心電信號的采集和便攜式心電圖機(jī)的設(shè)計(jì)研究

曲延鳳 劉翠紅

（章丘市中醫(yī)醫(yī)院心電圖室，山東 章丘 250200）

心電信號的采集和便攜式心電圖機(jī)的設(shè)計(jì)研究

曲延鳳 劉翠紅

（章丘市中醫(yī)醫(yī)院心電圖室，山東 章丘 250200）

心血管疾病是目前對人類危害最大、發(fā)病率和病死率最高的疾病之一。在心臟疾病的診斷過程中，必不可少的重要媒介就是心電圖檢測、心電信號的采集。如今，以VLSI技術(shù)和DSP技術(shù)為代表的電子信息技術(shù)發(fā)展迅速，心電圖機(jī)正小型化、功能多樣化、智能化成為主要趨勢。高性能、便攜式心電圖機(jī)的研制，為心臟疾病的及時(shí)診斷和治療提供較大的便利條件。被廣泛應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、工業(yè)控制、無線通訊、成像等領(lǐng)域的ARM微處理器，具有獨(dú)特的優(yōu)勢，即體積小、低成本、功耗低、性能高。本文介紹一款基于嵌入式系統(tǒng)，使用MSP430 F135的微處理器，低功耗便攜式心電圖機(jī)的設(shè)計(jì)。

便攜式；心電圖機(jī)；心電信號；采集

如今，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的生活節(jié)奏隨之加快，心血管疾病在身邊時(shí)有發(fā)生。但是，人們的健康意識與生活水平的提高在逐漸增強(qiáng)。對心臟健康狀況的隨時(shí)監(jiān)護(hù)，在危急時(shí)刻進(jìn)行及時(shí)的就診是必要的[1,2]，但是長住在醫(yī)院實(shí)施監(jiān)護(hù)與治療是不現(xiàn)實(shí)的，消費(fèi)者不可能支付起這樣高昂的藥費(fèi)，醫(yī)院門診也不可能承受起如此的就診壓力。

1 研究背景

醫(yī)療儀器的發(fā)展，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步不斷更新。如納米機(jī)械元件的使用，化學(xué)感測器具有可佩戴性，保健醫(yī)療器材進(jìn)入家庭等。在醫(yī)療儀器設(shè)計(jì)上，更多地注重信息與醫(yī)療技術(shù)的整合。便攜式心電圖機(jī)的設(shè)計(jì)也在順應(yīng)這一趨勢，預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生很大的市場發(fā)展?jié)摿ΑＰ碾妶D是利用心電圖機(jī)從體表記錄心臟每個(gè)心動(dòng)周期所產(chǎn)生電活動(dòng)變化的曲線圖形[3-5]。心電圖機(jī)是診斷心臟病的重要儀器之一，市場上品種也不少，但適合家庭使用的不多。家庭應(yīng)用心電圖機(jī)需要價(jià)格不能太高，功耗要低、操作便捷，本文主要闡述這一便攜式心電圖機(jī)的設(shè)計(jì)。

2 便攜式心電圖機(jī)的功能與基本原理設(shè)計(jì)

對心臟的隨時(shí)進(jìn)行健康監(jiān)護(hù)便于移動(dòng)和攜帶，心電圖機(jī)在設(shè)計(jì)上首先保證功能：才用液晶顯示系統(tǒng)對心電波形和工作菜單實(shí)時(shí)顯示；將需要存儲(chǔ)的心電信息利用外部存儲(chǔ)器加以保存，便于就診參考提取；心電圖可連接打印機(jī)打印存檔便于信息記錄的整理和保存；在模式設(shè)計(jì)上提供自動(dòng)、手動(dòng)的可供選擇的模式；便于對人體心電信號的采集與醫(yī)療機(jī)構(gòu)間的傳送。

便攜式心電圖機(jī)，為了方便使用，在設(shè)計(jì)上須滿足：低成本；體積小，重量輕，便于攜帶；有較強(qiáng)的抗干擾能力；低功耗；便于操作的特點(diǎn)，從而提高其性價(jià)比。心電圖機(jī)供電電池為干電池，但是存在問題，即低功耗，低時(shí)鐘頻率，操作反應(yīng)與啟動(dòng)快，系統(tǒng)配備高低不同兩頻率，根據(jù)使用者的需要而隨意切換。故，采用MSP430 F135靈活的時(shí)鐘模塊作為控制核心，外部存儲(chǔ)器采用低功耗的AT29LV1024和液晶顯示模塊LMS0192A。混合信號處理器MSP430，單芯片系統(tǒng)整合與精度較高，具有豐富的片內(nèi)外圍的指令單片機(jī)flash 16-bits reduced instruction set computer（RISC）微控制器功耗最低。采集與處理心電信號，可以簡化系統(tǒng)硬件電路，優(yōu)化系統(tǒng)。MSP430 F135外圍模塊處理功能比較強(qiáng)，便于心電信號由電極從人體采集，經(jīng)放大、濾波處理后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，送液晶顯示的采集、處理、存儲(chǔ)、打印以及傳輸?shù)募瞎δ堋０聪麓鎯?chǔ)鍵存到外部存儲(chǔ)器中，便于回放、打印與傳輸?shù)恼{(diào)用，便于醫(yī)師診斷間的信息反饋，真正實(shí)現(xiàn)對健康的隨時(shí)監(jiān)測，既節(jié)省用戶開支又減輕醫(yī)院門診患者過多帶來的壓力。

3 便攜式心電信號的檢測及采集

便攜式心電圖機(jī)心電信號檢測幅值范圍是0.05～4 mV，頻率為0.05～72 Hz。但是，在檢測中會(huì)有干擾信號存在，如“儀器內(nèi)部噪聲、電極板與人之間的極化電壓、50 Hz工頻干擾、和心電圖機(jī)周圍電場磁場與電磁場的干擾”等。

其中消除50 Hz工頻干擾心電信號，可以用自適應(yīng)模板法，則心電圖機(jī)模擬部分可以先將心電信號經(jīng)電極或?qū)?lián)線采集后，通過前置放大電壓，經(jīng)過低高通慮波，電壓放大器前級采用負(fù)反饋差動(dòng)放大電路（后級放大），將基線位置調(diào)整為1.25 V的心電信號硬件結(jié)構(gòu)。TI公司的基于雙運(yùn)放電路的微功耗儀表放大器INA321芯片，雙運(yùn)放電路的微功耗儀表，為心電信號的前級放大器（倍數(shù)為10倍）。干擾信號為72 Hz以上，屬于強(qiáng)干擾，0.05 Hz以下的信號為弱干擾。低通濾波電路，先濾取低于72 Hz的信號后，接高通濾除極化電壓信號，順利采集到心電信號。RC高通濾波電路具有高輸出阻抗，在后級同相放大電路（倍數(shù)為20倍）。

這樣，最高幅值4 mV的心電信號，放大200倍得到0.8 V，輸入范圍為0～2.5 V的12位A/DC參考電壓，參考電壓最好取1.25 V這個(gè)中間值，使之與放大后的心電信號疊加為（1.25±0.8）V，完全符合12位A/DC參考電壓中的信號輸入范圍內(nèi)，也保證了0.05～72 Hz的心電信號頻率，

信號處理，采樣頻率fs的設(shè)定，需要與采樣要求吻合，采樣速率也是有限的，如f449的AD采樣速率最高為200 KSPS。可以用定時(shí)器作為AD采樣的觸發(fā)信號進(jìn)行采樣的速率控制，每次定時(shí)器中斷（或中斷標(biāo)志位置位）后讀出上次采樣值并開始下一次得采樣。為了達(dá)到較為精確的采樣速率控制，可設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘為8 M。為保證轉(zhuǎn)換速率，最佳選取采樣率fs=200 Hz。系統(tǒng)的控制核心MSP430 F135，該Aluminum-Alloy Die Castings 12，功能齊全，提供了參考電壓、有采樣保持、采樣速率200 KHz，自動(dòng)掃描功能，內(nèi)、外通道共12個(gè)，MSP430 F135包含512B RAM，外設(shè)有基本時(shí)鐘系統(tǒng)、通用目的定時(shí)器、帶3個(gè)比較寄存器和通用串行同步接口USART0，一個(gè)容量為16個(gè)字的可編程緩沖器，具備自動(dòng)掃描功能，A/D轉(zhuǎn)換器不依賴中央處理器可獨(dú)立工作，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后可以自動(dòng)存入緩沖區(qū)，減輕中央處理器的工作負(fù)荷，去執(zhí)行其他的數(shù)字信號運(yùn)算或進(jìn)入省電工作模式。實(shí)現(xiàn)了采樣方式多樣化，基本能夠滿足用戶健康監(jiān)測和檢查的日常要求。

便攜式心電圖機(jī)的菜單和心電波形的顯示，模塊采用以MSP430作為液晶的微處理器的LMS-0192A液晶顯示。通過單片機(jī)采集和處理心電數(shù)據(jù)，輸出給液晶顯示。漢字菜單的顯示：菜單通過漢字字庫將漢字逐個(gè)轉(zhuǎn)換為“16×16”點(diǎn)陣形式，漢字都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)與之對應(yīng)，程序查表后就能顯示漢字，共32個(gè)16進(jìn)制的數(shù)據(jù)送液晶顯示。

4 小 結(jié)

便攜式心電圖機(jī)作為診斷心臟病的重要儀器，適合在家庭中使用。其設(shè)計(jì)體積較小，便于出門在外用戶的攜帶與使用。功能齊全且易于操作，價(jià)格上普通用戶基本都能接受，顯著特點(diǎn)就是功耗低，輕松實(shí)現(xiàn)心電信號的采集、處理、存儲(chǔ)、打印以及發(fā)送，大大簡化整個(gè)硬件電路，在及時(shí)隨地監(jiān)測心臟與保健方面，值得被推廣應(yīng)用。

[1] 包君康,張珣.基于USB數(shù)據(jù)采集便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2011,24(7):86.

[2] 王艷,陳玉敏.對便攜式心電圖機(jī)改進(jìn)的配置二例與經(jīng)濟(jì)效益分析[J].醫(yī)療裝備,2007,28(6):42.

[3] 雷玉峰,劉家壽,劉景霞.便攜式自動(dòng)分析心電圖機(jī)在臨床查體中應(yīng)用評價(jià)[J].實(shí)用心電學(xué)雜志,2003,12(2):140.

[4] 孫敬和,何小蓮,謝慧文,等.XFT-8001型便攜式心電計(jì)的臨床應(yīng)用[J].臨床心電學(xué)雜志,2011,20(5):357-359.

[5] 鄭曉婉,呂運(yùn)朋,馬金中.基于MSP430F1611的便攜式12導(dǎo)心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2009,17(4):12-14.

R540.4+<1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A class="emphasis_bold">1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-8194（2014）11-0375-021 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

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