嵌入式远程心电监护系统的设计

摘要：提出一种嵌入式远程心电监护系统的设计方法。该系统包括前端和后端两个模块，前端通过穿戴式心电采集设备从人体获取心电信号，经 A／D转换后由nRF905射频芯片无线传输到后端；后端利用GPRS将来自前端的数据远程传输到监护中心，并接收来自中心的反馈信息。为了保证数据传输的安全性，提高数据传输的效率，引入了AES加密和LZ77压缩算法。实验结果表明，该系统能够实现心电信号稳定、准确、实时的传输。
关键词：心电信号；无线传输；远程监护系统；nRF905

0 引言
    心电信号是人类最早研究并应用于医学临床的生物电信号之一，通过心电信号诊断心血管疾病是目前医院应用最普遍的方法。目前，检测心脏疾病的常规方法是到医院做心电图，反映患者的心脏功能情况。但这种方法只能描记患者几分钟平卧状态下短时间内的心电图片段，难以获得患者各种状态、各时间段的心电图变化，这样就限制了医生诊断的范围，甚至会贻误对症治疗的时机。因此，本文提出一种嵌入式远程心电远程监控系统设计，病人无需亲自到医院做常规心电图检测，只需要穿着一种专用的服装，就可完成对患者进行移动式、远距离、不间断的心电监护。

1 设计总体结构设计
    系统总体设计框图如图1所示。


    系统由一个前端模块和一个后端模块组成，前端包括心电采集电路、单片机和射频发射芯片，用以获取心电并经处理后通过射频无线传输到后端；后端包括一个射频接收芯片、一个ARM处理器、一个DSP处理器、一个LCD显示屏，以及一块GPRS发射模块，主要用于接收来自前端的心电数据，并对数据进行处理，最后采用GPRS模块并通过Internet将处理后的心电数据远程传输到监护中心。
1．1 心电信号采集
    心电信号采集采用穿戴式心电采集设备，如图2所示。该设备将检测人体动态生理参数的传感器、电路板、连接线嵌在绝缘软材料制作的基体(胸带)内，舒适性好，使用方便，功耗低，适用于临床监护、家庭保健、运动实验、心率失常监测、空中记录与监测、远程监测、应
急救护等。
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    穿戴式心电采集设备的电路主要是由传感器、放大滤波电路及陷波电路组成。
    (1)传感器：传感器是将所要监测的生理信号转化为电信号。实验时，传感器采用的是贴片电极，通过CM1导连方式来获取信号。
    (2)放大滤波电路：经传感器转换后得到的生理电信号一般幅值较低，且带有很大的噪声干扰，必须进行放大滤波处理。该电路包含一个前置放大电路，一个带通滤波电路及二级放大电路。前置放大电路采用的是一个AD620仪用放大器作为前置放大器。带通滤波电路由一个二阶高通滤波电路和一个二阶低通滤波电路串联而成。考虑到心电信号的频率范围及后续A／D的动态范围，带通滤波电路的通频带设计为O．1～
100 Hz，总放大倍数为1 000左右。
    (3)陷波电路：50 Hz工频干扰(国外为60 Hz)是生理信号最主要的噪声来源，50 Hz干扰消除的效果直接决定了最后获取信号的好坏。区别于传统的双T对称有源陷波器，该系统采用非对称阻容网络陷波器，其优点在于可根据干扰源频率和干扰强度进行陷波频率和Q值的调节，使设计更具通用性。
1．2 射频发射和接收
    目前，穿戴式远程医疗系统的无线通信手段包括蓝牙、射频、红外等，以蓝牙的使用最为广泛，但使用蓝牙成本高，这对于推广普及是个很大的障碍。红外的传输距离短，抗干扰差，现在已基本不使用。射频具有价格低，传输距离长等特性，特别是高性价比射频芯片的不断出现，使它的使用越来越受青睐。该系统采用的是2块挪威Nordic公司nRF905的射频芯片，用以实现数据的无线收发。nRF905不仅能够满足穿戴式医疗仪器低功耗的要求，并且能同时保证传输速率以及传输距离。经实际测量，在室内有墙壁阻隔，无剧烈运动的情况下，传输距离达到25 m以上，因而被监测者可以在室内自由活动。无线传输丢包率在1／10 000内，能保证传输数据不丢失，最大传输速率可达100 Kb／s。设计时，处理器通过SPI接口对2块nRF905寄存器进行相同的配置。在实际工作中，nRF905就可以自动滤除地址不相同的数据，只有地址匹配且校验正确的数据才会被接受，并存储在接收数据寄存器中。nRF90提供了433／868／915 MHz三个ISM频道(可以免费使用)，该系统中采用的是915 MHz。
1．3 单片机
    该系统中，单片机采用C8051F330。单片机具有体积小(MLP-20封装)，功耗低，功能强大(自带10位A／D、SPI总线、24．5 MHz晶振)等特性，能够大大提高前端的轻便性。该单片机的作用是与nRF905进行通讯，对心电采集电路获取的信号进行A／D转换，以及对转换后的数据进行射频传输前的加密。
    (1)与nRF905通讯：通过SPI总线来对nRF905的内部寄存器进行配置及数据输送。
    (2)A／D转换：C8051F330自身带有一个10位的A／D转换器，其动态范围为-2．7～+2．7 V。设计中心电的采样率采用250 Hz。
    (3)数据加密：由于设计中采用nRF905射频芯片实现数据的无线收发，任何相同的芯片，只要内部寄存器配置一致，它们之间就能实现数据的通信。由于用户的生理信息涉及到用户的隐私问题，而nRF905传输覆盖的范围较宽。为了保证用户数据在无线传输时的安全性，必须对数据进行加密处理，而这一过程在其他类似采用射频传输的设计中常被忽略掉。在该系统中，采用了AES软件加密算法来完成这一过程。这相对于常用的硬件加密，一方面提高仪器的轻便性，另一方面又可以降低仪器的成本。AES支持128 b，192 b或256 b三种密钥长度，该设计采用128 b密钥长度。
1．4 ARM处理器
    ARM处理器采用的是三星公司的S3C2440处理器，用于完成以下功能：
    (1)与nRF905通信：其过程与单片机类似，即对nRF905进行配置，读取nRF905接收到的数据等。
    (2)数据解密：由于nRF905接收到的心电数据需要经过加密处理。为了对数据作进一步处理，必须先将数据还原。解密过程是加密过程的标准逆运算。
    (3)LCD显示：主要是将解密后的心电数据，以及监护中心的反馈信息(如诊断结果、报警等)显示在LCD上。采用的是一个320×240的三色LCD，运用MINIGUI进行编程。
    (4)与DSP进行通信：主要是将解密数据传给DSP，然后再将DSP处理后的数据读回来。ARM和DSP的通讯采用HPI总线方式。
    (5)与GPRS通信：包括向监护中心发送监护请求、将从DSP处理后的数据发送给监护中心，以及读取中心的反馈信息等。ARM和GPRS通过RS 232串口进行连接。GPRS采用ETPro-221An模块。 [p]
1．5 DSP处理器
    DSP采用美国德州仪器公司的TMS320VC5509，主要用它完成数据的压缩和加密处理。
    (1)数据压缩：为了提高数据的远程传输效率，在数据传输前进行了压缩处理。由于心电信号属于准周期信号，除了干扰噪声影响和个别病理情况外，心电信号的主要成分P-QRS-T波群将按一定的时间间隔重复出现，这种重复性使心电信号包含一定信息冗余。系统使用LZ77算法替代这些冗余信息实现压缩，LZ77压缩算法的基本理论是利用数据前后之间的重复性，使用比原始数据更短的信息(如重复位置和重复长度)来替代重复的数据段，从而达到减少数据量，实现压缩的目的。
    (2)数据加密：压缩后的数据要通过Internet传输到监护中心。为了保证数据在传输过程中被非法窃取，同样必须对数据进行加密，以保护用户的隐私。

2 实验结果
    实验时，前端采用电池供电，后端采用一个直流电源供电。图3为监护中心通过GPRS接收到心电信号的显示结果，显示程序采用VC 6．O编写。从图中可以看出，该系统能够保证心电数据准确、实时、安全地进行无线远程传输。



3 结语
    给出一种嵌入式远程心电监护系统的设计方法。在系统前端和后端的无线通信过程中引入了AES加密处理，可提高数据传输的安全性；后端采用 ARM和DSP双处理器结构，ARM作为主处理器，用于协调整个用户端；DSP作为ARM的辅助处理器，用以减少ARM的处理负担，使其有更多的空闲时间响应来自前端或中心请求，提高设备监护的实时性。此外，系统还具有体积小，功耗低，实时性好，便携等特点。经实验证明，能很好地完成心电信号的采集、远程传输，从而配合医院或监控中心进行监护工作，具有较高的应用价值。