MSP430單片機(jī)在醫(yī)療設(shè)備行業(yè)的應(yīng)用

作者：時(shí)間：2012-04-04 來源：網(wǎng)絡(luò)

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心電信號前置放大電路

電極獲取的心電信號是十分微弱的體表電信號且在心電信號檢測的過程中常伴有強(qiáng)干擾，因此必須經(jīng)特定處理后才能用于臨床診斷。本設(shè)計(jì)采用TI公司的精密儀表放大器INA326，設(shè)計(jì)了八通道心電信號采集電路，同時(shí)提取I、II及V1～V6八導(dǎo)聯(lián)心電信號，其它四導(dǎo)聯(lián)心電信號則在經(jīng)ADC變換后在數(shù)字處理部分根據(jù)需要利用I導(dǎo)和II導(dǎo)組合實(shí)現(xiàn)。心電信號前置放大電路如圖2所示。前級共模信號由被測者的左、右手以及左腿獲取，該電路在前級增加了一級共模信號驅(qū)動，用來降低共模信號的輸出阻抗和提高共模信號驅(qū)動能力，確保在多導(dǎo)聯(lián)情況下共模信號電平的穩(wěn)定。后級采用儀器放大器INA326獲得8路心電信號，INA326可以消除共模至雙端輸入的AC線路噪聲并放大輸入端所殘余的非直流信號，經(jīng)高倍放大后心電信號被送至ADC采樣電路。Ro、Co為輸出濾波器，可以濾除電路輸出的噪聲，同時(shí)可以作為ADC電路的輸入濾波器。INA326用獨(dú)特的內(nèi)部技術(shù)實(shí)現(xiàn)極好的共模抑制比。為了實(shí)現(xiàn)更好的高頻CMR，在2和3腳之間加了一個(gè)小電容，同時(shí)在儀器放大器的反相輸入端串接了與正相輸入端阻值相同的電阻，以減小INA326輸入偏置電流對輸出信號的影響。

圖3 右腿驅(qū)動電路

ADC恢復(fù)放大電路

由于電極電勢很高，實(shí)際可達(dá)500mV，因此通過交流耦合消除電極電勢的影響就至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)反饋配置中的ADC恢復(fù)放大器可以消除直流偏置。當(dāng)INA326的輸出電壓增大以后，反饋積分器將施加一個(gè)等量的負(fù)相電壓至INA326基準(zhǔn)端，通過此類線性化求和，可實(shí)現(xiàn)電極偏置的消除。直流恢復(fù)器的作用是將原本的直流耦合放大器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣黢詈戏糯笃鳎S著直流固有模式電壓的消除，輸出級可以放大交流心電圖信號而不會產(chǎn)生過飽和。

右腿驅(qū)動電路

50Hz工頻干擾是心電測量中最重要的干擾，僅靠前置放大器的高共模抑制比還不足以完全抑制，良好的右腿驅(qū)動電路可以提高電路的抗工頻干擾能力，并與人體和放大電路共同形成閉合回路，保證心電放大電路的正常工作。

由于源自人體的不同端點(diǎn)，左臂與右臂的心電圖信號處于不同的電平，且須被INA326放大，為了更好地抑制50Hz的噪聲，通過INA326所得到的人體共模電壓被用于反相共模信號，并與2.5V基準(zhǔn)電壓比較后通過運(yùn)算放大器OPA2335驅(qū)送至人體的右腿，僅需少量的小型放大器即可實(shí)現(xiàn)有效的共模態(tài)抑制改善。該方法不僅可以抑制50Hz工頻干擾還可根據(jù)心電信號適當(dāng)調(diào)整人體電平，便于ADC采樣。右腿驅(qū)動電路如圖3所示，其中COM端為前級運(yùn)放INA326的共模輸出信號，同時(shí)在前級還增加了一級電壓跟隨器用于隔離。

陷波電路

雖然前置放大電路對共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，但部分工頻干擾是以差模信號方式進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前級電路輸出的心電信號仍存在較強(qiáng)的工頻干擾，因此通常要進(jìn)行陷波。本設(shè)計(jì)利用美國凌力爾特有限公司的LTC1068-50集成開關(guān)電容濾波器設(shè)計(jì)了一個(gè)8階巴特沃斯50Hz陷波器，經(jīng)測試陷波深度可達(dá)50dB，可衰減100倍左右，效果比較理想。

心電數(shù)據(jù)采集電路

TI公司的ADS1258元件采用了低噪聲的delta-sigma ADC架構(gòu)，可有序地循環(huán)16個(gè)通道，單周期（零延遲）高速轉(zhuǎn)換速率可編程，速率1.8K~23.7KSPS每通道，不會產(chǎn)生性能衰退。附帶的內(nèi)置系統(tǒng)監(jiān)測寄存器提供了電源電壓、溫度、基準(zhǔn)電壓、增益、以及偏置的測量，已被廣泛用于諸如患者監(jiān)測及心電圖系統(tǒng)等高精度、多通道應(yīng)用，簡化的數(shù)據(jù)采集模塊的原理圖如圖4所示。注意要在ADS1258的模擬信號輸入端跨接一個(gè)2.2nF的電容來旁路ADC采樣電流。對±1V的輸入信號，可以不用分壓電阻橋，直接在其輸入端串接一個(gè)保護(hù)電阻即可。外部運(yùn)放OPA365將單端輸出轉(zhuǎn)變?yōu)槿罘州敵鲇脕眚?qū)動ADC，另外還要對2.5V的參考電壓進(jìn)行濾波及通過運(yùn)放OPA350緩沖來提供低噪聲參考電壓。

數(shù)據(jù)處理存儲顯示

單片機(jī)通過P1接口讀取ADS1258采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行特定處理后將數(shù)據(jù)依次存放在外部存儲器中。數(shù)據(jù)存儲器使用ATMEL公司的AT29LV1024，它具有1M位的存儲空間且具有掉電保護(hù)功能，可以在意外掉電或關(guān)閉電源的情況下保存數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)通過液晶顯示器顯示實(shí)時(shí)采集的心電波形及分析結(jié)果。另外系統(tǒng)采用MAX3232擴(kuò)展串口，并最終將心電數(shù)據(jù)傳送至醫(yī)院或疾病控制中心，便于醫(yī)院隨時(shí)了解病人的狀況。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

心電圖機(jī)的主控模塊和功能模塊按照系統(tǒng)功能框圖設(shè)計(jì)、執(zhí)行，微型十二導(dǎo)心電圖機(jī)的系統(tǒng)軟件功能框圖如圖5所示。