紅外傳輸單道心電遙測系統(tǒng)原理及設計

紅外光生物遙測具有抗電磁干擾能力強、發(fā)射和接收設備簡單、成本低廉、調(diào)試容易；無需進行頻率注冊；使用方便、安全的優(yōu)點［1］。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機已逐步深入家庭，為研制具有分析、處理能力的家庭醫(yī)療監(jiān)護設備提供了基礎。為此，我們研制了一種單道紅外心電遙測儀，它以計算機作為分析、處理、顯示、存儲、通訊手段，用紅外光作為傳輸媒介，對被試者進行實時監(jiān)護。通過調(diào)制解調(diào)器，還能把遙測數(shù)據(jù)傳輸?shù)结t(yī)療中心，供醫(yī)療專家分析、診斷，是一種理想的遠程醫(yī)療前端及家庭醫(yī)療監(jiān)護設備。

心電圖是診斷心臟病的重要手段，但是，由于種種原因，用普通心電圖儀很難捕捉到異常心電圖。無線電心電監(jiān)護儀或者24小時動態(tài)心電監(jiān)護儀雖然能有效地解決這一問題，但是造價昂貴，難以深入家庭。

1　系統(tǒng)設計及工作原理

本機以計算機作為接收、處理終端，完成數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲、通訊等功能，對被試者進行實時監(jiān)護。

系統(tǒng)采用PCM-ASK調(diào)制方式。即第一次調(diào)制采用脈沖編碼調(diào)制，第二次調(diào)制采用幅度鍵控調(diào)制。PCM調(diào)制具有精度較高、抗干擾性較強的特點。ASK調(diào)制，既可以提高抗環(huán)境光、抗電磁干擾的能力，又可以通過選擇不同的副載波頻率，實現(xiàn)多套遙測系統(tǒng)在同一地區(qū)同時工作，而不會互相干擾。而且，由于紅外發(fā)射管工作于開關(guān)狀態(tài)，不僅能降低發(fā)射管的功耗，減小發(fā)射機的體積、重量，增加作用距離，得到較長的工作時間，同時，ASK調(diào)制方式調(diào)制線路簡單，實現(xiàn)容易，便于晶體穩(wěn)頻，提高系統(tǒng)的可靠性。接收端解調(diào)后，數(shù)據(jù)直接進入計算機的串口，使硬件結(jié)構(gòu)大為簡化，且使用方便。

PCM調(diào)制器采用單片機實現(xiàn)，由它完成信號采樣、A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)串行輸出。經(jīng)比較，我們采用了MICROCHIP公司生產(chǎn)的PIC16C71。它是一種低成本、低功耗、高性能、帶片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器及程序存儲器的8位單片機。其指令結(jié)構(gòu)精煉，速度快，體積小，為18腳封裝，有4個模擬輸入通道，13個I／O口，4個中斷源，在5V電源、主頻為4MHz的情況下，工作電流小于2mA。

接收端選用集成化紅外接收模塊TEMS5380作為紅外接收部分。它集紅外接收、轉(zhuǎn)換、濾波、放大、整形、解調(diào)于一體，具有體積小、靈敏度高、功耗低、工作可靠、調(diào)試方便的特點［2］。它的中心頻率為38kHz，可傳輸數(shù)據(jù)的速率達3000波特，系統(tǒng)組成方框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成方框圖

系統(tǒng)的工作過程如下：心電放大器及電平調(diào)整電路將心電信號進行放大并調(diào)整到A／D轉(zhuǎn)換器所需的電平。單片機以200Hz的采樣率對心電信號進行采樣、A／D轉(zhuǎn)換，并按串行通信的格式將A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果附加起始位和停止位進行移位輸出。其中，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。碼速率為2400bit/s。為了便于識別起始位，傳輸上述10位碼后，緊接著傳送停止位，直至進行下次A／D轉(zhuǎn)換。串行輸出數(shù)據(jù)控制門控電路工作。振蕩分頻器產(chǎn)生副載波頻率，當串行數(shù)據(jù)碼為高電平時，門控電路打開，副載波信號通過門控電路，驅(qū)動紅外發(fā)光管發(fā)光。驅(qū)動電路為VMOS管，它的開關(guān)特性好，輸出電流大，電路簡單。

紅外接收模塊接收到信號后，經(jīng)轉(zhuǎn)換、濾波、放大、解調(diào)、整形，輸出串行數(shù)據(jù)流。為了增大系統(tǒng)遙測范圍，在發(fā)射端串聯(lián)了6個紅外發(fā)射管，而在接收端并聯(lián)了4個紅外接收模塊，其方位彼此錯開。紅外接收模塊輸出由或門相加，然后經(jīng)電平轉(zhuǎn)換，變成串行通訊所要求的電平，由計算機串口輸入計算機，進行分析處理。

計算機工作于兩個模式：實時監(jiān)護模式和數(shù)據(jù)回放模式，在此之前可以輸入被試者資料。在實時監(jiān)護模式下。顯示器實時顯示心電波形及心率。當檢測到異常心電圖時，計算機發(fā)出聲音報警。在任意時刻按存儲鍵可以將按鍵前50秒的數(shù)據(jù)存儲至硬盤中，在一次監(jiān)護過程中至多能存儲21分鐘的數(shù)據(jù)。若按下凍結(jié)鍵，心電波形被凍結(jié)在屏幕上，可以把心電波形打印出來，此后可以按繼續(xù)鍵繼續(xù)監(jiān)護或按退出鍵退出監(jiān)護模式。退出監(jiān)護模式時，可以把分析結(jié)果顯示出來。

在回放模式中，輸入文件名，可以自由選擇存儲在硬盤中的任意一段心電數(shù)據(jù)進行波形回放，或?qū)?shù)據(jù)通過網(wǎng)絡輸至救護中心，供專家進一步分析診斷。

2　軟件設計

軟件設計采用模塊化設計、菜單操作。其實時監(jiān)護工作流程如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)軟件主流程圖

3　實驗結(jié)果

發(fā)射端心電放大器±5V供電，紅外發(fā)射管用+9V供電，其余部分用5V供電。接收端用+5V供電。紅外發(fā)射管工作電流為34mA。系統(tǒng)的遙測距離達41m，在8m×6m×3m的大廳里，無論發(fā)射部分和接收部分處于何方位均能正常接收。在較強照明燈和強電磁干擾情況下均可靠運行，信號波形清晰，說明系統(tǒng)具有很強的抗環(huán)境光和電磁干擾的能力。

圖3　實驗結(jié)果

4　結(jié)束語

經(jīng)實驗表明，本系統(tǒng)精度高，抗干擾性強，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，使用安全，作用距離較遠。通過選用不同頻率的副載波，可以實現(xiàn)在同一房間內(nèi)多套遙測系統(tǒng)同時工作；通過提高接收部分速率，能夠提高信號的采樣率，實現(xiàn)多路生理信號的遙測，可以作為一種理想、實用的家庭醫(yī)療監(jiān)護設備和遠程醫(yī)療前端，是紅外遙測技術(shù)應用于臨床的一種有益的嘗試和探索。

本系統(tǒng)發(fā)射端采用帶A／D轉(zhuǎn)換器的單片機，紅外接收部分采用一體化的紅外接收模塊使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得以簡化。但是，紅外接收模塊的傳輸速率不夠高，因而，信號的采樣率受到限制。隨著器件的發(fā)展，更高傳輸速率的集成化元件出現(xiàn)，這一問題就可以得到解決?；蛘呦到y(tǒng)的紅外接收部分采用分立的元件，也可以有效地解決這一問題。