淺議基于DSP的心電信號檢測系統

摘要：心電信號是一種生物電信號，它是心臟的電活動在體表綜合的體現，因為心電信號從不同層次上反映了體內心臟工作的狀態，所以在心臟疾病的診斷和治療中具有特別重大的參考意義。本文介紹了一種基于DSP的心電信號檢測系統。該系統在設計數字系統的時候主要是采用具有一定復雜性的可編程的邏輯器件。采用這種系統存在較多優勢，經濟便宜，且測量的精度高，功耗要求低，符合醫療儀器設計的相關要求。

關鍵詞：心電信號 可編程邏輯器件 數字信號處理器

中圖分類號：TH77 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0139-01

心電信號能被放置于體表的電極通過一定的聯接方式檢測出來，心電信號的檢測是心臟疾病臨床診斷的關鍵。隨著家庭保健意識的增強，心電檢測儀器逐漸開始進入普通家庭。DSP技術的發展，也為心電檢測儀器的便攜化與小型化提供了技術保證。本文對基于DSP芯片的心電信號檢測系統進行了介紹。

1 人體心電信號的產生機理

心電綜合反映了眾多的心肌細胞的心電活動，心肌細胞受到刺激的過程導致了心電的產生。當一端心肌細胞的細胞膜受到刺激，它對鈉、鉀等離子的通透性改變，導致膜內外產生離子流動，并使心肌細胞復極化與除極化，這個過程中和尚處于靜止狀態的鄰近細胞膜構成一對電偶，這個變化過程可以被放置于體表的電極檢測出來，這就是心電信號的生成機制。

2 基于DSP的心電信號檢測系統

2.1 系統整體結構

基于DSP的心電信號檢測系統包括信號模擬與數字這兩部分，圖1為該系統的總體設計框圖。心電信號檢測系統電路包括前端放大電路與右腿驅動電路、濾波電路、電平抬高電路與主放大電路等。心電信號檢測系統電路包括電源管理模塊、模數轉換模塊、存儲器模塊電路、TMS320VC5509處理器模塊電路、液晶顯示接口電路、鍵盤模塊等。其處理過程如圖1所示：首先利用傳感器來將心電信號獲取，然后處理信號，包括濾波處理以及模擬放大。再通過DSP進行模數轉換，將心電的數字信號進行處理得到平滑準確的心電信號數據， 最后將經過濾波的心電信號與計算機實時通信。本系統由復雜可編程邏輯器件作為外部控制電路， 控制LCD與多通道異步串行通信。

2.2 模擬部分

前置放大器在經過電極收集的心電信號時，會將其初步進行放大，一般放大十倍左右，當干擾信號被抑制，再送往低通濾波器中，將0.05～100Hz之外的一些干擾信號濾除掉。而主放大器則可以將心電信號的電壓放大到約一百倍的范圍。

2.2.1 前置放大

前置放大作為最關鍵的一步， 直接影響整個系統數據采集是否成功。前置放大器要求具有高共模抑制比、低漂移、高輸入阻抗、低噪聲等性能，通常采用差模輸入設計。

2.2.2 主放大電路以及帶通濾波

心電信號的頻率在0.05～100 Hz范圍內，可采用LM324的2個運放設計成低通濾波電路與二階有源高通組合成帶通濾波。模數轉換的輸入要求為0～3.3V，而心電信號的幅度大概在0～5mV之間，這就需要把心電信號放大一千倍左右，由于前置放大了十倍，從理論計算，主運放將信號應放大一百倍。

2.3 數字部分

數字部分主要任務是對心電模擬信號進行模數轉換以及信號處理，然后與計算機進行通信，完成其存儲和顯示。

2.3.1 模數轉換

該系統使用的TMS320VC5509模數轉換器是十位連續逼近型模數轉換器，用戶通過其內部可編程分頻器設置不同參數以產生不同的采樣率，該ADC在模擬輸入中采用的是十位的采樣位寬，同時具有四路的輸入，其心電信號的頻率在0.05～100Hz范圍內，它能夠滿足采樣的要求，因此，得到的心電信號也很準確。

2.3.2 設計復雜可編程邏輯器件控制電路

本系統對LCD及多通道的異步串行通信系統控制是和DSP一起實現的。該系統通過功能強大的復雜可編程邏輯器件擴展了異步串行通信口，使DSP能與多臺主機進行實時通訊。復雜可編程邏輯器件通過地址譯碼，選擇通信端口與串行通信功能，以特定的比特率同計算機進行通信。

3 軟件部分

軟件部分采取的是模塊化編程方式， 主程序的主要功能是對各個子程序進行組織、調用、協調工作。子程序包括模數轉換模塊子程序、數字信號處理程序、系統初始化程序、LCD顯示程序、計算機應用程序、鍵盤掃描程序等。系統充分利用了MATLAB的仿真功能，針對實驗數據進行仿真。

4 測試結果和分析

利用DSP開發軟件，對比了數字濾波前后的心電信號仿真圖，通過對比我們發現， 雖然原始心電信號經過了濾波設計， 但是受到噪聲的影響導致效果仍然比較差。由于設備的電氣特性以及電磁兼容等方面的原因，并因為模擬部分并沒有對50Hz工頻干擾進行濾波，在經過模數轉換采樣后的心電圖可識別性依然比較差，導致心電信號的主要波形受到影響。經過多階帶通濾波后，可以得到十分平滑的心電圖像，能夠基本上消除掉信號中的一些毛刺，也消除了50Hz工頻的干擾。經調試，本檢測系統成功過濾掉了各種干擾與噪聲，使心電圖放大了一千倍，得到的心電圖形完全符合醫學要求，并且在上位機顯示了一個健康的心電信號。

5 結語

目前，家庭保健是當前社會發展的一大趨勢和熱點。基于DSP的心電信號檢測系統的設計也為心電檢測儀器的便攜化與小型化提供了技術保證，并提高了其經濟性，相信心電信號檢測設備不久之后也將進入普通家庭。

參考文獻

[1] 高秉新.心電向量圖圖譜[M].北京：北京醫科大學中國協和醫科大學聯合社，1995.