便攜式無線十二導心電圖儀的設計

王碩，汪豐，周平

東南大學 生物科學與醫學工程學院，江蘇 南京 210096

便攜式無線十二導心電圖儀的設計

王碩，汪豐，周平

東南大學 生物科學與醫學工程學院，江蘇 南京 210096

本文介紹了作者研究設計的一種實時顯示12導心電信號，并且同時具有ZigBee無線傳輸和USB高速傳輸功能的便攜式心電圖儀。主要從心電信號處理模塊、A/D轉換模塊、USB模塊、無線傳輸模塊、人機接口模塊等方面作了介紹。儀器采用了導聯選擇電路，使原來的8路信號處理電路縮減為1路，大大降低了成本，增加了便攜性。

心電圖機；遠程醫療；社區醫療；便攜式醫療儀器

0 前言

隨著現代社會節奏的加快，人們的壓力也越來越大，心臟病的發病率逐年攀升，并呈現低齡化趨勢。日益增長的心臟病患者與數量增速緩慢的心電圖醫師之間的矛盾逐漸加劇。且大部分心臟病的發病場所為家中或是社區，患者往往得不到及時地救治。

本文提出了一種新的設計理念，將心電信號的采集工作分離出來，由經過簡單培訓的護士或者患者就可進行心電信號的采集，以減少心電圖醫師的工作量。與GE的MAC800、邁瑞PM-9000和邦健的ECG-1200等國內外產品相比，本設計同時具有ZigBee無線傳輸和USB兩種傳輸方式，產品更加輕小，方便隨身攜帶。患者可以在家中自己隨身攜帶本儀器采集心電數據，并通過ZigBee網絡傳輸到醫院服務中心。同時，也可以通過USB傳到上位機進行長時間的保存，以方便對患者心臟情況的查閱和對照。醫生可以直接從醫院服務中心取得患者的心電數據進行診斷分析，并將診斷結果通過服務中心、ZigBee網絡發送到患者手中。

1 系統功能介紹[1-2]

電極檢測到的心電信號，先通過心電信號采集模塊進行處理，然后通過A/D轉換模塊轉換成數字信號，再通過數據存儲模塊儲存。無線通信模塊將存儲的心電信號發送到醫院服務中心，供給醫生診斷用。也可以通過USB模塊將心電信號傳送到電腦進行長久保存。人機接口模塊可以對導聯狀態和12導心電信號進行實時顯示。系統功能如圖1所示。

圖1 系統功能圖

2 系統模塊介紹

2.1 中央控制單元

中央控制單元采用MSP430 F449[3]單片機，是美國德州儀器公司（TI）推出的MSP430系列單片機。具有超低功耗、處理能力強大（16 位RISC處理器）等特點。其價格低廉、小型、快速、靈活，是業界功耗最低的單片機，非常適合開發體積小、功耗低的醫療器械。中央控制單元用來控制A/D轉換模塊、無線模塊、動態顯示模塊、存儲模塊、人機接口模塊和USB模塊。

2.2 心電信號采集模塊

心電信號采集模塊包括前端保護電路、導聯選擇電路、前置放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路和主放大電路，此外還有右腿驅動電路、1mV定標電路和導聯脫落檢測電路（如圖2所示）。電極檢測到的心電信號通過導聯線到達前端保護電路，然后通過導聯選擇電路得到V1、V2、V3、V4、V5、V6等6個胸導，a VR、a VL、a VF 3個加壓肢體導聯和標準Ⅰ、標準Ⅱ、標準Ⅲ，共12導信號[4]。其中的加壓肢體導聯是通過單擊肢體導聯計算得來。12導信號通過前置放大電路放大20倍，再通過低通濾波電路、高通濾波電路（選擇頻帶為0.05～100Hz），工頻濾波電路用來消除工頻干擾信號，最后經過主放大電路將心電信號放大30倍。整個電路總共放大倍數為600倍。由于采用了導聯選擇電路，原來的8路處理電路縮減為1路。

圖2 心電信號采集模塊結構圖

2.2.1 前端保護電路

前端保護電路由放電二極管、限流電阻、兩個反向連接的硅二極管和電壓跟隨器組成（如圖3所示）。放電二極管為高壓保護，其擊穿電壓為70V，主要是為了防止電擊時的高壓損壞心電圖機。反向連接的硅二極管為低壓保護，當干擾信號大于600mV時，二極管導通，從而保證心電信號的正常通過。電壓跟隨器提高了電路的帶負載能力。

圖3 前端保護電路

2.2.2 導聯選擇電路

導聯選擇電路由復用器、譯碼器和定時器組成，可以自動選擇各導聯。復用器U10～U13采用雙四選一復用器MAX4782，譯碼器采用 SN54AHC1369，定時器采用MSP430F449內部定時器。A、B、三個控制端由定時器采樣增/減計數模式，通過譯碼器輸出的控制電平來控制多路復用器的開關轉換。導聯選擇邏輯功能如表1所示。

表1 導聯選擇邏輯功能

2.2.3 前置放大電路

前置放大電路是第一級放大電路（如圖4所示）。由于輸入的心電信號幅度非常小，且有干擾信號，因此前置放大電路的主要功能是濾除共模干擾，同時對心電信號進行有限度放大。前置放大電路由放大器INA333構成，增益為20倍。其作用為抑制靜電耦合引起的工頻干擾和電磁感應引起的共模干擾。

圖4 前置放大電路

2.2.4 低通濾波電路

采用二階低通有源濾波[5]（如圖5所示），其截止頻率為106Hz。

圖5 低通濾波電路

2.2.5 高通濾波電路

采用二階高通有源濾波電路（如圖6所示），其截止頻率為0.05Hz。

圖6 高通濾波電路

2.2.6 工頻抑制電路

工頻抑制電路由多重反饋有源帶通濾波器和加法電路組成[6]（如圖7所示）。將多重反饋有源帶通濾波器的中心頻率點調整為50Hz，信號經過多重反饋有源帶通濾波器時只有50Hz信號能通過，并且相位反向，反向后的信號在加法電路中與原始信號相加，原始信號中50Hz信號被抵消，其他頻率成分通過，從而消除工頻干擾。實際測量的50Hz信號衰減了-32dB。

圖7 工頻抑制電路

2.2.7 右腿驅動電路

右腿驅動電路是作為病人的地（如圖8所示）。將RA、LA和LL的信號連到一點作為威爾遜中心點[7]。在右腿驅動電路中，把右腿接到一個輔助運放的輸出端。身體上的共模電壓從威爾遜中心點檢測到，通過該輔助運放反相，放大反饋到右腿上。此負反饋使得共模電壓降低，同時使身體的位移電流不流到地，而流到運放輸出電路，這樣就減少了共模電壓的拾取，并且有效地使病人接地。威爾遜中心點，同時還作為3個單極肢體導聯和6個胸導聯的參考電壓。

圖8 右腿驅動電路

2.2.8 主放大電路

將經過濾波的心電信號放大30倍（如圖9所示）。

圖9 主放大電路

2.2.9 1mV定標電路

為了衡量心電圖波形的幅度，對心電圖機進行檢測，需要在前置放大器的輸入端輸入1mV的矩形波。當按下J1時便給出一個負脈沖，送到三極管基極使三極管導通。這樣+5V電壓便通過三極管和1.1kΩ電阻加到3V穩壓管上，使得穩壓管穩壓在+3V。經過前面電阻分壓最終在INA333的正輸入端得到一個1mV的電壓。兩個10kΩ電阻是通過導聯選擇電路加到INA333上的（如圖10所示）。

圖10 1mV定標電路

2.2.10 導聯脫落檢測電路

導聯脫落檢測電路用來檢測除了右腿以外的所有導聯的狀態。該導聯檢測電路包括上拉電阻，MSP430F449內部比較器A，中斷口P1.0（如圖11所示）。

圖11 導聯脫落檢測電路

在導聯上接一個10MΩ的上拉電阻，當任一導聯發生脫落時，電壓被上拉至+2.5V。上拉電路的輸出連接到比較器A的正輸入端P1.6，負輸入端采用內部參考電壓發生器產生的0.25VCC（+3.3V）。當導聯脫落時，比較器的輸出CAOUT變為1，此時將中斷P1.0置位。并將導聯狀態顯示在LCD屏上。

2.3 A/D轉換模塊

采用MSP430F449內嵌的A/D轉換模塊進行模數轉換。它是8通道12位，轉換時間小于10μs的A/D轉換器。有6種參考電壓和4種轉換模式可供選擇，采樣速度高達200kb/s。選用AVcc作為正參考源，AVss作為負參考源，采用單通道多次轉換模式，為了保證高保真記錄心電變化的波形每導采樣頻率設為512Hz。

2.4 無線模塊[8]

無線模塊采用chipcon公司的CC2430芯片。CC2430芯片在單個芯片上整合了 ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用 1 個8 位8051MCU，具有 128KB可編程閃存和 8 KB 的 RAM，還包含A/D轉換模塊、幾個定時器、AES-128 協同處理器、看門狗定時器、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及 21 個可編程 I/O 引腳。

2.5 人機接口模塊

人機接口模塊主要包括一塊 LCD 和一個鍵盤。LCD 主要用來實時顯示采集到的12導心電信號、導聯狀態和移動網絡信號的強弱。用戶通過鍵盤來選擇 LCD上顯示的各種菜單， 通過中斷方式向中央控制模塊 MSP430F449 發出控制指令，實現無線通信、采集心電數據等各種功能。

2.6 USB模塊

USB模塊采用TI公司的TUSB3410芯片。TUSB3410為TI公司推出的一款用于USB-TO-UART端口的橋接器，包括通過USB總線與主機進行通信所必需的全部邏輯電路，符合USB2.0規范，支持最高12Mb/s的全速傳輸，支持USB中止、恢復及遠程喚醒功能；同時，其內部包含一個8052的CPU核、16KB RAM、包含I2C引導加載程序的10KB ROM，4個通用I/0口，具有USB總線供電和自帶電源兩種供電模式。MSP430F449與TUSB3410的主要端口連接見表2。

表2 MSP430F449與TUSB3420端口連接表

3 結論

本文設計的便攜式12導聯無線心電圖儀頻率范圍為0.05～100Hz，輸入緩沖級的輸入阻抗高達 100MΩ，電路總增益為600倍，共模抑制比為110dB，噪聲為3μV，50Hz干擾抑制比為30dB。符合醫藥行業標準中關于心電監護儀的高安全性、高輸入阻抗、高共模抑制比、高增益、低噪聲、低漂移等基本要求[9]。

該心電圖儀將心電信號的采集工作分離出來，由經過簡單培訓的護士負責或者由患者自己負責采集。采集到的心電數據通過ZigBee網絡傳送到醫院服務中心，醫生可以通過服務中心獲得病人的心電數據進行分析診斷，減少了心電圖醫師的工作量，給心臟病的診斷帶來了極大的方便。

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Design of Portable 12-Lead Wireless ECG System

WANG Shuo, WANG Feng,ZHOU Ping
School of Biological Science &Medical Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096, China

TH772+.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.02.010

1674-1633(2011)02-0035-04

2010-08-25

2010-12-15

本文作者：王碩，碩士研究生在讀。

汪豐，副教授，碩士生導師。

通訊作者郵箱：feng.wang@seu.edu.cn

Abstract:This paper introduces a portable electrocardiogram which is able to real-time display 12-lead ECG signals, and has ZigBee wireless transmission and USB high-speed transfer function. This electrocardiogram mainly includes signal processing module, A/D conversion module, USB wireless transmission module and man-machine interface module.Because of the use of lead choice circuit，signal processing circuits reduced from 8 to 1, greatly reduce the cost and increase the portability. This design reduced workload of doctors, brought patients with heart disease greatly convenient.

Key words:ECG monitor; remote medical; community medical; portable medical instruments