分类号

U D C

密级

编号

牢南}大·警CENTRAL SOUTH UNIVERSITY

Y 997346

硕士学位论文

论文题目一塞土．蛾M燕杰照动蠢竖皂监．把丛篮盐⋯⋯．

‘学科、专业⋯⋯⋯⋯⋯．生物．匡璺王猩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

研究生姓名⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．壹一震⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

导师姓名及

专业技术职务⋯⋯⋯⋯⋯j壹二垩⋯⋯一副爨撬⋯⋯⋯⋯．

摘要

远程监护作为一种病人健康监护手段受到了越来越多的重视。在

各类监护参数中，心脏的活动足一个至关重要的生理参数，特别是对

患有严重心血管病的病人。为了阻止病人的病情恶化，需要对其进行

实时监护。将动态心电图技术和GSM系统标准两者结合，本文提出了

一种新型心电监护系统的设计。这种新型系统，在传统的心电图仪基

础上增加了远程监护的功能，能够实时处理病人的信息，使得对病人

进行随时随地的监护成为可能。

在硬件方面：①根据动态心电检测中可能遇到的各种干扰信号的

特点，对抑制各种干扰设计了实际可行的解决办法；②分析了心电信

号的特点，以及如何提取心电信号R波的位置信息，以简洁有效的电

路实现心电监护功能；⑨设计了相应的信号变换等电路，以便适于存

储器使用；④选用TC35IT型GSM／GPRS模块与单片机通讯。

在软件方面，作者采用C语言对系统级芯片C8051F005编写心

电监护显示程序，实现基本的心电监护功能，通过对内置的GSM模

块的控制实现远程监护功能。

整个系统由心电检测电路、心电监护电路、存储器电路、以及

GSM通信模块四个部分主成，当心脏出现异常状况时产生警报，通

过GSM向固定号码发送短消息，传输心电数据给监护中心。

关键词心电图，动态心电图，心电检测，心电监护，GSM

ABSTRACT

Telemedicine is gaining more and more momentum as a new

approach for patients’surveillance．In many warded parameters，

electrocardiography is the most important,especially for monitoring

patients with serious cardiovascular problems．They need be monitored

frequently in order to prevent state of an illness worse．In this paper,an

ECG(Electrocardiography)telemetry system using GSM has been

designed．This design adds to traditional Holter capability of monitoring

the patients’heart anywhere anytime．

In hardware aspect,at first，all kinds of interfere signals and its

characteristics in the DECG measurement has been analyzed,and all of

interfere signals has been studied carefully and the solution to avoid them

has been presented．Then，the characteristics of ECG signal and the

pick-up of the situation information of R-wave has been analyzed

carefully to realize the very basic function with compact circuit．The ECG

signals can be conversed to another form，SO mey can be record by many

kinds of digital—audio—record formats．Finally,GSM module typed TC35I

has been chosen to communicate with chip microprocessors．

In the software design，C language has been used to compile the

demonstration procedure of electro—cardiogenic guardianship on the

system chip C805 1F005 to realize the basic guardianship function．Theremote guardianship function has also been realized through the control

ofthe internal GSM module．

The overall system is composed of four parts：the electric circuit of

the electro-cardiogenic examination，the electric circuit of the memory,

the electric circuit of the electro—cardiogenic guardianship，and the GSM

communication module．、^men the heart Was under the unusual condition,

the system will give wamings，transmit short message to the fixed

number through GSM，and transmit the electro—cardiogenic data to the

guardianship center．

KEY WORDS ECG,DECG,ECG detection,ECG ward，GSM

Ⅱ

中南人学硕卜学伊论文 第一争绪论

1．1课题研究的背景

第一章绪论

随着社会的不断进步和人民生活质量的不断改善与提高、生活节奏的加快和

饮食结构的改变，心血管疾病的发病率迅速上升，由于心脏病具有病情隐蔽、发

展缓慢、发病危险性高的特点，它对心脏病患者、特别是中老年患者的危险性极

大，是威胁人类生命安全的“第一杀手”【13。而心电图(Electrocardiogram，ECG)

检查对心血管疾病的诊断具有重要意义，具有诊断可靠、方法简便，对病人无损

害等优点。经过几十年的发展，其己成为公认的心电监测最简单、最有效的通用

方法，心电图分静态心电图和动态心电图两种。

在现代医学中，心电监测依据监测方式和检测设备的不同，分为静态心电监

测和动态心电监测。静态心电监测一次描记的心搏次数一般只有数十次，因而是

种短时间、小信息量的。对一些异常心电信息，仅作静态心电监测，很难捕获到。

例如一些患有冠心病的病人，其心律失常发生的频率非常低，出现时『日J也不固定，

可能每星期或每15天才感觉到一次疼痛，这就需要长时间、连续不断地观察才

有捕获的可能。

正足针对传统静态心电监测存在的缺点，动态心电监测技术应运而生，它在

不影响病人正常生活、工作的情况下，能长时fBJ甚至是全天候地对其心脏进行实

时监测，随时捕捉病人在各种现实情况下的心脏活动状态，从而能够发现心脏的

异常活动、隐性威胁(如偶发性心律失常、心肌局部缺血等)，从某种意义上说，

其具有更科学的一面。目前，动态心电监测已经成为心电监测新的发展趋势之一，

即将在我国进行大面积地推广与普及。

随着科技的发展，测量技术与仪器的网络化已经成为新的发展趋势，如通过

各种电缆、光纤等工具来实现网络化伽。网络化的动态心电监护系统是心电监护

发展的一次飞跃，它具有如下的现实意义：

(1)缩短了患者与医护人员的距离，可为患者提供更及时的救助，并减少

患者或医务人员的路途奔波。

(2)监护可以在患者熟悉的环境中进行，减轻了患者的心理压力，在某种

程序上提高了诊断的准确性。

(3)网络化的动态心电监护实现对慢性心脏疾病的家庭化的长期护理，比

之于长期住院治疗，它更有利于病人的康复，也可以缓解当前我国医院床位、空

间等有限的大众公共资源相对短缺的压力。

中南人学硕卜中伊沦艾 第一章绪论

(4)由f史贴近生活，通过网络的动态心电监护町以广泛普及保健知识，

发现疾病的早期症状，从而达到保健和预防心脏疾病的目的。

近年来，随着公共通讯网络的发展，无线通讯技术得到迅速普及，动态心电

监护系统的发展呈现出网络无线化的新发展趋势。这种动态心电监护系统，不仅

方便、快捷，真正做到了不影响病人正常生活和工作开展心电监护的目的，又因

其融入了通信功能，增添了病人和医生问的交互性，使得监护具有完全、真正意

义的实时性(监测实时进行，医生的诊断维护也实时进行)，因为有医生的实时参

与，使监测过程中发现的偶发性、隐性的心律异常能得到最及时的确诊，最终做

到心脏疾病的预防和避免重大后果的发生，因而具有极高的现实应用价值。

网络化的动态心电监护系统监护服务的主要对象设定为：

(1)心脏病初愈者；

(2)高发病人群(如高血压患者)：

(3)残疾人和老年人。

1．2远程心电监护发展和现状

心电监护作为医疗监护的重要内容之一，在初期甚至作为其核心内容，其发

展足伴随着医疗监护的发展而不断进步、不断完善的。

实施心电监护网络化较早的是欧荚各国。其最仞应用足在重大的科研项目

中，如航天事业等，或者应用于军事目的。其广泛地、井且真正意义地应用于民

用服务也是近一、二十年的事情。

动态心电监护的网络化经过多年的发展，已经由模拟时代转入数字化时代，

由有线网络发展至无线网络。总体说来，其主要经历了以下三个阶段：

(1)基于有线电话的第一代动态心电系统这是通过固定有线电话线路，进

行心电数据的传输。

(2)基于微波和卫星通信的第二代动态心电系统这一代心电监护系统是伴

随微波通信和卫星通信的大规模应用而出现的。同第一代系统相比，它采用卫星

和微波通信，给患者提供更大的活动范围，而且可以推广到不通有线电话的偏远

地区，实现了监测网从有线到无线的跨越。但受限十微波和卫星通信的特点，数

据的网络传输的可靠性和安全性较差。

(3)基于公共数据网络(移动通信网和互联网等)的第三代动态心电监护

系统。

其中，第三代动态心电监护系统足基于现代公共数据通讯。1网络，其面向大

众、便于推广，是一种极具发展潜力的新一代心电监护系统。随着互联网和现代

移动通信网络的不断融合，它们可以提供良好的多媒体通讯服务，能提供更大的

2

中南人学硕}学伊论艾 第一章绪论

带宽以保证大容量数据的快速传输：移动通信网络史具有高度的使用疋活性，使

得使得人们能在任何地方自由上网，并且较第一代的微波和卫星通信，具有更高

的安全性、更加大众化。

目前有关基于公共数掘网络的动态心电监护系统的研制与开发刚刚起步，其

中供选择的常用到的通信网络有：

①电信网的DDN(DigitalDataNetwork，数字数据网)线路；

②宽带综合业务数字网，可获得155．52 Mbit／s(兆字节每秒)以上的传输

速率；

③Intemet；

④利用有线电视网络。这些网络提供了广泛便捷、内容丰富的信息传输环

境。随着互联网和现代移动通信的结合，将最终改变现有的以非网络化监护终端

为主的心电监护模式，使患者在任何地方、任何时候都能得到更加准确、舒适地

医疗监护。

今天，网络技术的不断发展，移动通信的迅速普及，二者之间的不断融合使

得移动互联网成为可能Ⅲ。本系统使用的就是最新的无线网络技术GSM／GPRS

无线传输技术，来实现动态心电监护的无线网络化的81。

1．3课题设计的目标与内容

目前，以动态心电监护为目的的各类产品在我国已经有较大范围的应用，但

绝大部分产品功能单一，一般仅对病人的心脏活动作实时监测和异常心律的报警：

当然，也有“基于大容量存储器的动态心电监护仪”之类少量产品的出现，虽然

其能够将病人的心电数据记录下来，供医生进行再诊断，但这类产品提供的对外

接口一般为串口或USB口，并且是在关机断开导联线的情况下，借助PC通过

电话线进行数据的上传，因而这类产品的人性化设计极差，局限性很大(不能做

到随时随地)，没有什么实时性可言，也更谈不上其与医生之间的交互，并且大

容量存储器的引入，极大地增加了产品的成本，进而抬高了心电监护的开展成本，

及其不利于动态心电监护的普及。总之，就整体水平而占，我国的动态心电监护

开展的等级较低，整体水平明显与动态心电监护系统的发展水平及发展趋势脱

节。

本论文尝试将现代无线通信技术与传统的动态心电监护技术相结合，迎合监

测技术与仪器网络化的发展趋势，开发基于无线网络的远程动态心电监护系统。

系统的组成如图卜1所示。其由监护终端(便携式心电监护仪)；通讯网络或计算

机网络；监护中心站三部分组成。系统具备的功能包括：在不影响病人正常生活、

学习的情况下，对病人的主要心电参数进行实时的长时间监测，及时对病人异常

3

中南人中硕f‘宁伊论史 镐一事绪论

的心脏活动做出报警，并借助现有的无线网络，通过内霄的通信模块，将异常心

电数据上传至监护中心站：对于病人iE常的心电数据，监护终端进行间歇性地存

储，定时或存储器满时，上传之：病人也町随时通过终端上的液晶屏，实时观测

自己的主要心电参数值，这在紧急情况下可为医生的初期诊断提供参考；监护中

心站的心电数据库管理系统负责各终端上传的心电数据的接收和统一管理、心电

数据的浏览与再诊断，以及病人全天各心电参数极值的求取和变化趋势图的统计

等；此外，监护中心站也可通过无线网络及时将终端上传的心电数据的诊断结果

和医疗建议回传给相应监护终端。

图1-1基于无线网络的动态心电监护系统

因本系统是基于无线网络的，所以监护终端数据的上传可以在任何地点进

行，既便捷又具有较好的人性化，正真做到了不影响病人的正常工作与生活，又

因其可以在任何时间进行，所以实时性很好，并且不必扩展大容量数据存储器，

节约了监护的成本；因为两者均有通讯模块，病人和医生之间具有很强的实时交

互性：又因为监护中心站保存有病人大量的心电数据，做到了对其心脏活动状态

的长期追踪，所以使得医生的诊断结果更客观、更准确。

基于以上系统的组成和功能的实现，本课题的设计内容包括：

(1)适宜于本系统特点的相关特征点定位和心电参数值求取的程序没计；

常见心律失常的诊断。

(2)监护终端和监护中心站通讯方式的选取，以及两者问通讯的实现。

(3)心电监护终端的设计。主要包含两部分： ·

①监护仪硬件设计。a、心电信号的模拟电路处理部分，即心电信号的采集、

模拟滤波、放大等；b、微处理器及其外围电路部分，主要包含电源模块、存储

电路、无线通信模块、报警电路等。

②监护仪的软件设计。主要完成心率计算、早搏判断的软件实现、人机交

互的实现和电池电量的监控等。

1．4本设计可行性的研究与分析

基于无线网络的动态心电监护仪由三部分组成：心电采集电路、监测电路、

心电数据传输电路和无线网络系统。其中，无线网络由网络运营商提供，我们直

接使用相关服务即可。心电监护终端负责对病人心电数据的采集、处理和心律异

4

中南大学硕十学伊论史 第一事锗论

常的诊断。

当前的无线通讯的嘲络方式有多种，如GSM(Global Symem for Mobile

Communications，全球移动通信系统)网络、CDMA(Code--Division Multiple

Access，码分多址)网络，GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线

业务)无线网络等。本系统选取GSM短信业务和GPRS无线数据传输方式来实

现心电监护终端和监护中心之间的网络通讯。具体实现按如下方式进行：监护终

端上传心电数据使用GPRS无线传输方式进行。

(1)GSM短信息传输方式

GSM全球移动通信系统，是数字移动通信系统的先行者，它采用数字蜂窝

移动通讯技术，传输速度为9．6Kbps，使用的波段为900MHz和1800MHz。由于

GSM系统在全球许多国家之间有漫游协议，所以GSM用户能够漫游。

GSM的短消息就是通过GSM网络传输的有限长度的文本信息或ASCH码。

它的实现简单，具有通信成本低、频谱利用率高、系统容量大、业务种类多、抗

干扰能力强、国际自动漫游等优点。短消息利用信令信道传输，不用拨号建立连

接，直接把要发的信息加上目的地址发送到短消息服务中心，由短消息服务中心

再转发给最终的信宿，是目前应用最广泛的通信方案之一。

监护终端微处理器通过AT指令集”1来控制GSM MODEM进行工作。在AT

指令集中，每一条AT指令(hayes公司最先推出的调制解调器的命令，渐渐成为

一种标)都是以。AT”，开头，以《CR>结尾。下面我们以一个简单示例来说明

GSM短信的发送。具体的操作流程为：

AT+CSCA=。+8613800757665”：设置短信中心。

AnCSMS=l：设置短信服务类型。

A：r+cMGF=l(text格式)AT+CMGF=0(PDu格式)：设置短信格式。

AT+CMGS--“13647350666”(text格式)：指定目的地址、编写短信内容并

发送。

>HI(ODOA))+CMGS：112 OK至此，文本格式(te)【t)的“HELLO”短

信就发给了号码为13647350666的用户。

接收短消息的AT指令为：

AT+CMGR=I(text格式)：接收文本格式的短消息，或者使用指令：Ar+CMGL=0

或者AT+CMGL=I：取1：接收所有已读的；取O：接收所有未读的。

(2)GPRS无线数据传输方式

GPRS移动通信系统

GPRS．General Packet Radio Service，GPRS为通用分组无线业务”1的简称，

是欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据所规定的标准。GPRS具有充分利用

中南人中硕十学忙论文 第一章绪论

现有的网络、资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点。因为

GPRS充分利用现有的GSM网，使的运营商在全陶范围内迅速推出此项业务。

GPRS是目前阶段解决移动通信信息服务的一种较完荚、正在从应用实验到正式

推广的业务。与GSM CSD(CSD，电路交换数据业务)业务不同的是，GPRS

业务将以数据流量计费，而GSM CSD业务则以时间计费，GPRS这一计费方式

更适应数据通信的特点。此外，GPRS业务的速度较GSM CSD业务也将有很大

提高，GPRS可提供115Kbiffs(最高值为171．2Kbiffs)的理想传输速率，目前

一股为40kbiffs，下一代GPRS业务的最大理想速度可以达到384KNffs”1。

蓬)GPRS无线通信实现原理

我们按终端部分、服务器部分、通讯原理三部分进行介绍。

终端部分必须要有GPRS通信模块(通俗叫GPRSMODEM)，其可从专业移

动设备厂家购买。通过简单的硬件扩充即可集成到各种仪器仪表之中。单片机通

过RS．232串口采用AT命令集与GPRS通信模块进行数据交换01。终端部分的软

硬件具备后，还需要Internet ISP(Internet Server Provider互联网接入服

务提供者)提供Internet接入服务，ISP服务商提供终端动态IP(Internet

Protocol，互联网协议)或静态IP(静态IP运行费用稍高，一般采用动态IP)。

当监护终端和中心站服务器都己通过ISP服务商进入htcmet，都具有给独

立的IP地址(静态或动态)后，只需要使用一个没被其他协议使用的协议端口，通

过TCP／IP socket建立虚拟的通信逻辑通道，可实现数据通信。

通信的过程是客户端(监护终端)通过内置的GPRS Modem通过拨号连入

btemct。然后向中心站服务端(必须知道服务端的IP和使用的协议端口)发出链

路连接请求，而服务器端随时处于监听状态(一般使用多线程方式)，当监听到客

户端的连接请求后，建立通信链路，通信链路监立后就可上传数据了。

③GPRs基本工作流程

监护终端和中心站之『白】的GPRS网络无线通信的实质就是利用AT指令集来

控制GPRS MODEM以建立二者之间的无线GPRS通信线路。GPRS MODEM上

网的AT指令的设置流程：

Ar+WOPEN=l：开启TCPhP协议。

AT+CG^=兀’_l：GPRS网络注册指令，附着到GPRS网络上。

AT撑GPRSMODE=l：选择服务种类，若AT#GPRSMODE=0则激活GSM数据

模式，若A件GPRsMODE=l，则激活GPRS数据模式。

AⅣAPNsERV=“CMNET”：设置APN(Access Poim Name，接入点，手机

上网时必须配置的一个参)服务器(GPRS的提供者)。

AT#CONNECTl0NSTART：开始GPRS连接。

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中南人学硕士-学伊论文 第一章绪论

A=r#TcPSERV=“服务器IP”：设置欲连接的固定IP地址。

AT#TCPPORp“端口地址”：设置欲连接的端口号。

A胖OTCP：建立TCP链路。

(3)无线通讯功能的具体实现

要想让监护终端具有GPRS无线上网功能，只需在监护终端内置一个

GPRSMODEM即可。微处理器通过串口使用相关的AT指令集即可完成对它的

操作；而在监护中心站，只需要设置一个具有固定m、实时在线的服务器即可。

中心站管理系统为每一个监护终端分配一个独立的端口，这样就形成了“一个端

口对应一个监护终端”；此外，监护中心站的服务器还应该外连一个GSM

MODEM，以使其将诊断结果和医疗建议通过短信的方式回传给相应的监护终

端。监护终端数据上传的通讯格式如表1．1所示。

表1-1监护端数据上传通讯

l数据头 终端 数据 导联 数据报编号 心电数据 数据尾

标志 编号 类型 类型 ／异常类型 标志

其中，数据头和数据尾标志分别以“ST”，“EN”，标识；对“数据包编

号／异常类型”字段，当上传的是常规心电数据时，其标识的是该数据包在本次

数据上传的包编号，当上传的是异常心电数据时，该字段标识该心电数据的心律

异常类型。

确定网络的选取就可以将系统框架具体化，如图1．2。心电信号分析远程报

警传送主要包括信号引入的接口电路，分析电路，存储电路和无线网络通信模块。

图1-2基于移动通信网的远程监护系统架构

7

中南入学硕卜宁伊论文 第一章绪论

1．5本章小结

本文从课题的研究背景，远程心电监护的发展状况和趋势，以及无线通信网

络的结构着手系统框架的设计，这为心电仪的各部分电路设计，芯片选则提供了

理论支持的基础。

中南人学硕}学伊论文 第 章心I乜1卿’，心电信号处理皋础

第二章心电生理与心电信号处理基础

2．1心电生理信号

2．1．1心电信号的产生机理

心脏的主要功能足泵血以维持周身血液循环。泵血的过程牵涉两种类型的生

理活动，其一是心肌兴奋(excitation)，然后足心肌的收缩(contraction)，前者引发后

者，成为兴奋收缩偶联(excitation contraction coupling)[10]ojcl肌的兴奋是电学活动，

包括细胞膜的除极——复极的周期性规律，形成心电周期。心肌的收缩是机械活

动，包括肌纤维的收缩——舒张周期性规律，形成心动周期，可以说心脏的周期

性节律足由心肌电活动的生理功能所主宰的。正常的心脏电生理功能使心脏保持

正常的心率，心律失常本质上是由心电活动的异常引起的。研究心脏电活动的生

理——病理规律的科学，称为心电生理学。

在生物体内各组织和器官活动时，无不伴随有电的变化，这些电的产生与作

用统称为生物电现象，这是生物细胞活动和兴奋的重要标志。因此，心肌细胞在

其活动中，始终伴随着一系列的电活动变化。在一个心动周期中，要使心肌收缩，

必须使其兴奋，而产生兴奋刺激的来源足窦房结，它是心脏的主导起搏点，一束

心肌象一根电缆，由于局部己经被激动的细胞，其电位发生了变化，又由于心肌

细胞问在电学上是相互连接的，因而刺激了临近的细胞，于是激动沿着被兴奋的

心肌从一个心肌细胞向另一个心肌细胞传导。这样，就使兴奋不断的向周围扩布。

在静息状态下，细胞膜外散布着正电荷，极性为正。当某～部位受到刺激丽兴奋

时，正电荷迅速进入细胞，细胞膜内外的电荷发生逆转，膜外变为负电荷，这种

极化逆转过程，称为除极过程。因此，在心肌的兴奋过程向各方面作顺序扩布过

程中，假定心脏中兴奋部位的全部负电荷集中起来合成一负电中心。这样一对电

量相等，极性相反的电荷构成一对电偶“1’。它的电力作用可用负电中心指向正电

中心的电量表示。

人体内包含有多种电解质及体液，具有一定的导电性，是一个容积导体。

心肌活动(除极与复极)时，由心电偶产生的电场必然使电流自正极向负极流

动，电流也将贯穿的布满在整个体液中，此种导电方式“21称为“容积导电”。

心脏细胞的电偶极子在该容积导体的空『BJ中形成一定方向和大小的电场，所

有偶极子电场向量相加，形成综合向量，即心电向量。当它作用于人体的容积导

体时，在体表不同部位则形成电位差，通常从体表检测到的心电信号就是这种电

位差信号。当检测电极安放位置不同时，得到的心电信号波形也不同，于是产生

9

中南人学硕卜学伊论史 第：章心电卞理～心电信号处瑚璀础

了临床上不刚的导联接法，川时也使我们考虑有fI『能用体衷心电电位分布圈反推

心脏外膜电位即心电逆问题的求解。

在电激动的过程中，产生微弱的生物电流。正常情况下，心肌细胞在静息状

态时，细胞内的电位为一80～．90毫伏，心肌细胞活动时，电位迅速增高，可达+30～

+40毫伏；当细胞活动静止下来时，电位又逐渐降低，直至恢复到以前静息状态

时那样。在正常人体内，由窦房结发出的一次兴奋，按一定的途径和过程，依次

传向心房和心室，引起整个心脏的兴奋。因此，每一个心动周期中，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『日J等，都有一定的规律。这种

由大量心脏细胞有序活动产生的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，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的变化。将

测量电极放置在人体表面的一定部位记录下来的心脏电变化曲线就是目前I艋床

上记录的心电图(体表心电图)“”。心电信号经过传导衰减，反映在身体表面时

一般为毫伏量级的微弱电信号。

2．1．2心电传导途径

图2-1心电激动传播途径示意图

心脏具有其特有的传导途径，它位于心壁内，由特殊分化的心肌细胞构成，

其功能是产生和传导兴奋，维持和协调心脏正常节律。传导系统包括窭房结，结

间束，房宅结，希氏束，左、右柬支及其分支和浦旨野氏纤维“”，如图2．1所示。

中南大学硕t_宁伊论艾 第：章心电’t-理’J心ttt，．‘；处理基础

心脏电激动的正常传导途径为：窦房结～心房肌、三条结『flJ束～度室结～总

房室束、左、右束支及其分支～浦肯野氏纤维～心宅肌。

2．1．3心电信号的波形结构及其特点

通过体衷电位提取出的一15电信号属于强噪声背景下的生物电信号，它具有以

下几个主要特征：

(1)微弱性：从人体体表拾取的心电信号一般只有0．05～5mV；

(2)不稳定性：人体信号处于不停的动态变化当中；

(3)低频特性：人体心电信号的频率多集中在0．05Hz～100Hz之间；

(4)随机性：人体心电信号反映了人体的生理机能，是人体信号系统的一部

分，由于人体的不均匀性，且容易接收外来信号的影响，信号容易随着外界干扰

的变化而变化，具有一定的随机性。

2．1．4心电图各波的形态、时间及电压 、

心脏有两种活动，一为机械活动，一为电活动。心电图是心脏电活动的记录

与描述，其产生和心脏传导系统有关。

正常情况下，心脏的起搏点在窦房结。心脏起搏产生的激动从窦房结发出后，

传至心房及结间束，使心房除极，形成心电图上的P波。然后，激动经房室交界

区与左、右束支进入心内膜下层的浦氏纤维，使心室壁由里向外进行除极，形成

QRS波群，T波为心室的复极波。正常人体表完整心电波形如图2．2所示

(1)P波为左、右心房除极所产生的波形，大体上前半部为右心房除极、

后半部为左心房除极所产生，正常P波形态为光滑馒头状，其振幅(高度)为0．05～

0．25毫伏，时间为0．06～O．11秒。

(2)PR(PQ)间期为心房开始除极到心室开始除极所需要的时问，正常值

为0．12-0．20秒，平均0．16秒。

(3)QRS波群代表左右两心室的电激动过程。典趔的QRS波群有三个相

连的波动：第一个向下的波为Q波，它反映了室问隔兴奋，并由左向右扩布：

随后向上的狭窄尖脉冲波称为R波，它反映了左右心室兴奋过程；第三个波是

向下的s波，它反映了心底发生的兴奋。这三个波紧紧相连，而且反映的都是心

室的激动。所以合称QRS波群。

QRS波群时间，即宽度为0．06～0．10秒，多在O．08秒左右。

QRS波群振幅，即电压或高度：正常时标准I导联的R波振幅(＆)<1．5毫伏，

R—sIII<2．5毫伏，RaVL<1．2毫伏，RaVF<2．0毫伏，RV5或RV6<2．5毫伏。

中南人中硕卜学伊论艾 第：章心电’珲‘，心电信号处卵錾础

R

1／10R

图2-2正常人体体表心电图

(4)ST段指QRS波群终点到T波开始一段，是自心室肌全部受到激动

(产生QRS波群)以后，至心室复原再度在体表产生明显的电位差(T波)之

前的一段平线。在正常范围的心电图中，ST段可能较等位线稍高或略低。正常

ST段压低(即向下偏移)不应超过0．05mV。ST段电压过低提示心肌缺血。

(5)T波T波表示心室复极波，它足继ST段之后的一个幅度较低而占时

较长的波。T波由基线慢慢上升达到顶点，随即较快速下降，故上下两肢不对称，

倒置的T波也是如此，但T波不应低于R波的1／10。

(6)U波在T波之后有时可以看到一个很小的正向波，它衷示心肌激动

的后继电位变化。U波的电压为0．05～O．2mY，一般不超过0．2mY，约相当于

同导联T波电压的1／10。U波时限为0．16～O．25s，平均O．2s。

2．2心率失常及其危害

2．2．1心律失常

正常的心脏，其激动发源于窦房结，并沿一定的传导部位，在一定的时I’日J内

进行传导。若激动的起源异常，或者足激动的传导速度异常，便产生心律失常。

激动起源异常，分为寞性心律失常和异位搏动(或异位心律)。激动传导速度异

常分为传导阻滞及房宅间传导途径、速度异常(或心室内应激性失常)。

12

中南人学硕卜学伊论文 第：章心电牛珲‘j心电信号处理摹础

正常人心脏激动发自寞房结，频；棼为60-100次／分，心律整齐，称为实性心

律。如窦性心律的频率超过100次／分，称为窦性心动过速；如寞性心律低于60

次／分，称为窦性心动过缓；如果窦房结发出的激动节律不匀齐，称为实性心律

不齐。

若激动不时源于窦房结，而是从心房、房结室、心室等异位节奏点发出，称

为异位搏动。如果异位搏动连续发生三次以上，便称为异位心律。如果窦房结的

自律性降低，或不能按时发出激动，或寞房结发出的激动传导受阻时，异位起搏

点便发出激动以维持心脏搏动，称为被动性异位搏动(或心律)，例如房性、结

性或室性逸搏(或逸搏性心律)等。如果异位起搏点的自律性增高，不待窦房结

的激动达到，就抢先发出一个或者一系列激动，称为主动性异位搏动(或心律)，

例如早期收缩、阵发性心动过速、扑动和纤颤等。

心脏的激动或不能按正常的速度和顺序到达各部位，称为传导异常。传导异

常中，一类是生理性的(即干扰和干扰性房室脱节)，一类是病理性的(即心脏

传导受阻)。当心脏发出一个激动使某一部分兴奋以后，第二个激动接踵而来，

但由于该部分尚处于反拗期(即处于生理不应期)，应而第二个激动便不能传入

该处，这种现象称为“干扰”。。干扰”可发生在心脏的任一部位，但最常见的是

房室交界出。若“干扰”连续发生三次以上，便成为“脱节”，例如干扰性房室

脱节。干扰和干扰性房室脱节是一种生理现象。由于心肌不应期延长所引起的传

导障碍，称为心脏传导阻滞，它可以发生于心脏的多个部位；发生于窦房结与心

房肌之间称为。窦房传导阻滞”，发生于心房内称为“房内传导阻滞”，发生于房

室交界区称为“房室传导阻滞”，发生于房室束支称为“束支传导阻滞”。

激动起源异常伴有激动传导异常，如异位心律伴传出阻滞、反复心律和并行

心律等。预激症候群是由于房室问异常传导径路引起，属于传导异常一类，故亦

归纳在内。

心律不齐在心电图上的可以很清楚看到QRS波分布不均匀，如图2．3所示。

图2-4是一位年龄47岁男性心脏病人的心电图，房颤，频发室性早博，右心室肥

大。在导联II中可以清楚看到心律不齐，在第九次心跳时出现早搏。图2．5是位

年龄29男性病人的心电图：窦性心动过缓，交界性逸搏，心律窦性夺获二联律，

伴有室内差异性传导(非室性早搏)。

2．2．2早搏的危害

心脏早搏是老年人中最常见的心律失常之一。它足指在正常规律的心跳(叫

窦性心律)和脉搏搏动情况下，发生了提前的或额外的心脏异位搏动(或脉搏跳

动)，故早搏又可称之为期Ii{『收缩(或称额外收缩)，也称之为心脏的早搏或俗称

为早跳。从生物电信号角度的解释是，窦房结之处的心脏组织(窦房结附近的自

中南人中硕十学伊论文 箱 亭心Ln牛珲‘I心电信弓处理摹础

律t牛细胞)，在安房结以lE常节奏产生兴奋之前抢先激动，控制心脏的电活动，

就会使心脏在没有充分放血液充盈之前，提前收缩一次。如果搏动的产生部位在

心室，即为室性旱搏；如早搏产生在心房，就是房性早搏。室性早搏比房性早搏

更多见，为l临床上最常见的心律失常。早搏的原因较复杂，成年人几乎100％都

发生过早搏，但不一定都有心脏器质性疾病，故早搏的原因可分为功能性和器质

性两类：①功能性早搏多为心脏病以外的因素，如紧张、激动、疲劳、缺氧及吸

烟、饮酒、浓茶、咖啡等诱发，某些疾病如感染、肠道疾病或肾石发作、甲状腺

病、电解质(如血钾、血镁等)或酸碱的失衡，以及对心脏有影响的药物或心导

图2-3心律不齐

14

中南人学硕十学伸论文 第4章心电乍珲‘I心电信号处珲轼础

图2-4早博·o电图

图2-5早搏心电图

管介入性心脏诊治等均可引起早搏。待病因一一消除，则早搏可自行消失。

②器质性心脏早搏，老年人尤多见，它可以发生于各种类型的心脏病，如冠心病、

高血压病、肺心病、心肌病、心肌炎、风心病、先心病等，故对老年人的早搏更

应注重和监测其变化。

心脏整齐、规则的跳动，主要是搏出血液满足全身组织器官的需要。发生早

搏，尤其是室性早搏，可使心搏出量减少，心脏负荷增大，心室变大，导致二尖

瓣关闭不严，从而引发更严重的心脏疾病。但是，每分钟少于6次的早搏，对身

体健康几乎无影响。偶发房性早搏，所减少的冠状动脉血流量仅为5％，偶发室

性早搏减少12％，两者对脑循环均无影响。每分钟多于6次的频发早搏，情况

就两样了，它可减少冠状动脉血流量达25％左右，减少脑循环血量8一12％，减

少肾循环血流量8一lO％，这样对健康就会带来一定的影响。但是，关键在于有

无器质性心血管疾病。如果有，那么频发早搏会导致心肌缺血、心绞痛或心力衰

竭。频发房性早搏常为心脏病人发生心房颤动的前驱，频发室性早搏可发展为室

性心动过速，甚至心室颤动而猝死。

若早搏发生频繁或呈多源性者，常是病理性的表现。见于动脉硬化、冠心病、

中南入学磅{一学伊论文 篇‘审,C,tEq王甲‘J心电信号处理轼础

风湿璃，病毒性心肌炎以及某嵝药物(如洋地黄、夸尼丁、锑剂等)的影响。急性

心肌梗死病人出现室性早搏，可发展成宅性心动过速或童颤，应作紧急处理。二

尖瓣病变出现房性早搏，易发展成房颤。如出现Ront现象，易引起心室颤动，

应予注意例如频繁房性早搏发生在风，C,--尖瓣狭窄，缩窄性心包炎、甲亢病或冠

心病者，可能是心房颤动的前兆。所以，对于心脏早搏的研究和预防，在临床上

是很有实际意义的。

2．3心电检测的几种导联方法

2．3．1常规心电图导联方式

心电激动通过容积导电传至身体各部位，并在两个不同位置产生电位差，将

两电极置于人体的任何两点与心电图机连接，就可描记出心电图，这种放置电极

并且与心电图机连接的线路，称为心电图导联“”(1ead)。常规心电图的常用导

联如下； ·

一、标准导联连接方式如图2-6所示，这一套导联方法之所以称为“标准

导联“7h，并不是因为它比别的导联方更为严谨、科学，而是由于1905年Einthoven

在首创临床上描记心电图时就采用了这种方法，标准导联亦称双极肢体导联，反

映两个肢体之『BJ的电位差“”，即现在的I、II、III导联。

Einthoven把人的躯体简单地看作为一个导电性能均匀的圆形平面，他根据

这一假说选用了人体的三个肢体(左、右上肢和左下肢)作为安装电极的位置，

从而形成了这三个导联：

(1)l导联：正极接左上肢，负极接右上肢。

(2)II导联：正极接左下肢，负极接右上肢。

(3)III导联：正极接左下肢，负极接左上肢。

16

I

中南大学硕卜学伊论之 第：章心电t珲‘J心电仨弓处押馨础

图2-6标准导联的连接方式

二、单极肢体导联与加压肢体导联在20世纪40年代，Wilson又发明了“单

极导联”，后经改进形成了单极肢体导联，即使左、右上肢和左下肢的三个电极

各通过一个电阻并联接到一个点上，该点称为中心点端，电位接近于零，与心电

图机的负极相连，将右上肢，左上肢和左下肢分别连接于心电图机的正极上，就

得到了单极肢体导联VR VL，VF。但是这样得到的电位幅度较低，不利于观察，

Goldberger便创造了单极加压肢体导联。其中探查电极(exploring electrode)接于

正极，无干电极(indifferent electrode)接于负极。

(1)aVR探查电极与右上肢连接，无干电极连接左上肢与左下肢。

(2)aVL探查电极与左上肢连接，无十电极连接右上肢与左h肢。

(3)aVF探查电极与左下肢连接，无干电极连接左上肢与右上肢。

三、心前导联Wilson在30年代所倡导使用“单极心Jii『导联”，即V1-V6，

把探查电极放置在胸前的一定部位，也称单极胸导联，如图2．7。这类导联的探

查电极距离心脏很近，因此心电图波形振幅较大，能从小同角度反映心肌的电激

动。常用的几个胸导联位置有以下六种。

(1)VI：胸骨右缘第四肋『日J。

(2)V2：胸骨左缘第四肋间。

(3)V3：V2，及V4之中点。

(4)V4：左锁骨中线与第五肋间相交点。

(5)V5：左腋前线与Va同一水平线相交处。

(6)V6：左腋中线与va同一水平线相交处。

图2-7胸导联探查电极的位置

2．3．2动态心电检测导联方式

在常规心电图机的基础之上发展起来的动态心电图系统“喇，其导联参照了

17

中南大学硕卜宁忙论史 第‘事心电生理与心电信号处理摹础

常规心电图导联的体衷定位，霄放与常规心电圈各导联相应或相似的体衷位霄贴

附电极，并以导线将电极与心电信号输入通道相连结，记录动态心电图。目前的

动态心电图多采用双极导联系统，动态心电图常用双极导联如图2-8所示。

(1)CMl导联(模拟vl导联)：正极位于胸骨下段第四肋骨水平(近似于

Vl位置)，负极位于胸骨柄。

(2)CM2导联(模拟V2导联)：正极位于V2位置，负极位于胸骨柄。

(3)CM5导联(模拟V5导联)：正极位于V5位置，负极位于胸骨柄。

(4)CC5导联：正极位于V5位置，负极位于V5R位置。

(5)MavF导联(模拟avF导联)：正极位于左腋线第9-10肋问，负极位

于右锁骨下窝中外1／3处。

(6)MII导联(模拟II导联)：IF极位于左腋线第9．10肋间，负极位于胸

骨柄。无关电极通常置于胸骨下段V5R位置。

CMl／cM5，cC5 CM2，cM5，cC5 CM5／MavF，MlI

A B C

图2-8动态心电图常用导联⋯

红

棕

2．3．3动态心电图与常规心电图的差异

常规心电图机与动态心电图机要求病人在静态下临床测试，故波形清晰，

干扰很少，由于它有十二导联，能确定心肌缺血的准确部位。但是它仅能记录受

检查昔处于静态时的且为时甚短的心电资料，检查过程仅数分钟，记录的心率一

般仅数十次，尤其对于一过性心律失常和心肌缺血不宜发现，对于受检者在睡眠、

各种活动、体育活动、工作劳累或情绪激动等特定状态下出现的心电变化无法记

录。

动态心电图的心电检测和记录可在人们日常活动中进行长时间连续进行，弥

{l'-f常规心电图检查的不足，大大地提高了疾病的检出率。但是，也由于它本身

的这一特点，其导联设置不能像常规心电图机那样自由。实际上，为了使安装、

携带方便可靠，通常将动态心电图的电极安装在胸壁上。这样一来，就不町能有

18

中南入学顾十学伊论文 第：事心电牛理与心电信号处珲葛础

真正意义上的肢体导联，所以记录的波形在理论上无法和常规心电图相比较，其

中差别最大的是和左腿仃关的导联，原因是在躯干上很难找到电位近似左腿而又

便于安装电极的部位。由于部分电极在动态心电检测时的安装部位的限制，使它

检测到的波形与常规心电图相比．总存在差异。此外，动态心电图的工作环境比

常规心电图复杂，各种干扰更强，也是动态心电图与常规心电图存在差异的又一

原因。

临床上，动态心电图机在测量ECG时，导联电极不易安放在手腕和脚腕处，

而是等效地安放在病人的胸腹区域。虽然安放位置不同，但它们是等效的，其定

义也是相同的。因此，监护仪中的心电导联与心电图机中的导联是对应的，它们

的极性相同，波形基本一致。

实际上，动态心电图主要关心的是心电图的动态变化，而不是用作疾病的定

位诊断，因此，从这一观点出发，就没有必要过多地考虑导联、波形、判断标准

等与常规心电图保持一致的问题，动态心电图应该可以具有适合自己的标准。

2．4心电信号的频谱特。性的噪声分析

心电信号的能量分布陶’如图2-9所示。

相对功率

O 5 t0 15 20 25 30 35 40 45

频率(Hz

图2-9心电信号的能量分布图

由图可知，心电信号频谱“1主要集中在1～25Hz范围内，其它频率成分很

弱。美国心脏病协会对动态心电图规定一3dB带宽为0．5～100Hz。上限的设定是

为了排除肌肉和电噪声，上限不能太低，否则就会使波形在快速转变部位处的幅

度减低如R波峰，以及切迹消失(对心梗有重要诊断作用)；下限的设定是主要是

为了减少由呼吸引起的基线漂移，下限不能太高，否则可降低R波幅值，这可

能使ST-T产生显著改变，易导致心肌缺血的错判。

19

中南人学砌}学伊论文 箱‘章心电t珲‘l心电信号处押轼础

人体心电信号是一种弱电信号，信噪比低。一般正常的心电信号频率范围为

0．05～100Hz，而90％的心电信号(ECG)频谱能量集中在0．25～35Hz之间。

采集心电信号时，会受到各种噪声的干扰。西1，噪声来源通常有下面几种：

(1)工频干扰50Hz工频干扰足由人体的分布电容所引起，工频干扰的模

型由50Hz的正弦信号及其谐波组成。幅值通常与ECG蜂峰值相当或更强。

(2)电极接触噪声电极接触噪声是瞬时干扰，来源于电极与肌肤的不良

接触，即病人与检侧系统的连接不好。其连接不好可能是瞬时的，如病入的运动

和振动导致松动；也可能是固定的，检测系统不断的开关，放大器输入端连接不

好等。

电极接触噪卢可抽象为快速、随机变化的阶跃信号，它按指数形式衰减到基

线值，包含工频成分。这种瞬态过渡过程可发生一次或多次、其特征值包括初始

瞬态的幅值和工频成分的幅值、衰减的时间常数；其持续时间一般约1秒左右，

幅值可达记录仪的最大值。

(3)人为运动人为运动是瞬时的(但非阶跃)基线汹1改变，由电极移动

中电极与皮肤阻抗改变所引起。人为运动由病人的运动和振动所引起，造成的基

线于扰形状可认为类似周期正弦信号，其峰值幅度和持续时间是变化的，幅值通

常为几十毫伏。

(4)肌电干扰(EMG) 肌电干扰来自于人体的肌肉颤动，肌肉运动产生

毫伏级电势。EMG基线通常在很小电压范围内，所以一般不明显。肌电干扰可

视为瞬时发生的零均值带限噪声，主要能量集中在30Hz～300Hz范围内。

(5)基线漂移和呼吸时ECG幅值的变化基线漂移和呼吸时ECG幅值的

变化一般由人体呼吸、电极移动等低频干扰所引起，频率小于5Hz；其变化可视

为一个加在心电信号上的与呼吸频率同频率的正弦分量，在O．015～0．3Hz处基

线变化变化幅度约为ECG峰峰值的15％。

(6)信号处理中用电设备产生的仪器噪声啪1心电信号是由人体心脏发出

的极其精密、相当复杂并且有规律的微弱信号，外界干扰以及其它因素的存在都

会使其变得更为复杂，要准确地对其进行自动检测、存储、分析却是一项十分艰

巨的任务。例如，工频干扰信号对心电图的影响会使心电信号的特征点定位变得

十分困难。因此，心电信号的监视、分析必须在建立在有效抑制各种干扰、检测

出良好的心电心号的基础之上，合理运用微处理器和计算机进行心律失常等的分

析与诊断。

2．5动态心电仪的国内外发展概况、种类及其优缺点

动态心电图仪从1961年应用于临床以来，仅仅40年便得到了迅速发展。目

中南大学硕卜学伊论史 第 争心电牛珲～心电信弓处珲基础

前，动态心电图学已成为现代临床心电图学的一个重要发展分支。由于动态心电

图是在人的日常活动过程中，长时间地不断地记录到的，因此可获得各种情况下

的心电图形Ⅲ1。既有休息、睡眠时，也有工作、运动时的图形；既有情绪安静、

舒畅、欢乐，也有紧张、激动、愁闷时的记录j甚至还会记录到意外状态中的图

像。

这样它就能发现常规心电图检查不易发现的短暂心律失常和一过性的心肌

缺血，并且还能进一步计算出它们发作的颇率和分析引起它们发作的条件。因此，

动态心电图有助于诊断心律失常和心绞痛，而且不但能作定性的诊断，还能作出

定量的诊断；有助于鉴别胸痛、心悸、头晕和昏厥是否由心肌原因所引起；可作

为心肌梗塞病人康复期的监测；可用于细致研究抗心律失常和抗心绞痛药物的疗

效；也用作观察人工心肌起搏器的治疗作用及所引起的心律失常，从而大大地提

高了临床心电图诊断的价值。

此外，由于动态心电图能比较不同生理或病理状态下的心电图变化，还可用

于医疗科学研究，例如取得正常情况下的各种心电图数据，与特定状态下的相应

数据进行对比分析等。可见它的用途是相当广泛的。它的应用范围日益扩展，其

设备也不断更新。目I箝应用的动态心电图机，在记录、分析功能和结果显示方式

等方面与20世纪60年代比较，巳有了极大改进，性能大大提高、操作更为简便，

诊断更为准确，它已成为心脏病领域中常用的一项常规检查，而且已经受到临床

各科医师们的高度重视。

我国于20世纪70年代末期开始从国外引进动态心电图仪，在临床上开展动

态心电图的检查工作。目前全国各大城市的主要医疗单位都已能进行此项检查并

积累了不少经验。20世纪80年代初我国有关单位科技人员研制成功了我们自己

的动态心电仪。到目前为止，我国已生产了高中低档各种类型的动态心电仪，有

的已达到国际先进水平。更可喜的是，经过广大科技人员的努力，我国已生产出

适合于我国国情的特别适合广大中小医院使用的动态心电仪。

从动态心电仪发明以来，只有短短的40年，由于它在临床上的重要作用，

各国都投入了大量人力和物力进行研制，发展十分迅速，种类也不断增加，功能

不断增强，大致可按如下方式进行分类：

(1)按记录介质分类，分为两大类啪1。磁带式记录仪：早期Holter—tb电仪

全部是磁带式，由盘式磁带发展为盒式磁带，其优点是记录量大，缺点是精度低，

维护困难，集中分析信息时间长。固态存贮器记录仪：随着超大规模集成电路的

发展，近几年来出现了固态存贮器记录仪，其优点是精度高，不需维护，寿命长，

缺点是目前价格仍较高。

(2)按信息记录方式分类，分为两大类。

2l

中南大学碗卜宁伊论定 第二章心电牛理‘j心电信号处理取础

全信息记录仪：将全部采样信息部存下来。由于要求存贮容量太大，以韵部

采用磁带记录，随着超大规模集成电路技术发展，目前逐步被同态存贮器代替，

但价格较高。另外还有一种准全信息记录仪，利用数据压缩技术，回放时再恢复，

波形保真度比全信息差，但能满足临床需要，价格比全信息低。我困高档动态心

电仪一般采用准全信息记录仪。

选择信息记录分析仪：都是采用固态存贮器，它的原理足采用电脑对心电信

息一边采样一边分析，应用最优算法和自适应技术，把有临床价值的心电波形保

存下来并进行分类，而把正常的心电波形丢掉，这样就可节省大量存贮器，大大

降低了心电仪成本，而并不影响对疾病的检测诊断。由于我国经济还不发达，人

民生活水平还不高，我国人口众多，心脏病人数量很多，从我国国情出发，目前

我国生产的动态心电仪绝大多数足选择信息心电仪。

2．6本章小结

本章首先描述了心电信号产生的机理和心电图结构的分析，并着重描述了早

搏的危害，为后期心电分析电路以及软件的设计提供了理论支持。然后对目前动

态心电仪的发展做了叵Jl顾，并简要分析其优缺点，从而明确本设计的目和意义，

最后根据心电信号的噪声来源，为后面实现心电信号的采集以及心电波形的监测

和报警动作提供理论基础。

根据本章节内容确定心电仪设计构成框架，在后面的章节中依照心电信号的

传导途径以及最后远程报警和数据传输的实现加以描述。

中南人学硕十中伊论文 第一节心电数据传输疗棠

第三章心电数据传输方案

3．'心电数据远程传输方案

据统计全世界死亡人数中，约有三分之一死于此类疾病，很多病人由于没能

及时发现病变从而延误了治疗，死于非命。法国每年有170000人瘁死于心脏衰

竭。一个更有代衷性的数字是每年32％的死亡都源于心血管病(法国国家经济研

究与统计学院2002年数据)。据中国卫生部1999年对包括北京在内的35个城市

的统计，中国每年因心血管病而死亡的比例是39．6％，死于心脏病的比例是

17．28％。医学实践表明，对猝发性心律失常患者，如果能够及早发现心律失常

先兆，可以及时采取抢救措施，其中70％～80％的患者可以避免死亡。然而近

几年来，天津市对lO大疾病的发病率和死亡率进行调查，结果表明心脏病的发

病率和死亡率年年都居首位，而心脏病的医院外(包括家中和工作场所)的死亡

率约占70％。

所以，最重要的是建立一套完整且行之有效的监护和急救体系，实现实时监

护，当病人一旦出现状况医生能在第一时间采取行动。然而目前的心电数据传输

方式却不能满足这一要求。

3．1．1目前心电数据传输方式

到目前为止，国内外已经研发出了各种各样的便携式心电监护产品。这些便

携式心电监护仪将心电信息传送到医院的传送的方式主要有以下几种：

(1)由病人将记录盒送到医院这种方式使病人来回奔波，很不方便，且

得不到医生的及时指导和治疗。

(2)病人通过固定电话将心电信息传送到医院这种传输方式基本为声耦

合方式嘲，即将O．5Hz．100Hz的心电图经过频率调制到语音频段后再通过电话话

筒送出，在医院中心经过反变换恢复心电图数据。声藕合方式使心电信息的失真

较大，容易造成误诊，且病人只能在家

中进行监护。

(3)用无线发射器将心电信号发射出去这种方式的传输距离很近，一般

在医院内部用作床边监护。

(4)采用USB(Universal SerialBus，通用串行总线)接口的闪存数据盘，

兼具快闪存储器和USB接口的优点，能快速地与计算机或其他用户进行数据交

换。能方便地传输、交换、携带各种数据，可靠性与抗磁抗震性能优越，数据能

长时间保存并能够经受住高空落下等各种情况而造成的撞击，数据盘还兼容各种

中南人，产缔}。学伊论艾 第一事心In数据传输方案

操作系统片能当成启动盘柬使用。USB接口闪存数据盘较低的价格也容易被用

户所接受。尽管这样，数据的传输还是需要将心电采集仪与PC机连接然后进行

传输，不能进行实时分析。

3．1．2心电数据无线传输方案的确定

我们在心电信号传输方案的考虑到手机的日益普及，如果用手机来传输心电

信号，那么，心电监护将不受时间、地点的约束，患者可随时随地记录自己的心

电信号，然后通过手机将心电信号传送到医院，医生可对患者进行及时的指导和

治疗。便携式心电监护仪数据传输方式设计应考虑一下几点因素：

(1)应采用无线传输方式。为了方便病人的饮食起居以及外出活动，检测

数据采集点位置不固定，实现快捷、安全和可靠的数据传送，决定了采用无线传

送的方式。这样基本不影响病人的生活质量。

(2)信息传输距离比较远、环境复杂。病人外出可能在公园散步也、可能

在商场购物、可能在交通工具上等等情况下出现状况，位置地理条件决定了在心

电信号选取无线传输方案时必须采用接收面积广、受外界干扰小的无线数据传输

技术。

(3)信息类型基本为文本和数据，不同信息类型采取不同的传输模式。心

血管出现异常情况时心电仪检测到后即时报警并根据异常情况的不同可以采用

文本信息显示和传送，因此，信息量也不是很大。同时，信息量的大小决定了数

据在传送中占用数据通道的时间和数据流的连续性。从现场要求来看，首先要能

传送文本就能够满足现场需要。

(4)对数据传输的安全性、可靠性要求商；系统应实现双向、全天候工作。

设计心电检测数据无线传输系统的一个仞衷就是解决数据传送得快捷性，最大限

度上解决人工传送所具有的弊端，并且一定要保证检测数据的真实可靠性。同时，

病人出现异常时需要医生的指导，确保病人或者病人身边的人能和医生在第一时

『B】能联系上可能，因而也要求系统能够双向数据传输，减小系统受自然环境的影

响，抗干扰能力强。

(5)系统的兼容性和升级空间。动态心电监护检测设备更新换代也是随着

科技水平和电子技术的发展不断前进的，因此，要求在采用哪种无线传输方案时

应充分考虑系统的兼容性和预留出系统升级空『日】。

基于以上五点分析，本心电监护仪的心电数据传输方案确定采用GSM／GPRS

无线传输方式。

3．2 GSM数字蜂窝移动通信系统

中南人中硕卜学伊论史 第■章心电数据传输方寨

过去的卜年足个人移动通信飞速发展的十年。1982年欧洲邮电主管部门会

议(CEPT)为歼发第二代数字蜂窝移动系统成立了泛欧数字蜂窝移动通信网，

简称GSM系统㈣。GSM原意为“移动通信特别小组”(Group Special Mobile)。

随着设备的开发和数字蜂窝通信网的建立，GSM逐步成为欧洲数字蜂窝移动通

信系统的代名词。GSM重新命名为“Global Sygem for Mobile Communications"，

成了“全球移动通信系统”的简称。

3．2．1 GSM系统概述

80年代以来，世界各国加速开发数字移动通信技术，其中采用TDMA(Time

Division MdtipleAccess，时分多址)方式的代表性制式有泛欧GSM／DCSl800、

美国ADC和日本PDC等数字移动通信系统。从1990年，GSM第一期规范制定、

系统试运行，到现在GSM第二期规范的使用，GSM系统得到了快速发展。GSM

系统的主要特点如下啪1：

(1)具有开发的接口和通用的接口标准；

(2)用户权利的保护和传输信息的加密；

(3)支持电信业务、承载业务和补充业务；

(4)具有跨国漫游功能；

(5)容量增大为模拟系统的3～5倍；

(6)频谱效率；

(7)抗干扰能力强，覆盖区内通信质量好；

(8)每个基站只能覆盖宏小区(r0=0．5～35km)；

3．2．2 GSM系统的基本组成原理

GSM系统咖1由许多功能单元组成，由图3-1的系统结构可以看出，整个系统

可以分为三个相互独立的子系统，其中基站子系统(BSS)在移动台(MS)和

网络子系统(NSS)之『日J提供和管理传输通路，特别是包括了MS与GSM系统的

功能实体之间的无线接口管理。”。NSS必须管理通信业务，保证MS与相关的

公用通信网或与其他MS之间建立通信，也就是说NSS不直接与MS互通，BSS

也不直接与公用通信网互通。通过A接口和Um接口，MS、NSS和BSS组成

GSM系统的信息传输实体部分。

中南入学硕+J学伊论文 镐i节心电数据传输疗案

!一蕊⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

OSS：操作维护子系统

NMC：网络管理中心

PCS：用户识别卡个人化中心

VLR：来访用户位置寄存器

EIR：移动设备识别寄存器

PDN：公用数据网

MS：移动台

BSS：基站子系统

DPPS：数据处理系统

OMC：操作维护中心

HLR：归属用户位置寄存器

BSC：基站控制器

PSTN：公用电话网

图3-1GSM系统结构

NSS：网络子系统

SEMC：安全性管理中心

MSC：移动业务交换中

心

AUC：鉴权中心

BTS：基站收发信台

IsDN：综合业务数字网

3．2．3 GSM提供的服务

GSM数字移动通信系统足一种多业务系统。”，能提供许多种不同类型的业

务。主要有以下四种：

(1)电话业务GSM数字移动通信系统所提供的业务中，最莺要的是电话

业务它为数字移动通信系统的用户和其他所有与其联网的用户之问提供双向电

话通信。全世界范围的任何固定电话用户只要是与公用电信网络相连，就能够与

数字移动通信系统内任何移动用户通话，即使是专用网的用户。随着手机的日益

普及，使移动电话成为人与人最重要的通信手段。同时电话业务还引出了紧急呼

叫和话音信箱两项业务。

(2)数字业务在开始制定GSM数字移动通信体制时就已经打算按ISDN

(综合数字业务网)的模式提供各种数字业务，因此，现在GSM数字移动通信

系统的数字业务基本上包括了大部分为固定电话用户和ISDN用户提供的数字业

务。

根据使用数字业务的对象将其分类为以下几种：与PSTN(Public Switched

Telephone Networ,公共交换电话网)用户相连的数字业务；与ISDN用户相连的

数字业务；GSM用户之『B】的数字业务；与分组交换数据通信网用户相连的数字业

中南大学碗{_学忙论史 第■聿心【U数据传输疗棠

务；与电路交换数据通信嘲用户相连的数字业务。

(3)短消息业务短消息业务(SMS)是GSM系统提供给用户的一种数字

业务，也是其核心业务。短消息业务与语音传输及传真一样，同为GSM数字蜂

窝移动通信网络提供的主要业务中心完成存储和前转功能，每个短消息的信息鼍

为160个ASCII字符。传送短消息业务的控制信道为专用控制信道(DCCH)。

DCCH为点对点双向控制信道，包括独立专用控制信道(SDCCH)，快速随路控

制信道(FACCH)和慢速随路控制信道(SACCH)。短消息业务的传送足在独立专

用控制信道(SDCCH)或慢速随路控制信道(SACCH)上进行的。每条消息的传送

都是通过短消息业务中心(SM．SC)，它是GSM网络和其他固定或移动网络之问

进行数据通信的控制单元。短消息服务是GSM系统中唯一不需要建立端到端信

道的业务。因此，即使移动台已经处于电路通信状态，还能同时实现短消息业务。

GSM系统提供的短消息业务可以让网络端知道被叫方是否收到所发的消

息。如果传送失败，被叫方没有回答确认消息，网络会保留所传的消息，一旦网

络发现被叫方能够叫通时，就可以重发消息以确保被叫方能够收到，而且主叫方

还能够知道发送是否成功，即具有覆盖范围广、在线保持后不需再拨号自动传送、

费用低廉、稳定性高等优势，特别适用于需频繁远距离传送小流量数据的领域。

(4)补充业务补充业务修改和添加了基本业务。主要足允许用户能够按

照自己的需要改变网络对其呼入呼出的处理，或者通过网络向用户提供某种信息

让用户能够智能化的利用一些常规的业务。绝大多数移动通信网的补充业务是直

接从固定电信网中继承过来的，因此这些业务并不是专门为GSM数字移动通信网

或其他蜂窝移动通信网设置的。

3．2。4 GSM短消息技术

GSM短消息业务日益受到广大用户的欢迎，最近在英国短消息的业务量已

经达到了每月l亿条”⋯。随着越来越多的用户认识到，除了优良的话音质量以

外GSM还有更多的好处，这些业务便会发展得更快，短消息必将成为GSM通信中

的重要组成部分。

短消息业务不占用话音通信的信道，它与话音传输及传真一样，同为GSM

数字蜂窝移动通信网所提供的主要电信业务。它通过无线控制信道进行传输，经

短消息业务中心完成存储和前转功能．每个短消息的信息量限制为140个8位组。

作为GSM标准整体的一部分，部署短消息系统能即时向广大的GSM用户提供

蜂窝移动数据通信和信息业务，并具有保护基础投资和业务可持续等优点。

新的GSM短消息业务协议正在设计之中，期望在客户端软件实现更高级的

功能。这些功能包括支持消息链接(允许一次交互能发送多达255个消息)和支持

在SMSC中产生和修改分发列表(达到大大提高短消息吞吐量的目的)。另外还

中南人中硕}学伊论文 第■蕈心电数据传输方案

有一些研究项目正尝试用SMS柬传代TCP／IP的可能性，为带宽要求较低的应

用增加移动性。因此，短消息业务不论现在还足将来部有{}常广的应用Ij{『景。

(1)短消息服务的工作原理。SMS使用SS7信令信道⋯1来传输数据分组，

因此允许用户在做一个话音或数据呼叫的同时接收一个文本消息。

同时，SMS是目前GSM网内唯一采用分组方式的数据业务。一个活跃移动

台应该能够在任何时候发送和接收一个短消息的传输协议数据单元(TPDU)，不

管当时业务信道上是否有正在进行的话旨和数据呼叫。SMS网络结构的主要部

分见图3-2所示。

在确定一个移动台终结短消息的路由时，SMSC把短消息转发到短消息业务

网关移动交换中心(SMS--GMSC)。SMS--GMSC向目的移动台的5r1属位置寄存

器(HLR)询问路由信息并把消息发送到合适的移动交换中心(MSC)，由该MSC

把消息发给目的移动台。相反，当确定一个移动台发起的短消息路由时，移动台

根据全球称谓(Global Title)寻址到需要的SMSC。如果是在外漫游，被访问的

移动网将把短消息路由到合适的短消息业务／互连移动交换中心(SMs—

IWMSC)。

图3-2 SMS网络结构

移动台终结SMS(SMS--Mobile Terminated，SMS—MT)足指移动台从

SMSC接收SMS的能力。而移动台发起SMS(SMS--Mobile Originated，SMS

—MO)是指移动台发送短消息到SMsC的能力。移动台必须能够接收／发送短消

息TPDU。在收到一个短消息后，移动台总要想SMSC返回一个确认消息表示该

短消息已经被成功接收。SMSC也会向移动台返回消息，表示一个TPDU是否已

经被成功接收。移动台内的软件必须能够对短消息进行解码和存储。短消息也能

存储在移动台的用户识别模块(SIM)卡中供用户以后取用。当移动台不在服务区

内或SIM存储容量已满，SMSC会保留短消息等移动台回到服务区或用户SIM

卡又有了存储空间之后再发送。如果一个移动台因存储容量不足拒绝接收的话，

那么还应在又有接收～个或多个短消息的存储容量之后通知SMSC。

SMSC用加时间戳的办法来唯一地标识每个短消息。短消息到达SMSC的时

间精确到秒，SMSC必须确保给在同1秒内到达的两个或更多短消息赋予不同的

中南入学硕}．学伊论丈 第一章心I乜数据传输方棠

时l'日J戳。

(2)短消息服务的实现方式。点对点短消息(SMS)是GSM Phasel标准

定义的业务，它通过信令信道传送，在无业务信道呼叫时使用独立专用控制信道

(SDCCH)，有业务信道呼叫时使用慢伴随控制信道(SACCH)，最大消息长度为

140字节或160字母数字。点对点短消息既是一种基本电信业务，又可作为信息

服务业务的数据传输载体提供增值业务，如信息点播服务及远程数据采集(定位

信息的传输)和远程操作业务。其结构见图3—3。

图3-3短消息业务的实现

3．3几种应用GSM网络的模块比较

式有现代应用GSM网络的无线数据传输技术。1比较成熟并且应用较广的主

要有以下几种：蓝牙技术(BLuElDOTH)、红外线技术(IrDA)。

(1)蓝牙技术(BLuEl’00TH) 1998年，爱立信、IBM、Intel、诺基亚

和东芝等公司联合推出了一项最新的无线网络技术，即蓝牙(Bluetooth)技术。

蓝牙技术作为一种短距离的无线链接技术，它的目的足使特定的移动电话、便携

式电脑以及各种便携式通信设备在近距离内实现无缝的资源共享。它具有：健壮

性、低复杂性、低功耗和低成本等特点。

尽管蓝牙技术获得了工业界广泛的支持，但它至今还不是一种标准。如想将

它发展为一种标准，需要得到SDO(Standards Defining Organization)组织的认可。

目I；{『市面上的蓝牙模块主要用于GPS全球定位，品种较少，价格一般在5000

千元以上上，而用于工业监测方面还未见到报导。

(2)红外线(IrDA)技术IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，

其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。它在技术上的主要优点是：无需专门申

请特定频率的使用执照，数据传输速率较高，适合于传输容量较大的数据文件和

多媒体数据流：红外线发射角度较小，有一定的物理传输上的安全性。体积小、

功率低的等特点。

IrDA也有其局限性。首先，IrDA是一种视距传输技术，也就是说两个具有

中南人学硕十‘中伊论史 旃：幸心t毡蟹据传输方絮

IrDA端rj的设备之|’日J如果传输数据，在视觉上必须对准，中『IIJ小能宵阻捎物。

其次，IrDA设备中的核心部件一红外线LED不是一种十分耐用的器件，损坏率比较高。

IrDA工作在ISM(Industrial Scientific Medical)频段，是对所有无线电系统部

开放的公共频段，保密性和抗干扰能力差。

本课题的设计目的之一是要尽量减少对病人的日常生活的影响，而在本课题

中采用以上这两种无线技术部必须要有GSM／GPRS模块来完成远程通讯。

GSM模块经过多年的发展，技术成熟，并且有比较多的产品系列和较多的

知名厂家(西门子、诺基哑、摩托罗拉等)生产，应用广泛‘”⋯：机房监控和远

程维护管理系统(银行、储蓄点机房监控，电信机房动力环境监控；通信行业远

端无人值守站机房监控和远程维护：移动通信基站、微波站、光纤中继站等)，

移动车辆监控调度系统(公安、110、交警车辆监控调度；银行运钞车、邮政；

输车监控调度；出租车管理调度；公交车辆调度和指示；集团车辆监控调度)，

无线接入系统，移动性数据查询系统，城市公用事业实时监控维护系统(电力系

统城市中电网实时监控和自动补偿，自来水、污水管网实时监控和维护，煤气调

压站实时数据采集和自动控制)。这些知名产家生产的GSM／GPRS模块无故障工

作时归1长，维护时fB5短，系统稳定性离，通用性强，容易购买，价格便宜(在本

设计中这款GSM模块目前报价为800元人民币)，而且都能提供很好的技术支

持和售后服务。

基于以上分析，在本设计中采用GSM／GPRS模块和心电监护仪直接通讯来

实现远程报警和远程心电实时监护。

3。4 GSM通信模块

8．4．1 TC35iT型GSM模块及其内部结构

目前，在国内已经开始使用的GSM模块有Falcom的A2D系列，Wavecom

的WM02系列，西门子的TC35系列模块“”，而且这些模块的功能、用法差别

不大。其中TC35系列模块性价比很高，并且已经有国内的无线电设备入网证，

应而作者采用西门予的TC351“21型GSM模块来实现向外传输数据。TC35I提供了

RS232数据串行接口，采用AT贺氏子令，符合ETSI标准和GSMll．11标准。

它主要是由射频天线、内部Flash、GSM基带处理器、匹配电源和一个40

脚的ZIF插座组成。

其中CSM基带处理器是核心部件，它的作用相当于一个协议处理器，处理

外部系统通过串口发送过来的AT指令。射频天线部分主要实现信号的调制解凋，

实现外部射频信号与内部基带处理器之『日J的信号转换，在本系统中只用调制部

30

中南大学硕十学伊论文 第’二节心电数据传输，J案

分。匹配电源为处理器以及射频部分提供所需的电源，插座足供给用户的应用接

口。

RS．232接口采用9位编码格式，其中8个数据位，1个停止位，没有奇偶效

验位，因此单片机一般采用工作方式1，支持的数据速率为115．2-300kbiffs。

TC35iT的内部结构如图3—4，引脚图如3-5所示，实物如图3—6、3—7。TC35iT

模块的主要特性与技术指标包括以下几点：

频带：双频EGSM900和GSMl800，支持数据、语音、短消息、传真

GPRS传输速率：接收速率可以达到86．20kbps，发送速率可以达到21．5kbps

消耗功率：模块工作在900MHz时功耗为2W，模块工作在1800／1900MHz

时功耗为IW ．

外形尺寸：54．5mmX36mmX3．6mra

模块质量：9克

电源电压：3．3～4．8V

模块复位：采用AT指令或掉电复位

串口通讯波特率：可选择300bps～115kbs，自动波特率4．8～115kbs

电流消耗：空闲时3．0mA(最大值)，语音模式平均，300mA，省电模式

(Power down)：50 ll A(最大值)

温度范围：正常操作一20～+50℃

SIM操作电压：3V

接口标准：采用RS一232(指令和数据的双向传送)接口与计算机或其他设

备相连；通过4pin接1：2连接外接电源；配有SMA天线接口；提供活动SIM插槽；

可通过AT指令控制模块实现数据、传真、短消息和语音传输。

从该模块的产品特征、性能指标、数据特征和接口标准可以看出，此模块具

有技术先进、功能完善、接口齐全、性能指标好的特点，完全符合无线传输方案

的设计要求，也满足系统硬件的设计原则，是作为心电检测数据无线传输核心硬

件的合适选择。

瓮

lIil2122i；liii窑i蚕a君等。舞oaoao曼。挈。毒叠营§iil；；；lI；lll杯淋 譬l搿l嚣l= 嚣k 誉l葛 譬l拄|譬l笛18f2|笤I苗 葛l笺l长|； =lg ∞l∞lq|a ul·1wl¨I_

图3-5 TC35iT引脚图

中南人宁硕f。中伊论文 第一争心t乜数据传输疗窠

G-S PR GSM／GPRS

40

脚

Z1F

连

接

器

电源电源接口

图3-4 TC35iI内部结构图

图3-6实物图正面

图3—7 TC35iI实物图背面

中南大学硕f‘学伊论炙 第j章心电数挺传输疗窠

3．4．2 SIM卡应用

用户识别模块。431(SIM卡)是一种带微处理器的封装在埋料中的智能IC卡，

它是GSM系统中不可缺少的一个重要部分，是用户进入GSM网络的登记凭证。

SIM卡由CPU、工作存储器(RAM)、程序存储器(ROM)．数据存储器

(EEPROM)和串行通信单元五部分组成，每部分为一个模块，这五个模块集成

在一块集成电路中。在GSM系统中，通过对SIM卡的物理接口、逻辑接口的明

确定义，来完成与移动终端的连接和信息交换，同时在SIM卡内进行用户信息

存储、执行鉴权算法和产生加密密钥等工作。

在SIM卡中，包含有用户识别信息，辅助业务信息、短信息、移动性信息

和无线电资源信息等移动电话机与SIM卡共同构成具有实际用途移动通信终端

设备，同样在本设计中要实现与GSM／GPRs网络的通讯，S1M卡是必不可少的

部分，只有插入SIM卡，移动终端才能接入网络。

3．5小结

本章节首先对目前心电信号的传输作了简要分析，指出其不足，并根据现有

的条件提出应用GSM／GPRS网络进行实时心电监护的思路，然后对目前几种应

用GSM／GPRS网络的无线终端设计的比较，提出采用TC35iT型GSM／GPRS模

块对心电监护电路通讯。最后介绍了GSM／GPRS模块和SIM卡的作用。

本章节为心电监护仪的硬件设计以及软件设计提供了指导性的思想。

中南大学硕卜学伊论艾 第四节心电监护仪馊件设计

第四章心电监护仪硬件设计

4．1总体设计框架

图4-1整体结构框图

整个心电监护电路设计主要包括：①心电信号采集处理电路，该部分包括前

置放大电路、滤波电路和后极放大电路：②心电信号监测电路，QRS波提取的

检波电路、MCU和液晶显示；③远程通信部分，包括MCU、GSM／GPRS模块、

SIM卡和射频电路：④电源电路。

心电信号由后极放大电路出来后分为两路，一路径带通滤波和检波电路进入

MCU，实现对心律不正常和早搏的判断；另一路径MCU进入存储器，作为完整

心电信号存储。

本系统采用7．2v大容量、锂电池作为电源，采用DC．DC电源模块对系统

各部分供电，在本文中不加以详细描述。

心电仪面板上由电源开关、液晶显示频、手动报警按钮、报警清除按钮、电

中南大学硕卜学伊论文 篇四蕈心电璐护仪憧f，{设if

极脱落卢光报警组成。

4．2信号采集处理电路

4．2．1前置放大级

(1)前詈放大

心电前置放大m1要求具有非常高的输入阻抗和共摸抑制比(CMRR)、低零漂、低失调、低功耗、尤其是低的l／f噪声电压，一般采用同相并联差动三运放

仪表放大器，以获得良好的综合性能，作者选用荚国Analog Device公司的低价

仪表放大器AD620，获得了良好的电路效果。

图4-2前置放大电路

图4—2中，改变电阻Rg(芯片l、8脚外接电阻)就可以改变电路的增益。根

据电子学理论，从输入输出关系推导：

Va=Vin墨!±堑一Vin"旦Rg Rg

Vb：Vin"．R2+Rg—Vin-．丝Rg Rg

Yout—va堕m墅．型R2 R4+R6 R3

(4一1)

(4—2)

(4-3)

中南人学硕十学伊论史 第四争心电监护仪硬件设汁

若RI=R2。则 Va-Vb：丝+I豫

若R3=R4=R5=R6，则A3的增益为I

A3的输出V0ut：(Vin’_Vin．)(2舷RI+1)

故AD620的增益 G：三里+l：49．4___KK+1， (4—4)Kg Rg

Rg=竺坚 (4—5)G—l

式中49．4K为AD620内部设定的电阻，Rl、R2的标准阻值为24．7K。Rg为外

部增益调节电阻，可在放大器的脚l和脚8之『日】跨接此商精度电阻来满足所需要

的放大倍数。采用仪表放大器AD620，增益误差可≤0．01％，非线性≤0．002％。

本装置采用AD620的前置放大等电路如图3-6所示。心电信号前置放大级

的增益设定不易太高，以免在于扰较强时信号进入非线性区引起严重失真。本装

置前置放大级增益设定为放大7倍。与后继放大器组成300倍的通道增益。

(2)自举屏蔽驱动电路

导联线的芯线与屏蔽层之『日J存在着一定数量的分布电容，屏蔽层分布电容的

存在，使其分前】电容的容抗在50Hz时约为几兆欧， 低于放大器的输入阻抗，

这个分布电容与放大器的输入阻抗并联，从而大大降低了整机的输入阻抗。另外，

由于各个电极导联线分布电容不可能一致，从而造成前置放大器两端输入阻抗不

平衡，导致放大器的CMRR下降。

为此，采用缓冲放大器将RA、RB(见图4．3)连接点的共模电位驱动到屏

蔽线⋯，在输入其模信号时使屏蔽线与芯线等电位。在差模信弓输入时，A点电

位等于零，输出电位等于零，不影响其差摸信号输入。

本装置的自举屏蔽驱动电路示意图如图4-3所示。由于采用自举屏蔽驱动电

路，提高了放大器的共模输入阻抗，又不影响其差模信号的输入，从而提高了放

大器的CMRR。

(3)电极脱落检测电路

常规心电测试时，人体处于静止状态。动态心电图在进行测试时，人体常常

处于活动状态，这样，心电输入电极可能脱落Ⅲ1，从而不能记录正常心电图。为

此，作者在本装置中设计了导联脱落检测电路，电路如图4．3所示。

中南人学硕}学伊论史 第四喾心电监护仪硬什设计

图4-3导联电极脱落检测电路

正常情况下，正负电极对人体皮肤形成的极化电压可以互相抵消。当一侧电

极脱落时，将有较大的极化电压输入，经过Ii{『置放大后可达±1．8V以上。通过一

个±1．8V比较器，当电压超出窗口范围时，认为电极导联脱落，Vo输出电平由正

常时的高电平变为低电平，下级三极管导通，蜂鸣器发声指示。

4．2．2滤波电路

从第二章我们知道心电信号频谱主要集中在l～25Hz范围内，其它频率成分

很弱。美国心脏病协会对动态心电图规定，一3dB带宽为0．5～100Hz。上限的设

定是为了排除肌肉和电噪声，上限不能太低，否则就会使波形在快速转变部位处

的幅度减低如R波峰，以及切迹消失(对心梗有重要诊断作用)；下限的设定是主

要足为了减少由呼吸引起的基线漂移，下限不能太高，否则可降低R波幅值，这

可能使ST-T产生显著改变。易导致心肌缺血的错判。

本装置中，心电检测电路的滤波频率设定为下限O．5Hz，上限为100Hz。

为满足心电信号的频带要求同时确保信号质量，本装置设置有50Hz陷波电

路、肌电干扰抑制电路、高通隔直滤波等多种滤波电路。

(1)肌电干扰抑制电路

人的不同的肌肉组织产生的肌电信号是不同的，人与人之间也有很大的个体

差异，多方面因素对肌电信号参数都会产生影响，但是仍然具有一定的规律性。

实验结果表明，肌电信号是一种交变电压信号，它与肌肉产生的力大致成比例(幅

值上)，频率虽然在0---1000I-Iz之间，但实际上其功率谱通常集中在30--,300Hz之

间，其幅度的峰峰值通常为几毫伏或更高，会对心电信号造成干扰。

根据肌电干扰信号特点，作者采用一个高截RC低通滤波器的肌电干扰抑制

电路，这样对心电信号影响小而对肌电干扰信号衰减作用强。电路如图4-4所示。

中南人中修}．中伊论艾 镐四章心电监护仅堙ff{设计

图4-4肌电干扰抑制电路

R取40K，CI取0．01uF，则

，庐—j一=35Hz(一3dB)弘芴丽 2‘一

(2)50Hz双T陷波电路

心电信号中的干扰以交流50Hz干扰“”最为严重，工频干扰由周围的仪器设

备及体内分布电容等引起，为了去除人体或测试系统中产生的工频50Hz干扰，

需用带阻滤波器加以抑制，带阻滤波器又称为陷波器。本装置中作者采用双T

可调Q值有源滤波器⋯1，它有体积小、耗电少、工作电压低、Q值可调等优点。

本装置采用Q值可变的50Hz双T陷波电路如图4-5所示。

图4-5可变O值双T陷波电路

图中，Io由下式决定：

矗：1(4-6)．，。2 E--W(加入反馈后，改变电位器W，可以改变反馈量，达到改变Q的目的。Q值

调节范围O．3～50，其幅频特性如图4-6所示。其中Q5所示为Q值较高时的幅频

曲线，Q2所示为Q值较低时的幅频曲线。

中南人学硕十学伊论史 籀四争心电监护仅硬什设计

图4-6可调O值双T电路的幅频特性

在反馈电路中，为了防止各电路互相影响，作者在双T电路中接有阻抗变

换电路，即图中的运放构成的输出缓冲器。

(3)高通滤波电路

心电信号本身是一个谐波丰富、变化缓慢的超低频信号。由于心电信号微弱，

需要多级放大，而多级直接耦合的直流放大器虽能满足要求，但多级直接耦合的

直流放大器容易引起基线飘移。此外，由于极化电压存在的缘故，动态心电图机

的直流放大器更不能采用多级直接耦合。本装置中，作者在两级放大器之间采用

RC耦合电路，在隔离直流信号的同时达到高通滤波的效果。我们把心电信号的

下限频率设定为0．5Hz，即确定高通滤波电路截止频率fo为0．5tlz，这样可确定

电阻、电容值如下。适当选取R、C值，在两级之间组成0．5Hz高通滤波器如图

4—7所示。

图4-7高通滤波电路

中南人0’碲卜·辛伊论史 钨州擎心电监护仪馊f1设计

这哩’由r 3聪2丽’设定，L=0．5Hz，可取C=IuF,R=320KQ。

4．2．3后级放大电路

本装置心电信号采集与处理电路的信号增益由三级放大电路完成。前置放大

级增益为7倍，与后级放大电路如图4．8，组成增益为300倍Ⅲ1的心电信号放大

电路，当体表心电输入信号幅度在O．5mV～5mV变化时，放大输出幅度为

150mV～1．5V的心电信号，同时具有较强的负载驱动能力。

4．3心率监护电路

图4-8后级及缓冲放大电路

图4-9心率监护电路框图

ECG信号经带通滤波、检波电路检波对QRS波处理后便于对病人的心律失

常和早搏的判断。

心电监护部分采用高性能的系统级MCU芯片啼01和几片优质集成电路实现。

电路的设计充分考虑到心电信号及心电监护的特点，做到信号输入、输出各自分

区，避免互相干扰。心电输入信号首先经过带通滤波芯片处理，保留1-25Hz信

号，从而极大地提高了心电信号的波形显示的稳定性和抗干扰能力，突出了心电

监护的特点。由于心电信号较高频率主要集中在QRS脉冲上的特点，采用微分

40

中南人学砸}．学伊论艾 第四章心I也监护仪崾ff}设汁

电路提取QRS脉冲位置信息，并由电压比较器提取微分后的JF向尖峰信号，形

成脉冲宽度很窄的矩形脉冲，很大程度上提高了心宰检测的准确性，电路十分简

洁结构框图如图4-9。

4．3．1 QRS波提取电路

对QRS波的辨识、提取有助于对心率异常的判断。心电信号中QRS波幅最

大、频率最高“”(QRS波的持续时间一般为O．06～0．10秒)，包含了心电信号中

绝大部分中高频信号，是整个心动周期最主要标志，其它部分信号相对频率低、

幅度小。经心电微分及脉冲提取可以形成很窄的矩形脉冲”，准确杯示QRS位

置。而直接对输入波形由软件计算心率时计算较繁，易产生误差。采用检波电路

如图4-10所示。在MULTISIM软件仿真，电压波的显示分别为：图4-11为处理

后的信号，图4。12为比较器输出的脉冲波形，图3．13为二极管检波后的脉冲波

形。

O

图4-10 ORs波提取电路

图4-11微分电路处理后的心电信号

图4-12比较器输出的脉冲波形

41

中南入学硕卜学伊论文 钨阴争心电监护仪堙竹设汁

4．3．2液晶显示

1LJ U 8 8 0图4一13二极管检波后的脉冲波形

图4一14液晶屏外观

通过液晶显示，病人可以查看自己当前状态。液晶显示屏选用图形液晶显示

器LCMl2864”3“⋯，内藏东芝T6963C控制芯片。内部具有128个字符的ROM

字符发生器：其字体有四种：5X8、6X8、7×8、8×8；可对8K Byte的显示

RAM内存操作；字符与图形可同时显示：T6963C的占空比可从1／16到1／128。

液晶屏外观如图3一18所示，LEMl2864显示内容128X64点图形阵式，显示行数

列数点大小0．40×0．40ram2，点间距0．05mm；显示类型：STN黄绿模式；LCD

背光；工作电压：3～5V，工作电流5．8mA。

液晶显示屏与MCU接口电路见图4．15所示。

图4—15液晶显示屏与MCll接口电路

中南大学碗十。学p论艾 第四号心电监护仅地¨设计

4．4心电监护及远程通信电路

40 JGSM／GPRs!大线QRS波处理后ECG信号

C80MH}—'005L 引 咩———r— l兀脚QRs波处理前EcG信t

ZIF

连 t

陌三司接 b型器

图4一16远程通信电路结构框图

这一部分包括C8051F005单片机、存储器、高度集成化的GSM模块、SIM

卡和天线，结构框图如图4—16。GSM的高度集成化，实现通过射频电路向外传

输信息只需加购手机天线即可，本节着重介绍单片机及其相关电路。

4．4．1 C8051F005简介

本文心电监护显示部分采用Cygnal集成产品公司最新单片机C8051F⋯’系

列芯片进行设计。

C8051F系列单片机足Cy印al集成产品公司新推出的高速、高性能多功能的

混合信号系统级芯片(SOC)，具有与MCS．51指令集完全兼容的高速CIP．5l内

核：峰值速度可达25MIPS；在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控

制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件(包括PGA、ADC、

DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、12C、看门狗定时器及电源监视器

等)； C805IF单片机与其他8位单片机相比具有更为优异的性能，成为许多测

控系统的首选机型，十分适合小型、低功耗便携式医疗电子产品设计。

表4-1 C8051F主要资源列表

MIPS(峰值) 25 ADC分辨率 12

FLASH 32K ADC最大速度(kbps) loo

RAM 2304 ADC输入 8

SMBus，12C；SPh UART 有 电居基准：温度传感器 有

定时器(16位) 4 DAC分辨率；DAC输出 12：2

可编程计数器阵列 有 电压比较器 2

数字端口I／O 32 封装 64TQFP

中南大学硕卜学伊论艾 第四孥心电监护仪地竹改计

l i目l：釜茎差釜￡翟釜釜基差菱

差；；l l誊叠差圣定圣叠墨2善釜X X D

图4-17 C8051F系列芯片引脚图

C8051F有一个片内12位ADC。该ADC T作在100kps的最大采样速率时

可提供真正的12位精度”1，片内有一个12ppm的电压基准，也可以通过VREF

引脚使用外部摹准。可编程增益放大器的增益调节可以用软件设置，从0．5到16

以2的整数次幂递增。本装置的心电显示部分仅使用了C8051F005芯片中很少

一部分资源，对今后的进一步进行其它其它监护功能的后续开发留有较大的空

间。

C8051F系列单片机具有多种封装形式。在本仪心电仪电路设计中采用的

C8051F005为TQFP．64封装，如图4．17所示。C8051F005芯片内部资源比较丰

富，主要性能、资源见表4．1，原理框图见图4．18。

4．4．2心电监护电路

采用网络标号绘制电路图，相同的网络标号表示电气连接。SIM卡的引脚结

构如图“71卜19，与ZIF连接如下：CCIN接24脚，CCRST(复位RST)接25脚，

CCI／O(数据端口)接26脚，CCCLK(时钟)接27脚，CCVCC(电源)接28

脚，CCGND(接地端GND)接29脚。

MCU的Pl-6接手动报警按钮，由病人控制是否要向外发送短消息和心数据

传输，P1．7接报警清除按钮。MAX708为复位电路，1、3脚接面板的复位按钮；

呲篡篡阱淼篙嚣嚣篡蒜嚣絮鬈鬈篇篇絮

中南人学硕十学伊论文 第四争心电监护仪硬件设计

MAX708还具有电压监测作用。

远程通信电路如图4—20所示。C8051与TC35iT的ZIF接口连接如下：P1．2

和P1．3分别接15脚和2l脚；P1．3和PI．4接RXD和TXD(18和19脚)。AINO

接参考电压，心电信号分别由AINI和AIN2进行采样，xTALl和xTAL2接晶

振，P0．0和P0．1接EZROM(128K)存储器，采用循环存储，在以400次每秒

的采样率的条件下该存储器在可存储G分钟心电数据。TMS、TDI、TDO、TCK

接几AG(在系统调试)，P2．0到P2．7接LCM的DO到D7、03．3到P3．7接LCM

的WR、RD、CSLCD和C／D。

CCIo

CCIN

CCGND

图4-18 C805lF000／05／10／15原理框图

图4-19 SIM卡引脚图

45

CCCLK

CCRST

CCVCC

中南人中硕fJ学伊论史 第删节心电监护仪堙俐设计

4．5小结

图4-20通信与接口电路图

中南人学硕+学伊论史 第开节软什i殳汁

第五章心电监护仪软件设计

本系统的软件设计是这个系统功能实现的核心。整个系统采用功能化和结构

化的嵌入式C语占进行开发。由于C语占表达与人的表达方式比较接近，因而

用这种语言编程具有很好的可读性。采用C语言开发微处理器的固件程序可以

提高开发效率和缩短调试周期，从而达到事半功倍的效果”3。

在设计中我们对监护仪的软件按功能进行严格划分，即将每一部分内容假设

成一个模块，这样就使得整个结构清晰，层次分明，从而增强了软件系统的易维

护性。系统软件的总体结构如图5-1所示

系统软件

初始化模块l l数毳委集J I心电异常诊断l l 系统模块

自

检 引例H崮圉圉困障初始化处理模块包含硬件仞始化和自检两部分，其中硬件初始化包含外围电

路初始化，如LCD初始化，和MCU各种寄存器初始化，如定时器、交叉开关

等；自检部分用于开机后检测系统是否正常。

数据采集模块由数据采集和存储两部分构成，数据采集用于采集心电信号，

数据存储用于将采集到的心电信号存储到存储器，当报警时系统将存储器内的数

据通过GPRs网络传送给心电监护中心。

心电异常诊断模块用于处理采集的心电信号，根据心电信号判断是否心动过

速、心动过缓和早搏的三种状态，并自动作出相应的操作：①启动本地报警

②通过GSM网络向固定的一组号码发出预存的报警短信息③通过

GPRS网络向心电监护中心发送存储器中的心电信号数据。

系统模块管理和监视着整个系统的运行，包括系统电源管理、显示心电监测

状态、按键管理。

中南人中硕}-学忙论艾 第亓事软竹设汁

5．1系统主程序

[蓝

图5-2整个系统主流程图

系统主程序首先对系统的各个参数和变量进行了初始化，并在刚开机时，调

用自检程序，以确保机器的正常运行嘲1。启动定时器0和12位分辨率的模数转

中南人学碗卜学忙论艾 嚣h争软什设计

换器ADCO。

定时器0用于计算连续两次QRS波的问隔时间，精确度为lms，并控制声

音报警。ADC0转换完后成产生中断(将模数转换器的数字量转换成相应的电压

值)，通过连续测量得到瞬时心律值和平均心率值，并且可以检测是否存在早搏

现象。根据采集到的心率信号判断是否心动过速、正常、过缓，并根据不同的状

态启动相应的功能。

主程序还包括查询P1．7和PI．6按键状态，如果查询到P1．7低电平则报警键

按下，产生远程报警信号(通过GPRS连续发送采集到的心电信号给心电监护中

心)，如果查询到PI．6低电平，对P1．7复位，结束报警。

主程序流程如图5-2所示，主程序从开机就在不间断的循环，永不停息，直

到掉电。程序在某个部分不会做长时间停留，只是做简单的处理，既转入下一部

分。这种运行机制保证了程序执行的准确可靠，尤其适应于实时性的周期性采样

的系统。

5．2初始化处理

单片机C8051F005在启动之后(包括复位)，配置看门狗、外部存储器接口、

交叉开关、晶振、ADCO启动方式和I／O口的输入输出方式(推挽方式和漏极开

路方式)。初始化流程图如图5-3。

WDT(看门狗计时器)是一个21位的使用系统时钟的定时器。该定时器检

测对其控制寄存器的两次特定写操作的时间间隔。如果这个时间间隔超过了编程

的极限值，将产生一个WDT复位。可根据需要用软件和禁止WDT，或根据其

设置为永久性允许状态。

交叉开关的作用是将片内的功能单元如ADC等输入输出引脚配置在某些特

定I／O引脚上。而作为通用∞端口的初始化则是根据各个I／O口的用途，将其输出驱动器配置为漏极开路或推挽方式。

系统使用C8051F005中的三个定时器，它们分别被用于：定时器0用于计

算连续两个QRS波的间隔时间，定时器l用于定时一分钟；定时器2作为UATRO

的波特率发生器，用于GPRS Modem上的数据传输速率，预设值为9600bps。

ADC0的转换启动方式为：向寄存器ADCOCN中的ADBUSY位写l启动，

U棚的工作方式设置为方式l。单片机在复位后在内部振荡器启动，本系统通过配置OSCICN寄存器，使

用16MHz的内部振荡器。

中南人中硕卜宁伊论文 第五蕈软什设计

5．3子程序

C巫]盎，

I交叉开关移J始化

’

I I／ou初始化I

——；——l定时器初始化I

阿主田

图5-3系统初始化

5．3．1心率信号采集子程序流程图

根据心率值可以判断一个人是否患有如早搏、心动过速等几种常见的心脏

病，是人体生命指征最重要的监护参数之一。本程序实现该项功能，程序流程图

如图5-4。

心率值有瞬时值和平均心率值。瞬时值是指根据相邻两次心跳间隔时间所确

定的心率值，平均心率值足指一分钟内心脏实际跳动的次数。

只要测出相邻两个心电波之间的时『日J间隔T就可以计算出瞬时心率值60ft

(次／分钟)。首先，送来的心电信号进行1．25Hz带通虑波，显著减少了基线飘

移和工频及更高频率成分的干扰，虽然这样丢失了一些心电信号成分，但是却使

所获取的信号具有很强的抗干扰能力、波形稳定。经微分电路取出心电信号的

QRS波的信息，进一步抑制QRS波之外的其他低频信息，QRS波的位置信息更

加准确，经比较器比较的、得到宽度很窄的矩形波，易于检测。1

瞬时心率=三×60次／分钟 (5-1)I

瞬时心率值比平均心率更能及时、准确地反映心脏跳动实际情况，作者选

中南人学硕卜学伊论文 第fI擎软f，f设计

择连续测到两次心脏搏动计算心率一次，计算公式5．1。这样既避免了每测一次

即计算并更新时心率值的频繁更新闪烁，又通过两次的平均减少了测量误差，使

得显示值比较准确，同时心率更新也比较及时，具有瞬时心率的特点和优点。心

率测量采用中断方式实现，每中断两次计算并更新心率一次。心电信号中的QRS

波经处理提取得到了与之对应的窄矩形脉冲，使得心率测量变得十分简单。

5-4心率信号采集子程序流程图

5．3．2早搏子程序流程图

当连续两个R波的问期超出平均心动周期(由平均心率得到)的1．8倍呻’

时，判断该状况为早搏现象，如果在一分钟内连续发生5次或者5次以上早搏，

启动本地报警，调用GSM／GPRS通讯子程序实现远程报警，并传输心电数据。

中南人学硕卜学伊论史 第无擎软件设计

图5-5早搏子程序流程图

5．3．3 GSM通讯子程序

流程图见图5．6，在等待GSM启动完成后确定SIM卡连接正常，然后登陆

GSM网，当检测到P1．7低电平时(手动报警按钮按下)或者心率超出阂值则向

已设置好的号码发送短消息、向心电监护中心发送心电数据。

C8051F对GSM／GPRS模块的控制通过AT””指令来实现。对GSM的控制是

通过AT命令汹1来实现的。传递AT命令时，应注意以下几点：

(1)每个命令字符串最后必须加上Char(13)(Enter键)，否则MODEM将

不认识此命令。

(2)除了“～”及“+++”命令外，其他命令部必须在最前面加上两个AT字

符。

(3)若于命令可以合成一个字符串再一次传送给MODEM，且所有字符必须

一律足大写或小写。

●-●，，●j11，●II●1●●__1

中南大学硕卜学伊论文 第无章软件设计

图5-6GSM通讯子程序

在本系统所使用的AT命令主要有以下这些。

输入“AT”然后回车，屏幕上返回“OK”表明计算机与TC35iT已连接成

功，TC35iT能够正常工作。

AMMGS-PDUisgiven<^Z，ES◇如果短消息发送成功，则返回“OK”，并显示信息号：+CMGS：[，]：如果短消

中南人学研f‘中伊论文 第行号软什设计

息发送久败，则返fUl如下信息号：+CMS ERROR：

AT+CFUN：设置模块软件的状态。在将模块电源关闭之前，必须先用

AT+CPOF或AT+CFLrN=0命令停止模块软件的运行，否则会损坏模块。

ATD<nb>：拨号命令。该命令使MODEM立即进入摘机状态，并拨出跟在

后面的电话号码<rib>。当拨号传输数据，电话号码后必须加一个分号“；”。

AT+CSCA=“+8613800270500”：设置短消息中心号码，(具体的号码由当

地的运营商决定)。

AT+cMGF=l＼n设置文本格式发送方式

AT+CMGF=0：设置PDU格式发送方式

AT+CSQ：查询信号质量。

AT+CREG：查询当前网络注册情况。

Ar+FCLASS：选择发送数据或传真。

AT+IPR：设置数据终端设备速率。

中南人学硕十‘学伊沦艾 第^章结沦‘J眨甲

第六章结论与展望

随着人民生活水平的日益提高，人们越柬越关心自身的身体健康，远程医疗

和远程监护己成为--f-j新兴产业；随着现代经济和技术的飞速发展，以及人口老

年化的状况的加重，人们对医疗服务质量的要求也越来越高，远程实时心电监护

已成为当前和今后一段时期内生物医学工程领域的重要研究对象之一。

6．1总结

本文探讨了基于无线网络的动态心电监护仪的原理与实现方法，将动态监护

技术与现代通信技术相结合。采用无线传输技术，从而避免了以往类似系统(如

利用电话线上传输)的不便利、实时性差的缺点。此外本文所作的工作，也能对

其他具有类似性质的远程检测系统的研制，提供了开发和实际应用的借鉴和帮

助。

本文采用GSM短信通信设计了本单通道动态远程心电监护系统，虽然离实

用还有相当一段距离，但从该设计看，已具备动态心电检测，远程无线数据传输

的特点。

(1)由于GSM网络覆盖面广，采用全球移动通信系统中的蜂窝技术GSM

短信功能可以实现随时随地进行远程报警和远程数据传输，可令其家属、负责医

生、急救中心在病人出现状况的第一时I’BJ获得信息。

(2)整个心电监护终端体积小、重量轻、便于携带。采用最新系统单片机

C8051F005实现心电监护、对GsM模块控制和远程存储。

(3)除了GSM模块和SIM卡价格比较高，整机成本较低。由于借助GSM

系统，只用开通手机短信发送和数据传输服务，该系统的实现无需耗费其他费用。

6．2展望

远程心电实时监护是挽救心脏病人的重要方式之一，它将在及时救助院外发

病病人起到不可估量的作用，希望以此文能带动起更多的人去对它进行研究。

该系统还有很多工作要傲，还有很多细节有待进一步确定，在本心电监护仪

设计中，GSM模块的功能没有能充分用到，而该模块具有双向通信功能，并具

有音频AD接口。这将是作者在今后的科研工作中的一个重要内容。

目前本心电仪只能对心律异常和早播作出报警，然而心脏病的总类繁多，对

于其他心脏病情，并不能实现即时发现起到监护的作用，有待与在算法中进一步

中南人中酚卜中伊论文 第八尊结沦与眨望

完簿。

该心电仪还处于研究阶段，功能还有待进一步完善，例如，心电数据的压缩，

传输的即时性在实践中验证，并且心电监护中心没有设计可，有待于在将来的后

续研究工作中去完善。

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巾南人中硕卜宁忙论文 参等艾献

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中自人学硕卜学伊论史 附录

uitit xdata

uint xdata

uint xdata

aim xdata

uchar xdata

ucharxdata

ucharxdata

IlInt

umt

bit

bit

bit

bit

附录1定义变量和函数

gui Heartrhythm；

gui_Heartrhythm_Average；／／平均心率值guiTime； ／／两个大于5mv的间隔时间Array[5]； ／／保存心率5次的数组

gucCount； ／／计数次数，记录早搏次数

guiTimerlCount； ／／定时器l计数次数，用于记数一分钟

gucArray Count； ／／数组计数

WRITEADD；

READADD；

gbOK；

gbTimer0；

gbZaoBo；

gbZaoBo_XinLv；

，／一分钟内第一次早搏标志位

／／读到一次心跳杯。畚位／／早搏标志位

，／为0就转换早搏信号；为l就转换心率信号

f}子程半甩户功能函数声明

exter／1voidfnCurSor(ucharuRow,ucharuC01)； ／／设置光标函数extem uchar dprintf(char+fmt，⋯)；extem void fnCls(void)；extern char fiaLCMInit(void)；功，返回．1失败

／，显示字符串函数

／，全屏清除函数

／／显示屏仞始化函数，返回0成

extern void fnShowData(uchar ueAcross，uchar ucErect，uchar ucData)；，／写字节函数

extem void fnShowPoint(ueharacAcross，ucharucErec0；||画点函数

extem void fnReadValue(void)；／／读A／D结果

extern void

extern void

extem void

extern void

extel-n void

fnC805 1 1nitO；

serial_initO；

SYSCLK_Inito；

fnTimerlnit0；

fnADlnitO；

／／C8051F005初始化函数

，／设置串口

，，系统晶振初始化函数／／定时器初始化函数

／／初始化ADC0

11鼍m void SM_Send(char chip_seleet,uint byte_address，char out_byte)；／／㈣到存储芯片

譬胁char SM_Receive(char chip_seleet,uint byte address)； ／／从存储芯片读取数据

60

中南人学硕卜学伊论文 附录

附录2主要程序

，●●，●，●}●●$●●●●}●}}●●●{}}●●●}●}}}$●●●●●${}$$，●●●●●}}●●●●}●●}●}●●●●●}●

‘函数名：main

·功能描述：系统主程序●●●$●●●●幸●事●●●●，●●●●●●●●幸●●●●●幸●●丰●幸宰●幸●木●事●}事●●●●}}}●●●●宰}}}●●●●●●●，

#include<CS05IF005．h>

#include<eonfig．h>／／变量及函数申明文件void fnReadValue(void)；／／读A／D结果void main(void)

{

uchari；

gucArray_Count2 O：

BEEP=CLOSE；

gbZaoBo；O：

if(fnLCMInitO一-I) ／／液晶屏白检程序

{ while(1)

f BEEP=OPEN； ／／液晶屏有故障，蜂鸣器报警

for(i=0；i<1000；i++)／／软件延时

{for0=0jQ000++){Ilop O；}

}

BEEP=OPEN； ／／液晶屏有故障，蜂鸣器报警

for(i=O；i<2000；i++) ／／软件延时

{ for(j：oj电000++){—舯p．．0；}

}

}

fnCls0；

fnC805 llnit0；

serial_init0；

SYSCLK_Init0；

fiaLCMlnit0；

fnTimerlnit()；

fnADInit0；ADCOCN l=0x80；ADCOCN l=0x10；EA=1：

while(n

{

iffgbTmaerO)

|i清羼

，／IC805lF005初始化函数

／，设置串口

／／系统晶振初始化函数

／／液晶屏初始化函数

／／定时器初始化函数

慨H始化ADCO／／使能ADC0

lf启动^Dc／，启动定时器

6l

中南人中舻十一中伊论史 附录

{

gbTimer0=O； ／／每读取一次心率，胃杯志位gbTimer0为1SM Send(CHILA，gue Heartrhythm，WRITEADD)；／／循环保存保存

心律值到存储器

if(gue Heartrhythm<LOW)

{

fnCurSor(0，20)； ／／定位显示坐标

dpdntf(",山率：％以guc—Heartrhythm)；BEEP=l； ／／心律过低，蜂鸣器报警

PrintStr(”AT+CSCA=“+8613800270500”m”)； ／／设置短消息中心号码

PrintStr(”AT+cMGF=l、ll”)； ／／设置文本格式发送方式

iffgbZaoBo)

PrintStr(’’AT+CMGS2”13823788935”

ZaoBo短消息到13823788935

else

PrimStr(”A升CMGS=”13823788935”

LOW短消息到13823788935

Send_Heartrhythm(gue_Heartrhythm)；心率数据

>Zaobo^z Xn”)；／／发送

>LOW^z、II”)；／／发送

／／心率过低，发送

}else if(gue_Heartrhythm>LOW&&gue_Heartrhythm<GENERALl

{fnCurSor(0，20)； ／／定位显示坐标

dprintf(",0率：％d",gue_Heartrhythm)；

fnCurSor(2，20)； ／／定位显示坐标

dprimf(”％s”，”心率正常”)；)else if(guc_Heartrhythm>GENERAL)

{

fnCurSor(O，20)； ／／定位显示坐标

dprintf(",0率：％d¨．gue_Heartrhythm)；

BEEP=l； ／／心律过低，蜂鸣器报警

PrintStr(”AT+CSCA=“+8613800270500”、n”)； ／／设置短消

息中心号码

PrintStr(”AT+CMGF=I、Il”)； ／／设置文本格式发送，号式PrintStr(”AT+CMGS=”13823788935”>HIGH^z Xn”)；／／发送

HIGH短消息到13823788935

Send_Heartrhythm(guc Heartrhythm)； ／／心率过高，发送心率数据

}}

}

}

中南大学硕卜宁伊论文 附习乏

void fnReadValue(void)／／读A／D结果

{

gufVoltage=(float)giADResult；

gufVoltage+=O．59；／／0．59=-2．4／4096

if(gufVolttage>3．33&&gbZaoBo_XinLv)

{gbZaoBo XinLv=O：

换到早搏信号测鼍

AMXOSL =0x02；

gue_Heartrhythm=120000／guiTime；

Array[gueArray_Count】=guiTime；gueArray_Count++；

if(gucArray_Count==5、

{

，／转换心率信号

／／使gbZaoBo_XinLv等于0，则转

／／转换ADC的通道到早搏

／／心率=2‘60+1000ms／guiTime

／／保存心率值到数组

／／如果保存了5个心率数据

gucArray_Count=O：

for(i=0；i<5；i++)gui_Heartrhythm_Average+=ArrayIi]；

gui_Heartrhythm_Average／-5： ／／求出乎均心率

)

guiTime=O：

gbT'maerO=l： ／／每读取一次心率，置标志位gbTimerO为1

)else ／／转换早搏信号

if(gufVolttage>3．33&&!gbZaoBo XinLv)

{

gbZaoBo_XinLv=l； ／／使gbZaoBo_XinLv等于0，则转换到早搏信号测量

AMXOSL =0x01； ／／转换ADC的通道到心率

if(guc_Heartrhythm>gui_Heartrhythm_Average&&!gbOK)

{gbOK=l；gucCount--O；TRI=I；} ／／第一次早搏后，启动定时器1，计时1分钟

else ／／第一次早搏后，1分钟内每出现一次早搏，gucCount加l

{

if((guc Heartrhythm-gui_Heartrhythm Average)>10) ／／如果心率

大于平均值10s就是早搏{gucCount++； ／，早搏次数加一 AMXOSL

if(gucCount>5)guiTimerICount=1200； ／／一分钟时间未到但已经有了5次早搏，跳出报警

))

})

中南人学碗卜宁伊论文 附录

+函数名：void Timer0(void)interrupt l using 2

·功能描述：定时器O中断服务子程序●搴}●●●}●●}$●●●$●$●●}●宰●搴●}宰●幸幸●}●●●}}}}}}}，●}●●●●}}$●}●事奉●●}●●●事幸幸●●，

void Timer0(void)interrupt 1／／using 2

{

TH0=0xfc； ／／定时常数，lms产生一次中断TL0=Oxl8：

guiTime++；

if(gucHalfSecond-一0){

gucHalfSecond=4；

gbHalfSecond=1； ／／产生半秒标志

}else

gucHalfSecond-一；

if(gucBeepTime==0) ／／关闭蜂鸣器

(BEEP=CLOSE；}else

{gucBeepT'tme一；}

)件●丰}}●●卑●●牛●●●掌●●幸}●}●事幸幸}堆宰事幸幸幸幸}}幸}●●}●●}十●}●●●●●●●●●●●●事事}幸●●●●●

+函数名：void TimerI(void)interrupt 3 using 2

·功能描述：定时器0中断服务子程序●●●●●●}●幸●●幸事●●幸事，幸●$●●幸幸事●事事事●●幸●●幸●●●●●●幸●●●●●●幸●●宰丰●●●●●●●●幸●●牛幸●，

void Timerl(void)interrupt 3／／using 2

{

TH0=0x3e； ／／定时常数，50ms产生一次中断

TLO=0xb0；

gucTimerlCount++；

iffguiTimerICount>=1200)，／一分钟时『目J到

{

TRl=O； ／／关闭定时器1

iffgueCount>=5)gbZaoBo=l； ／／如果一分钟内有大于等于5次早搏，氍标志位为l

else gbZaoBo=0；

gucCount=O：gbOK =O； ／／ok为l表示一次早搏，此后1分钟内记时，看

有几次早搏

})／●●事●+●●●●$●●●●}●●●●幸●事●●●●●●事丰●●宰●●●●事●●●幸●幸●●事幸●●●●●●幸●●●幸●宰●幸●●●●●

+函数名：voidADover(void)interrupt 15 usin92 ADCO中断服务子程序

巾南人学修十_宁忙论文 附录

’·$·}}}}}}}}}}···十+丰幸····$}··$o}·}}··’’·······}····}······幸····幸··11／

void ADover(void)interrupt 15／／using 2

{AD01NT=Od／转换完成中断标志位

uoIntCharl．ucCharStyle．ucCharL=ADCOL；t|

uoIntCharl．ucCharStyle．ucCharH=ADCOH； N读取AD的转换出来的

数字量

giADResult=uoIntCharl．uiIntStyle&0xoftf； ／／屏蔽高四位，形成12位数字量

fiaReadValue0；／／读A／D结果}

中南人学碗卜学伊论文 致谢

致谢

本文由导师陈一平教授选题并在其精心指导和悉心关怀下完成的，陈老师老

师渊博的学识、严谨的治学态度、开拓性思维方式、豁达开朗的生活态度都对我

的影响至深、使我受益终生。在整个研究过程中，他从论文的选题及后来的学习、

研究都给于了重要的具体指导。导师不仅在学业上给我们无私指导，更为我们提

供了严肃、紧张、充实、愉快的学习氛围和生活环境，让我三年硕士学习期间不

仅在科学研究的道路上得以成长，而且在人生道路上得以成熟，并将在我以后的

学习、工作中产生很大影响，令我终生难忘。在此，谨向陈老师致以最诚挚的敬

意和感谢。

感谢中南大学信息物理工程学院柳建新院长、赵于前副院长、瓮晶波老师、

戴前伟老师对我学习生活上的关心和帮助。感谢生物医学研究所陈真诚、熊平、

武伯歌、邓振生、李凌云、唐艳诸位老师在学习上的帮助。

感湔卫生部肝胆肠外科中心张阳德教授、任立峰老师在学业和研究上的帮助

和支持。

在这三年的工作和学习期间，和实验室的同学同事一起学些，一起进步，建

立了深厚的友情。特别感谢尹文斌、宾亚新、杨振在科研和学习等等方面给予的

帮助!

感谢本专业的王飞、罗东礼，张必明、徐嘉瑞、邓素平、肖嘉莹、李娜、万

洪晓、王凯、傅伟、于丹、董萍等同学和师弟妹的关心和帮助，在此一并表示感

谢!

感谢陈儒军博士、付国红博士、周化博士在我写论文期间给予我的帮助和鞭

策!

感谢梁红波、颜良、刘石、易三利、胡文武、杨威等同学同事对我科研工作

的支持和帮助!

感谢硕士03级13班的全体同学，我们和睦相处，同时也给予了我很多建议

和帮助。

特别感谢我的舍友张洪培博士，邻居彭小波博士、黄长征博上、段琢华博士、

高金生博士、蒋诚峰师弟。

感谢我的父母对我的理解和支持，论文的顺利完成离不开他们默默支持和无

私奉献，给予我I狮进的力量，这些部足我得以正常完成学业的前提和保证。

最后向所有关心我、鼓励我的老师、同学、亲人、朋友一并表示感谢!

中南人学硕士学位论文 攻读硕上学位期间主要研究成果

攻读硕士学位期间主要研究成果

参加科研项目：

1．参与sQ一3c型双频激电仪改进项目

2．参与DB一3堤坝管漏检测仪改进项目

发表学术论文：

雷震，陈一平，唐艳．ECG信号的时频分析．医疗卫生装备．2006，