基于3G网络的便携式心电图仪
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【摘要】 目的：应对目前心电监控设备的笨重、昂贵等缺点，设计了一个具有无线传输数据的心电图仪。方法：本系统基于C/S架构，以TI的Cortex M4作为主控制器，采用单导联心电采集模块BMD101，通过中兴的MF210 3g模块实现了数据的传输，终端将心电数据实时发送到医生所在的监控端。结论：大大精简了用户心电监测的过程，医生根据波形分析用户的健康状况并能及时反馈。
【关键词】 3G 心电图仪 实时传输
Portable ECG-based 3G networks Li Han-xuan，Wu Run-fang，Su Jian-qiang Nanjing University of Posts and Telecommunications
Abstract：Objective： To deal with the current ECG monitoring equipment， bulky， expensive and other shortcomings， has designed a wireless transmission of ECG data. Methods： This system is based on C / S architecture to TI’s Cortex M4 as the main controller， a single lead ECG acquisition module BMD101， by ZTE MF210 3G module implements the transmission of data in real-time ECG data terminal will be sent to the where doctors monitoring client. Conclusion： greatly streamlined the user ECG monitoring process， based on waveform analysis doctor health of users and timely feedback.
Key words：3G；ECG；Real-time transmission
随着社会的进步和生活水平的逐步提高，以及我国人口老龄化程度越来越严重，心脏病一类的疾病率不断攀升，严重影响人们的身体健康，成为威胁人类健康的第一因素。而心电图对于心脏基本功能及其病理的研究，具有重要的参考价值。现有的常规心电监护设备具有体积笨重，价格昂贵，不便于携带的局限性。一个具有无线传输数据的心电图仪不仅便于携带，并且还提高了医师及时获得病人心电图的效率，有助于跟踪到位地治疗，进行病情诊治。目前国内3G网络已经相对比较成熟，覆盖范围广，相对于2G网络，3G网络提供数据传输速率大为提高，适合心电图检测这样的应用场合[1]。
一、总体结构设计
图1描述了系统的总体结构，系统基于C/S的架构，用户为客户端，医生为服务器端。客户端由心电采集端，主控制器，3G模块等组成；服务器端则是安装了用LabVIEW编写的上位机软件，可以读取网络的数据并且绘成心电图显示在屏幕上，还能看到用户的心率、手机号等分析数据，方便医生及时联系用户。工作的流程为心电采集端采集用户的心电数据，主控板通过串口读取数据并用AT指令让3G模块把数据发送给服务器端，服务器端接收到数据后分析处理，将各种有用信息显示在屏幕上。
二、客户端
2.1心电信号采集模块
人体心电信号具有如下特点：（1）具有近场检测的特点，离开人体表微小的距离就基本检测不到信号（2）心电信号通常比较弱，一般在0.001-5mV（3）属于低频信号，且能量主要在100hz以下（4）干扰特别强，有来自生物体内的肌电干扰、呼吸干扰等；也有来自生物体外的工频干扰等。针对上述特点，就需要采集端前级放大电路有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移等特性；采用带通滤波器滤除100hz以上的高频噪声和0.03hz以下的因呼吸等引起的基线偏移；引入补偿电路来抵消人体信号源中的干扰；最后加入50hz的陷波器来滤除工频干扰。由此，我们选择了BMD101心电模块用于采集心电信号，这个模块的优势在于功耗小，尺寸小，单导联采集信号，可用金属干性电极，也可以使用一次性的凝胶型湿性电极。该模块将滤波后的信号通过串口发送出来，还能由内部芯片计算出心率和心率变异性（RR间期）[2]，我们只需要通过主控读取数据即可。
2.2主控制器
本系统以TI的Cortex M4系列的TM4C123G为中心处理单元，此ARM有强的数据处理能力、多串口通信接口以及简明的编译环境。图2为主控的程序流程图，单片机首先需要检测与3G模块的通信是否正常，然后去配置各项联网的步骤，并且需要等到3G模块回复OK信号才能继续下一步的操作。等到成功连接远端服务器的时候，主控开始读取心电模块的数据，然后处理为3G模块所需的格式发送出去。
2.3 MF210 3G模块
3G模块需要一张SIM卡，在国内的3G网络中，联通3G的H网标准速率达到14.4Mbps，接近2M/s的速率足够心电数据的传输需求[3]。由此，我们选择了中兴MF210 3G模块，这款模块是适用于联通3G的，控制方便，采用串口和主控通信，通过给3G模块发送AT指令去控制它设置APN网络（AT+CGDCONT=1）、激活连接（AT+ZIPCALL=1）、连接远程服务器（AT+ZIPOPEN=1，0，IP，PORT）、发送数据（AT+ZIPSEND=1，DATA）等。与其他的C/S架构系统相同，我们在服务器端用Socket建立了TCP Sever，然后用3G模块去连接这个服务器，就能够实现数据的传输。不过由于模块本身的原因，它只能够发送一个字符的ASCII码，所以我们需要让主控把数据拆开发送，这就降低了数据传输的效率，导致有些信道不好的时候，数据传输产生延迟。
三、服务器端
服务器端，必然需要建立一个TCP Sever，然后等待3G模块的连接，当没有连接的时候，屏幕的上什么都没有；当3G模块连接的时候，但没有心电信号的时候，屏幕上会显示一条直线；当有心电信号的时候，才会显示心电的波形、用户的心率、电话号码等信息。从3G模块发送来的数据为了保证数据的可靠性，我们做了简单的包装处理，将数据转换为统一的格式，这样，如果在服务器端收到的不是这种格式的数据，那么久视为无用数据，这也大大增强了医生对于用户身体健康的准确判断。我们还在界面上显示用户的电话，可以方便医生及时通知用户的身体健康。界面中的心率和RR间期也是很重要的参数，
RR=（Rn-R1）/（n-1）/smp（采样率），
Rate（心率）=60/RR，
正常人的心率在60-100次/min之间，心率可以反映某些疾病的出现例如窦性心律失常，异位心动过速，房扑与房颤等。目前，我们的服务器端只能观察一个人的心电波形和信息，但是距离实现多人实时监测不会远了。
四、总结
本文设计了一种无线便携式的心电模块，主要面向那些关注身体健康或者身体患有心脏疾病的用户，让他们足不出户，不用排队挂号，就能做心电图，并且在第一时刻得知自己的身体状况。
我们还做了客户端的上位机软件，让那些自己就看的懂心电图的人省去将数据发送到医生那里的过程。本设备在不久的将来也许会得到更多人的关注，因为到那时候，会有更多的人关注自己的身体，而不再是一味的追求财富和地位。而且我们还可以赋予它更多的功能，以真正满足各种人群的需求。
参 考 文 献
[1] 白冰，张跃，万里. 基于ARM的远程实时心电监护仪软件设计实现[J]. 计算机工程与设计. 2009（12）
[2] 赵文哲，方滨，沈毅，王普. 心电信号中R波检测方法的比较研究[J]. 生物医学工程学杂志. 2009（01）
[3] 周拓，葛鑫，杨翠微，邬小玫，方祖祥. 用于远程心电监护系统的心电信号自动分析和诊断方法[J]. 中国医疗器械杂志. 2009（03）
[4] 汪 明. 基于 ARM7 的远程心电监护终端设计与实现 [D] .南京：南京理工大学， 2009
[5] 赵文哲，方滨，沈毅，王普. 心电信号中R波检测方法的比较研究[J]. 生物医学工程学杂志. 2009（01）
[6] 郭美娜. 3G时代的远程医疗[J]. 医疗卫生装备. 2009（08）