基于CDMA无线网络的心电监护系统的研究
【摘要】 介绍了基于CDMA无线的心电监护系统的总体设计结构，并阐明了实现该系统的各功能模块的关键技术。实验表明，该系统具有实时采集、处理、存储和远程心电数据传输等特点，极大提高了对心血管病人的监护水平。
【关键词】 Internet; CDMA; 心电监护
1引言
鉴于心血管疾病防预和的重要性，世界各国、各大纷纷开展了心脏病监测设备的开发与生产。然而早期的心电监护设备，多采用有线方式，导致其应用受到空间的限制，后来逐渐到基于GSM网等的无线方式的监护［1］，但由于受到无线传输频率的制约，一直未能形成可靠的远程在线实时监护产品。随着通信技术及机网络技术的日益完善，数据传输率、数据传输可靠性的大幅度提高，完全能满足心电数据传输的要求。CDMA（Code Divison Multiple Access）技术是基于扩频通信技术发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。它可将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原始数 据的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原始信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信，这样大大提高了数据传输的可靠性。我们提出的远程心电监护方案能在患者不影响正常生活、工作的前提下，实时接受医护人员的监护、指导。其监护的有效率要高出现有设备几十倍，甚至上百倍。能够随时随地的将心电信号发给指定医院接受医护人员的监护是人们一直以来梦寐以求的技术。而且该心电监护系统还可以缓存最近几十分钟心电图数据，当患者感到不适时，它可以把最近几十分钟和当前最新心电数据同时传送给监护中心，有利于医护人员的诊断。本文主要介绍系统的组成以及主要模块的关键技术。
图1 监护系统总体结构框图（略）
2系统总统结构
如图1所示，移动终端即心电数据采集与发送系统，负责将心电模拟信号转换成数字信号，利用CDMA 1X专用芯片把信号通过CDMA无线网和Internet网络传送到设在医疗服务中心的心电数据专用服务器上，医生通过工作站可随时调出病人的心电数据，经过对心电数据的分析和处理，通过网络将处理意见及建议反馈给患者，可远程指导患者的就医、用药及采取必要的抢救措施。
2.1心电数据采集与发送系统设计图2所示为心电数据采集终端组成框图。本设计兼顾心电数据实时性及高性能实时显示、网络传输及现场分析等诸多情况，采用双CPU并行工作方式，一个CPU采用美国Mi-croship公司生产的PIC16F877单片机［2］，它采用CMOS结构，工作时电流几mA。它具有内置10位A/D转换器、定时 器、串口及I/O口，采用汇编语言编程。主要功能有定时5ms采集一次心电数据，存入缓冲区，通过自学习方式判断心电信号强弱，并通过I/O口控制放大器的放大倍数;另一个CPU采用Cirrus Logic公司生产的基于 ARM720T内核的嵌入式微处理器［3］EP7312，它运行在74MHz时性能与100MHz时Intel Pentium芯片基本相等，功耗仅90mw。它可用Win-dowsCE做操作系统，采用双CPU结构的最大特点是可以解决心电数据实时性与Windows CE 的软实时之间的矛盾。ARM微处理器具有Risc精简指令系统、接口齐全等特点，是32位嵌入式微处理器的主流产品。它可运行多个嵌入式操作系统。微软的Windows CE操作系统由于有微软的强大支持及Windows系列产品基本相同或相近的操作界面，易于学习和应用。本系统ARM微处理器、监护中心服务器及工作站均采用Visual C++编程，我们认为它是用于底层最好的编程语言，通过指针直接访问硬件，还可以通过函数调用访问操作系统。Visual C++是一种结构性语言它层次清晰，便于按模块化方式组织程序，易于调试和维护，具有丰富的运算符和数据类型，便于实现各类复杂的数据结构。由于Windows CE 及Visual C++语言提供了大量的库函数及软件接口，编程可直接针对功能及逻辑，可节省大量时间，避免和硬件打交道。由于心电信号很微弱，最大为mv数量级，并且人体的阻抗很大，具有几百KΩ。故前置放大器采用仪表放大器，为减少工频干扰，加上50Hz陷波电路。模拟电路采用双通道12导联心电放大系统，导联及放大倍数选择由PIC单片机控制， PIC单片机的功能及任务相对简单，但它是保证整个系统心电原始数据准确度的关键，必须严格保证其采集时间间隔的准确性，故采用定时中断的方式采集数据并将定时中断设在最高的中断优先级。PIC与ARM的通信采用串行方式，PIC采用双缓冲区方式，待第一缓冲区存满时，将第一缓冲区数据移至第二缓 冲区，并将第二缓冲区数据加上报头发往ARM微处理器。它与ARM通信采用全双工方式，PIC单片机以串口中断方式接收来自ARM微处理器的命令。ARM微处理器内部的主要功能模块有键盘处理模块、显示模块。外接电路主要有flash闪存、E2PROM、显示器和键盘等，并通过串口与PIC及CD-MA模块连接。Windows CE 嵌入式操作系统的最大特点是模块可以裁剪，可最大限度地设计硬件，较少的flash闪存和E2 PROM及RAM可节省硬件资源。CDMA 1X模块编程采用AT指令集。先登录上网，然后采用TCP/IP协议与服务器交换信息，为避免复杂繁琐的TCP/IP协议栈，用Windows CE提供的Socket套接字，简化了通信编程。基本模块有QRS波检出模块、心电波形显示模块、心率计算与显示模块、ST段分析及显示模块、服务器通信模块、与PIC数据交换模块及键盘处理模块等。
图2 心电数据采集终端结构框图（略）
本系统通信单元采用CDMA无线模块来实现，CDMA无线模块作为终端的无线收发模块，把单片机接收到的数据信息进行编码发送出去。CDMA的无线模块采用ZTEIT的MG801A模块，MG801A-CDMA模块是内置软件支持CDMA 1X标准的级应用模块，工作频率为800MHz，能完成语音数据、传真等功能。MG801A模块提供串行异步通信接口UART。因而可与嵌入式系统的串口点接相连。SIM卡是CDMA网运用的一种智能卡，它提供个人认证信息，可以允许终端连接CDMA网。
2.2监护中心服务器及工作站设计心电数据采集终端与监护中心通过Internet进行数据通信，利用TCP/IP作为底层通信协议。监护中心的服务器实际上是一台连接到Internet上带有固定IP地址的PC机，该PC机上运行服务器端监护软件，主要任务包括接收心电数据采集终端发送的数据，监护界面的显示和数据存储。由于整个系统中含有许多移动用户，中心数据库必须具备对移动数据设备的支持能力，本系统软件的设计采用了MS Windows 2000 Server作为操作系统，它提供了易于管理的、应用程序、通信以及Web服务。监护中心软件接收多个心电数据采集终端发送的数据，必须采用多任务并行设计。一个任务专门负责在指定的端口侦听TCI/IP连接，当有连接建立时将连接ID放入缓冲区。另一个任务从建立的连接ID读取数据帧，数据帧中包含了病人编号等信息。一旦病人被连接到监护系统上，信息就开始在心电数据采集终端和远程监护中心 工作站之间不断进行交流。所有的诊断数据和病人表格都会被该系统存档，建立相应的数据库。本系统的开发采用了MS Windows 2000 Server上最佳数据库系统 Microsoft SQL Server 作为后台数据库系统，前台采用Visual C++6.0进行开发设计［4］，具有非常便捷的数据库访问功能。
3结束语
本研究开发设计的基于CDMA无线网络的心电监护系统是一种新型远程心电监护系统。本设计的最大特点是在数据采集终端采用双CPU结构，并充分利用CDMA通信容量大、网络分布广、数据传输稳定可靠等优点，实现了对心脏病患者真正意义上的实时监护。同时对于临床心脏疾病救治水平的提高，降低死亡率等具有十分重要的意义。
【】
1 Keng Siau. Health care infomatics. IEEE Transactions on Infor-mation Techology in Biomedicine，2003，7（1）:1～7.
2 汤竞南，等.PIC单片机基础与应用. 人民邮电出版社，2006，23～28.
3 于明，等. ARM9嵌入式系统设计与开发教程. 电子工业出版社，2006，81～89.
4 李闽溟，吴继刚，周学明.Visusl C++6.0数据库开发实例导航. 北京:人民邮电出版社，2005，56～59.
