基于远端平台的便携式心电诊断系统设计

摘   要：  关键词： 远端； 便携式； 无线； 心电诊断系统
       远程医疗是网络科技与医疗技术相结合的产物。随着世界科技的发展和经济的进步，远程医疗的发展已经是一种势不可挡的趋势[1-2]。传统的医院心电检测设备由于采集数据多(12导联)、精度高，所以设备昂贵，且对医护人员的专业技术水平要求高；而国内的便携式心电设备通常为单机诊断、智能化低，对新检测方法的更新十分不方便，无法对新症状通过简单的更新数据库来达到检测诊断的目的[3]。为了使用户能够不受时间、地点等因素限制而享受实时心电诊断服务，本文提出了一种基于远端诊断平台的心电诊断系统，由此来实现便携易用、实时监测以及降低诊断成本等功能。
1 远端诊断模式的实现
     提出远端诊断模式主要是基于两个原因：一是便携性,传统心电检测设备由于其局限性难以实现随身携带，病人需要检测时只能到特定地点，不仅无法实现实时性，而且增加了医疗成本；二是易用性，传统设备对操作者有一定的专业要求，往往病人自己难以操作。提出远端诊断模式,将系统分为用户终端与远程服务终端，用户只需携带用户终端设备,而且只需操作用户终端，将专业性的操作隔离开留给远程服务终端，从而实现其便携性与易用性。
　在远端诊断模式中，用户终端主要实现实时采集心电信号，将数据存储转发，控制GPRS通讯模块发送到远程服务终端；远程服务终端主要承担对数据的分析、处理，甚至可以与专家在线分析和实时诊断，最后将诊断结果返回用户终端。
2 系统设计方案
　便携式心电诊断系统主要由前端采集电路、用户端主控模块、两个GPRS终端和远端服务器几部分组成，其基本结构框图如图1所示。
   
       图1中前端采集电路主要承担心电信号采集的功能，采集的信号经初步的滤波及放大后送入用户端主控模块，主控MCU对心电信号数据进行A/D转换和一些基本处理之后存储在EEPROM中，等待用户的命令指示。GPRS终端负责数据的发送与接收。远端服务器接收到用户发送过来的数据之后进行详尽的处理，得到诊断结果后将结果发送回用户终端。
2.1 前端采集电路
     前端采集电路主要由心电电极、前置差分低通滤波电路、前置差动放大电路、高通滤波电路、主放大电路、右腿驱动电路、过压保护电路和电源模块组成。如图2所示。
   
        将两个电极置于人体表面上不同的两点，通过导线与心电图机相连，就可以描出一种心电图波形。描记心电图时的电极安放位置及导线与放大器的联接方式称为心电图导联。设计中采用的是标准双极导联Ⅰ。它是以两肢体间的电位差为所获取的体表心电，电极安放位置以及与放大器的连接为：左上肢(L)接放大器正输入端，右上肢(R)接放大器负输人端，同时，右下肢(RF)应直接接浮。在本系统中，右下肢接右脚电极驱动器的输出端，间接接地。
     在此电路中，设计了一个用于防止RFI整流误差的差分低通滤波器电路,如图3所示。该滤波器除了提供对RFI的抑制, 还提供附加的输入过载保护，因为电阻器R1、R2帮助把仪表放大器的输入电路与外部信号源隔离。C3跨接电桥输出端，以便C3有效地与C1和C2的串联组合并联。C3非常有效地减小了由于不匹配造成的任何 AC-CMR(交流-共模抑制)误差。
   
   　心电信号采集电路中最重要的部分是放大电路。由于心电信号很微弱，而且采集过程中存在着极化电压、热噪声和仪器产生的噪声等多种干扰信号[4],对后续特征波形的检出与分析有很大的影响。这些干扰大都属于共模干扰,因此要求前置放大器有足够高的共模抑制比，同时为了抑制信号的“基线漂移”,还要有足够小的温度漂移。设计中采用TI公司的INA326放大器，电路如图4所示。
   
   
   
   2.2 用户端主控模块
     主控模块选择MSP430F149作为系统的中央控制器，主要完成对放大滤波后的心电信号采样量化、存储转发、LCD显示及用户交互等功能。用户端系统的工作流程如图6所示。
   
   2.3 GPRS无线发送模块
     GPRS无线收发模块采用了集成TCP/IP协议的SIM300。SIM300是一个三频GSM/GPRS模块，能够工作在EGSM 900 MHz、DCS 1 800 MHz和PCS 1 900 MHz三种频率，同时SIM300提供两种时隙供选择，并支持CS-1、CS-2、CS-3、CS-4四种GPRS编码方案[5]。
     在整体方案中，心电信号数据通过主控模块的初步处理之后打包，通过串口送到GPRS发送模块，传送到GPRS接收端之后交由上位机处理。整个流程如图7所示。
   
       在设计SIM300外围接口电路时，采用MAX809自动控制通信模块的复位,可以在上电和VBAT下降到3.3 V时产生复位信号。而由于在实际应用中GPRS数据传送是偶发性事件,所以SIM300模块的RESET和ON/OFF交由主控制器控制,通过程序来实现模块的开关机，达到降低功耗的效果。总体设计如图8所示。
   
   2.4 基于小波变换的心电信号消噪
     信号经过前端采集与主控模块进行初步处理之后，发送到服务器端。服务器端运行上位机系统，对接收到的用户数据进行后处理，经过进一步消噪与匹配之后得到诊断结果，同时提供专家诊断平台接口。而后处理中主要是利用小波变换来实现消噪，因此为了更好地实现算法的嵌入,采用了MATLAB的GUI来编写上位机程序。
2.4.1 心电信号的奇异值小波消噪法
     心电信号是毫伏级的微弱信号，容易受到噪声的干扰如工频干扰、基线漂移干扰和肌电干扰等，部分心电信号因此具有噪声非均匀分布现象。Ahlstrom等[6]用低通滤波器法进行心电信号消噪，但低通仅滤除了高频信息，对心电信号消噪的效果不理想，必须经过进一步处理才能应用于诊断。本系统采用小波变换对信号进行消噪。
     小波变换具有时频局部化特性，因此，小波变换可在时间轴上准确定位信号的突变点，同时其多分辨率特性又决定了小波变换可在不同尺度上描述信号的局部特征[7]，但对噪声非均匀分布信号具有局限性。为解决这个问题，本文引入奇异值分解消噪法与小波阈值消噪相结合，利用矩阵奇异值正交分解和小波阈值消噪特点，以解决非均匀噪声分布心电信号的消噪问题[8]。
     对于噪声分布不均匀的信号，因为区域噪声分布特征不同，规则的选择相互矛盾，所以在处理信号时先将非均匀噪声分布信号经过奇异值分解，然后利用小波软阈值消噪法分别对分解后的正交分量进行消噪，由线性叠加消噪后的分量得出消噪后的心电信号。奇异值小波消噪法步骤如下：

     其流程图如图9所示。
   
   2.4.2 消噪结果分析
　图10给出了利用奇异值小波消噪法对采集到的心电信号进行降噪后的结果。
   
      图10(a)是原始的心电信号，图10(b)是去零点漂移后的波形。可以看出，去零点漂移后波形趋于平稳。图10（c）是经过奇异值小波降噪后得到的信号，对比原始信号可以较清晰地看到PQRST波的基本特征，波峰和幅值的损失较小。由此可以看出，消噪取得了良好的效果。
     本文提出了一种基于远端诊断平台的便携式心电诊断系统，设计了前端采集部分、主控模块、GPRS模块；编写了服务器端的上位机软件并采用基于小波变换的算法对心电信号实现了降噪处理，预留了接口，方便新检测方法的更新;测试结果表明该系统具有简单易用、诊断成本低、能够实时监测等特点。
参考文献
[1]     高嵩,王铁流,赛景波.远程家庭心电监护终端[J]. 医疗电子,2008,20(3):35-38.
[2]    陈轶炜,张永红,白净. 基于蓝牙通讯的便携式心电监护仪的研制[J]. 北京生物医学工程, 2008,27(2).
[3]    姜永权,魏月,刘克岩.适合中国国情的远程家庭医疗系统研究[J].中国医疗器械杂志,2001,25(6):81-83.
[4]    朱大缓,郭育华,汪公社.便携式心电检测放大电路设计[J].医疗卫生装备,2008,29(5):21-23.
[5]    SIMCOM Company, SIM300 Hardware Interface Description, SIM300_HD_V1.06, 2006.
[6]    AHLSTROM M L, TOMPKINS W J. Digital filters for real-time ECG signal processing using microprocessors[J]. IEEE Transaction on Biomedical Engineering, 1985,32(9):708-713.
[7]    DONOHO D L. Denoising by soft-threshholding[J]. IEEE Trans on Information Theory. 1995,8(3):613-627.
[8]    刘雄飞,郭爽,李长庚,等.非均匀噪声分布心电信号的奇异值小波消噪法[J]. 中南大学学报:自然科学版,
2009,40(5):1375-1380.