手持式快速心電檢測儀設(shè)計(jì)

石波，張根選，曹陽

1 蚌埠醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)系，蚌埠市，233030

2 深圳迪美泰數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)有限公司，深圳市，518067

0 引言

隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，便攜式心電設(shè)備已經(jīng)打破醫(yī)用的傳統(tǒng)理念，逐步從醫(yī)院走向家庭。近年來，一些醫(yī)療器械研發(fā)機(jī)構(gòu)投入了大量的資源進(jìn)行家用心電設(shè)備的開發(fā)，以滿足健康人群和心臟病患者對非醫(yī)療環(huán)境保健、護(hù)理和監(jiān)護(hù)的需求。

現(xiàn)有的家用心電設(shè)備，按照信號獲取的方式，可以分為導(dǎo)聯(lián)線連接測試法和直接接觸測試法[1-3]。導(dǎo)聯(lián)線連接測試法大多采用一次性凝膠型心電電極片進(jìn)行信號采集，通常需要至少3根導(dǎo)聯(lián)線將電極片與心電設(shè)備相連。這種方法一方面增加了用戶的操作難度和使用成本，另一方面也容易引起皮膚過敏等癥狀，不適合于心臟病患者臨時(shí)快速檢測或健康人群日常隨時(shí)隨地的檢測。直接接觸測試法是利用無膏干性電極與皮膚直接接觸采集心電信號，不僅可以節(jié)約使用成本，而且應(yīng)用方便，節(jié)省時(shí)間，特別是對皮膚無刺激，使用更加安全。

隨著干性電極工藝和技術(shù)上的進(jìn)步以及成本的降低，目前市場上出現(xiàn)了較多的直接接觸式快速心電檢測儀器，如歐姆龍的HCG-801、邦普的EF1800、益體康的HC-201等。這些產(chǎn)品體積小、方便攜帶，通過直接皮膚接觸可快速進(jìn)行心電信號檢測。但是由于直接接觸測試法比導(dǎo)聯(lián)線連接測試法受到的干擾要大得多，導(dǎo)致這些產(chǎn)品的心電信號帶寬較窄。本文采用低倍數(shù)放大、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種手持式心電檢測儀，用于心率和心電圖快速檢測，心電信號帶寬0.05 Hz～150 Hz可調(diào)，可滿足日常健康保健和心臟病初步診斷的要求。

1 方法

1.1 導(dǎo)聯(lián)/電極的選擇

理論上，體表的任何兩個(gè)部位都可以作為電極接觸點(diǎn)記錄到心臟的電活動。但是在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得便于醫(yī)生進(jìn)行比較分析的心電圖，對電極的位置以及導(dǎo)聯(lián)線與放大器的連接方式都有嚴(yán)格統(tǒng)一的規(guī)定，這種電極位置及導(dǎo)聯(lián)連接方式稱為心電圖的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)[4]。目前，臨床上廣泛應(yīng)用的是標(biāo)準(zhǔn)12導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，分別為標(biāo)準(zhǔn)I、標(biāo)準(zhǔn)II、標(biāo)準(zhǔn)III、加壓導(dǎo)聯(lián)avR、avL、avF以及胸導(dǎo)聯(lián)V1-V6。其中，標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ導(dǎo)聯(lián)是左上肢電極連接放大器的正極，右上肢電極連接放大器的負(fù)極，我們可以采用兩片可重復(fù)使用的干性金屬作為電極，對左手食指(+)和右手食指(-)進(jìn)行心電快速檢測，如圖1所示。

圖1 手指接觸式心電采集Fig.1 ECG acquisition based on fingers touching

同理，采用此類的干性金屬電極也可以進(jìn)行Ⅱ、Ⅲ導(dǎo)聯(lián)以及V1～V6等胸導(dǎo)聯(lián)心電圖的快速檢測。

1.2 放大與模數(shù)轉(zhuǎn)換

傳統(tǒng)的心電采集前端模擬放大器多采用交流耦合的方式，主要使用儀表放大器集成電路(Integrated Circuit Instrumentation Amplifier，ICIA)芯片[5]或?qū)Ｓ眉呻娐?Application Specific Integrated Circuit，ASIC)芯片[6]來實(shí)現(xiàn)。不管是采用ICIA芯片還是ASIC芯片，多級模擬電路如前置放大、高通濾波、低通濾波、后置放大、50/60 Hz陷波等環(huán)節(jié)的使用導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部噪聲較大；同時(shí)過高的放大倍數(shù)使得放大器的輸入信號動態(tài)范圍(Input Signal Dynamic Range，ISDR)過小，在記錄干擾比較大的直接接觸得到的心電信號時(shí)，放大器容易飽和。本文采用低倍數(shù)的放大器[7]和高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter，ADC)來解決這些問題。

心電信號的幅值一般不超過5 mV，但是直接皮膚接觸式測量容易產(chǎn)生較大的極化電壓，最高可達(dá)300 mV。如果選用的ADC的參考電壓為2.5 V，則當(dāng)放大器的增益設(shè)置為8倍時(shí)，系統(tǒng)才不會因?yàn)楦蓴_過大而飽和。低放大倍數(shù)放大器的使用，還必須配合高分辨率的ADC提高測量精度。根據(jù)以上條件，本文選用TI(Texas Instruments)公司的ADS1255。ADS1255是一款24位的ΔΣ型ADC，內(nèi)置輸入緩沖器、低噪聲可編程增益放大器(Programmable Gain Amplifier,PGA)，共模抑制比可達(dá)110 dB。當(dāng)數(shù)據(jù)采樣率為500 SPS、PGA=8時(shí)，可提供20.9位有效分辨率，可以實(shí)現(xiàn)μV量級的分辨能力，完全能滿足測量要求。

1.3 心電信號預(yù)處理

心電信號比較微弱，在記錄過程中極易受到各種干擾的影響，如工頻干擾、呼吸干擾、肌電干擾、電極極化噪聲和電極接觸噪聲等，因此對記錄的心電信號進(jìn)行預(yù)處理是十分必要的。傳統(tǒng)的心電信號記錄在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前必須進(jìn)行濾波預(yù)處理。由于采用低放大倍數(shù)放大器和高分辨率ADC，系統(tǒng)具有很高的ISDR，因此濾波可以放在ADC之后采用純數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)。考慮到應(yīng)用于嵌入式設(shè)備，本文選用IIR濾波器。直接接觸獲取的心電信號的噪聲，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)采用凝膠型電極的導(dǎo)聯(lián)模式。圖2為采集的指端I導(dǎo)聯(lián)心電信號，經(jīng)過0.05 Hz～75 Hz的切比雪夫4階濾波后，可以看出心電信號中還含有較大的干擾。這些干擾信號的頻率與心電信號的頻率存在著重疊，因此僅僅采用數(shù)字濾波的方法還無法將其消除，需進(jìn)行進(jìn)一步處理。

圖2 指端I導(dǎo)聯(lián)心電信號Fig.2 Lead I ECG recordings with direct fingertip contact

1.4 心電波形識別與提取

本文采用模版相似度峰值方法[8]進(jìn)行心電P-QRS-T波形的識別，即將預(yù)先設(shè)定的P-QRS-T波形作為模版，對時(shí)間連續(xù)的每一個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)及其鄰近的不大于P-QRS-T時(shí)段的數(shù)據(jù)時(shí)段進(jìn)行相似度計(jì)算。模板相似度P定義為：

式中Y為預(yù)設(shè)模板；X為心電記錄數(shù)據(jù)或者其函數(shù)，N為P-QRS-T波形數(shù)據(jù)時(shí)段長度，t為心電數(shù)據(jù)記錄時(shí)間并且不小于N。根據(jù)上述方法對記錄的心電P-QRS-T波形的時(shí)間進(jìn)行鎖時(shí)，并對P-QRS-T波形時(shí)段的每一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖時(shí)和空間疊加平均運(yùn)算，以此消除隨機(jī)噪聲等干擾。圖3為在PC機(jī)上模擬運(yùn)行的結(jié)果。

圖3 心電波形提取Fig.3 ECG waveforms extraction

1.5 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和心電信號處理流程分別如圖4和圖5所示。

圖4 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of the device

圖5 心電信號處理流程Fig.5 ECG signals processing flowchart

干性電極通過直接與皮膚接觸采集人體體表心電信號，心電信號經(jīng)過阻抗匹配和放大后送至高速24位ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字信號由微處理器(Micro Control Unit，MCU)先進(jìn)行數(shù)字濾波預(yù)處理，然后完成心電P-QRS-T波形的識別和提取，結(jié)果在OLED屏幕上顯示。

為了保證運(yùn)算速度，微處理器選用微芯公司的PIC32MX4XXL。PIC32MX是32位高性能單片機(jī)，采用改進(jìn)的哈佛構(gòu)架，具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)和速度快等優(yōu)點(diǎn)。

2 結(jié)果

按照上述原理，開發(fā)了快速心電檢測儀，如圖6所示。

圖6 樣機(jī)實(shí)物照片F(xiàn)ig.6 A picture of the device

通過干性金屬電極直接接觸右手食指和左手食指進(jìn)行Ⅰ導(dǎo)聯(lián)心電快速檢測，圖6顯示了12 s心電圖的提取波形和心率值。其他導(dǎo)聯(lián)，如Ⅱ、Ⅲ、V1～V6等導(dǎo)聯(lián)心電圖，可保持放大器的負(fù)極接觸部位不變，通過改變放大器的正極接觸部位獲得。

3 結(jié)論

本文采用低倍數(shù)放大、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)數(shù)字濾波等技術(shù)設(shè)計(jì)了一種手持式心電檢測儀。利用干性電極直接皮膚接觸即可完成心率和心電圖的快速檢測。該設(shè)備體積小、攜帶方便，操作簡單，可用于心動過速、心動過緩、早搏、二聯(lián)律、三聯(lián)律、陣發(fā)性心動過速、漏博等心臟疾病的初步診斷。但是由于心臟病患者缺乏心電圖學(xué)相關(guān)的知識，對此類異常心電的自動診斷功能還需要進(jìn)一步完善。

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