心电信号采集与无线传输系统设计

LOGO心电信号采集与无线传输系统设计报告人：2011-11-2研究目的近半个世纪以来，心脏系统疾病已逐渐成为威胁人类健康最重要的疾病之一。据美国一份网络医学杂志2008年公布的一项世界卫生组织对未来人类死亡原因的预测报告中称，心脏系统疾病将成为人类头号健康杀手。预计到2030年，心脏系统疾病造成的死亡将超过总体死亡人数的13.4%。常规心电图检查是指患者在医院静卧的情况下由心电图仪记录下来的心电活动。但常规心电图检查仅记录6～100个心动周期，历时仅1分钟左右，所能获取的心脏信息非常少，尤其是对阵发性的心率失常，在常规心电图检查时就很难捕获了。据资料显示，在中国，有大约60%的心脏病死亡发生在患者家中。国外情况20世纪初，荷兰莱顿大学的生理学家Einthoven首次提出应用弦线电流计描记人体心电过程；1957年美国物理学家Holter提出了一种用磁带记录器来记录正常活动状态下病人长时间连续的心电图，开辟了时间全信息和环境全信息心电记录和诊断新领域，该技术也称为动态心电图（DynamicElectrocardiogram,DCG）；1980年代开始，国外开始建立以电话线路传输心电信号的心电图检测中心，随后又出现了以数字电话传输心电图信号的研究。英国牛津大学的Johnson教授采用远程监护的方法人孕妇和胎儿在放松的状态下在家中检测血压、血氧、心电图。德国一个研究小组则通过宽带视频通信远程监护家中老人的各种生理参数。美国和欧盟在2000～2005年间，各投入150亿美元和17.5亿美元用来进行远程医疗的研究工作。国内情况1994年清华大学研制成功家庭心电/血压监护网系统，该系统在病人不适时具有手动按键报警功能和类似Holter的心电图长时间记录发生功能。2005年，山东大学齐鲁医院建成国内首家心脏远程监护中心目前，国内生产便携式心电监护设备的厂家很多，但多数是以OEM（代加工）方式进行组装的，具有自主开发能力的较少。基本原理何为心电心脏传导系统包括：窦房结、结间束、房室束和左右束支等。每一个心电周期中，心脏各部分兴奋过程中出现的电变化的方向、途径、次序和时间都有一定的规律。人体组织为一容积导体，这种生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液反映到身体表面上来，体表的任意相隔一定距离的两点之间会存在电位差，该电位分布随心肌的电活动而不断变化，这个变化是周期性曲线。把测量电极放在人体表面的一定部位，记录出来的心脏电变化曲线就是心电图（ECG）。心电信号的特征1）微弱性：从人体体表拾取的心电信号非常微弱，幅度在0.5～1mV之间，因此极易受到各种噪声信号的干扰，这类噪声主要有电源线工频干扰（共模信号），其干扰幅度高达V级，次噪声消除办法--可选用高共模抑制比的仪表放大器。电极接触噪声—电极与皮肤接触构成的化学电池而产生的基线漂移，幅值高达300mV。肌电噪声—人体活动造成的噪声。其他电磁干扰等。这些噪声必须采用相关抑制噪声的预处理技术。2）低频特性：0.05～100Hz3）不稳定性：人体和外界密切联系，内部各器官相互影响。因此在对心电信号进行采集、分析和处理是，应该注意到它是随时间变化的信号，应按其频谱特性，选择适当的放大电路和增益。4）随机性：人体的不均匀性及外界干扰的变化无线通信技术无线通信系统包括发射端和接收端，目前短距离无线数据通信技术标准主要有IrDA，蓝牙、802.11、UWB、Zigbee。IrDA是InfreredDataAssociation，即红外线数据标准协会，利用波长范围在850nm和900nm，距离在10m以内，由于波长短，容易受障碍物的阻隔。当然也有成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点。蓝牙技术（Bluetooth）是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术。是无线数据和语音传输的开放式标准。采用2.4GHzISM频段。传输距离10cm～10m，增加公里可达100m。蓝牙的系统结构分为底层硬件模块、中间协议层和高层应用三大部分。802.11（Wi-Fi，无线高保真）在1997年提出，主要作用是提高WLAN接入。Zigbee是蓝牙的同族兄弟，使用2.4GHz波段。基本速率是250kbps，降到28kbps时，传输距离可达134m。另外可与254个节点联网。UWB超宽带技术开始只在军事领域内应用，知道2002年美国FCC（联邦通信委员会）才准许进入民用领域。UWB工作频段在3.1G～10.6GHz。主要应用在小范围、高分辨率、能穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。微功率短距离无线通信技术系统设计在人体右手（RA），左手（LA）和左腿（LF）三处放置ECG电极片用来采集人体心电信号，并将LA,RAHELF,RA分别组成一对差分信号对，此信号对即为所需采集的两路心电差分信号，分别送入高共模抑制比、拾取微弱信号超强的仪表放大器，再经高通、低通两级放大后经AD转换变为数字信号，再经MCU通过SPI总线送入无线发射芯片发射。系统设计无线接收芯片接收到信号后，通知MCU经由SPI总线接口读取接收到的信号，再通过USB口将数据送入PC机中做后续处理。