过网络等远端通讯设施与医疗保健服务端(如医院、私人医师、监护中心、保健中心等)快速建立连接，将测量数据传递给远程数据库或医生。有利于医疗信息的数据库管理和远程实时监护、诊断，使用户不用出门就能得到最及时有效的诊断。

2 系统介绍

远程心电医疗信号监测系统主要由心电信号的前端采集与调理模块、心电信号处理与存储模块、数据显示模块和远程传输控制模块等4个关键模块组成，系统功能结构如图1所示。

该监测系统的硬件平台采用Altera公司CycloneⅡ2C35 FPGA芯片，采用SOPC(片上可编程系统)技术将NiosⅡ软核处理器、存储器、功能接口和扩展I／O口等集成在一块FPGA芯片上，外围扩展心电数据采集板、网络、LCD屏、触摸屏／键盘、SD存储卡等硬件来实现系统的硬件架构，且带有可扩展的I／O接口，便于以后系统功能升级与扩展。



3 系统关键模块的设计

3.1 NiosⅡ嵌入式软核处理器简介

NiosⅡ系列嵌入式处理器是Altera公司推出的软核处理器。用户可以获得超过200 DMIPS的性能，而只需花费不到35美分的FPGA逻辑资源。NiosⅡ支持MicroC／OS-Ⅱ、μClinux等多种实时操作系统，支持轻量级TCP／IP协议栈，允许用户增加自定义指令和自定义硬件加速单元，无缝移植自定义外设和接口逻辑，在性能提升的同时，方便了用户的设计。

NiosⅡ处理器采用Avalon交换式总线，该总线是Altera开发的一种专用的内部连线技术。Avalon交换式总线由SOPC Builder自动生成，是一种用于系统处理器、内部模块以及外设之间的内联总线。Avalon交换式总线使用最少的逻辑资源来支持数据总线的复用、地址译码、等待周期的产生、外设的地址对齐、中断优先级的指定以及高级的交换式总线传输。

3.2 心电信号采集调理模块设计

对ECG信号采集采用模块化的设计方式，主要由前端的导联传感器、信号滤波放大调理电路和A／D采样电路组成。人体心电信号的主要频率范围为0.05～100 Hz，幅度约为0～4 mV，信号十分微弱。同时心电信号中通常混杂有其他生物电信号，加之体外以50 Hz工频干扰为主的电磁场干扰，使得心电噪声背景较强，测量条件比较复杂。为了不失真地检测出有临床价值的心电信号，信号滤波与放大调理部分主要由一下几个电路组成：前置放大电路、高低通滤波电路、陷波电路与A／D转换电路，电路原理图如图2所示。



首先心电导联采集过来的微弱心电信号通过前置放大电路进行放大，此部分包括右腿驱动以抑制共模干扰、屏蔽线驱动以消除引线干扰，增益设成10倍左右。设计前置放大采用美国模拟器件公司生产的医用放大器AD620。AD620由传统的三运算放大器发展而成，为同相并联差动放大器的集成。其具有电源范围宽(±2.3～±18 V)，设计体积小，功耗低(最大供电电流仅1.3 mA)的特点，因而适用于低电压、低功耗的应用场合。此外还具有有较高的共模抑制比，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小等优点。放大后的信号经滤波、50 Hz陷波处理后再进行二次放大，后级增益设成100倍左右。由于ECG信号幅度最大就几mV，而A／D转换中输入信号的幅度要求在1 V以上，所以总增益设成1 000倍左右。其中，滤波采用压控电压源二阶高(低)通滤波电路，用于消除0.05～100 Hz频带以外的肌电等干扰信号，工频中的其余高次谐波也可被滤除掉。同时，采用有源双T带阻滤波电路进一步抑制50 Hz工频干扰。

A／D采样芯片采用TI公司的8位串行芯片TLC549，该芯片采用SPI接口，仅用三条线即可实现采集控制和数据传输；具有4 MHz的片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间小于17μs，采样速率达40kS／s；采用差分基准电压技术这个特性，TLC549可能测量到的最小量值达1 000 mV／256，也就是说0～1 V信号不经放大也可以得到8位的分辨率。