YZ袖珍式心電記錄器的研制

1 引言

YZ袖珍式心電記錄器是為捕捉偶發(fā)的異常心信號而設計的，其對早期心臟病的診斷有著重要的作用。它是一個以SPCE061A凌陽單片機^[1]為核心的數(shù)據(jù)采集、處理、保存和回放系統(tǒng)。其體積小，功耗低。具有三個干式電極，可產生9種導聯(lián)方式、記錄300s的心電信號，回放系統(tǒng)利用普通心電圖機進行回訪。

2 主要問題及對策

為了減少電極數(shù)量和記錄較多導聯(lián)方式，我們采用三電極的形式，兩個圓電極，一個頸電極，可以記錄標準導聯(lián)，模擬雄導聯(lián)多種導聯(lián)方式的心電信號。

心電信號QRST波群^[2]的主要頻率成分為30Hz以下，我們將記錄器的頻帶設計在0.16～35Hz。由抽樣定理，記錄35Hz的信號，其抽樣頻率大于70Hz。我們將記錄器的抽樣頻率設定為200Hz，這樣既可以保證將心電信號記錄下來，又可以將硬件未過濾掉的50Hz干擾信號取近來再用軟件濾波。

各種干擾，特別是50Hz交流電的干擾，使各類心電記錄器的設計過程中十分棘手的問題。在常規(guī)心電圖機中，一般采用高共模抑制比的放大器，嚴格的接地措施、右腿驅動電路、隔離放大器及限制周圍電磁干擾等方法來解決。但是，由于本儀器采用三個電極且是便攜式的，所以不能采用常規(guī)方法解決干擾問題。我們采用下述方法解決干擾問題。在輸入電路中加上截止頻率較高的對稱濾波器以消除無線電高頻電磁成分的干擾，然后采用三運放組合而成的高CMRR、低放大倍數(shù)的數(shù)據(jù)放大器。數(shù)據(jù)放大器能夠將50Hz的干擾信號衰減60dB以上。為了減少肌電干擾，我們設計了線性相位的濾波器^[3]，以程序的形式存在內存中。為了降低功耗，全部集成電路均采用CMOS器件和高速CMOS器件，并使用CPU休眠狀態(tài)和設置電源自動關閉電路。

3 硬件設計

心電記錄器硬件框圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)放大器采用三運放組合形式，輸入阻抗大于10MΩ，對不同皮膚的電阻有較大的適應性。

圖1 心電記錄器硬件框圖

Fig1 Hardware construction of ECG recorder

在多數(shù)情況下皮膚不需要處理即可直接提取心電信號，并在輸入端采取了保護措施。數(shù)據(jù)放大器對50Hz共模信號抑制能力大于80dB。由于電極直接與患者的皮膚接觸，因此可能產生較大的極化電壓，實驗測得一般最大為200mV。抑制極化電路設計為可抑制300mV的極化電壓。

低通放大器采用漂移低噪聲的運算放大器，減小了高頻噪聲對數(shù)模轉換器的影響，轉折頻率為60Hz。模數(shù)轉換器將獲取的模擬心電信號轉換成數(shù)字信號以輸入計算機，抽樣頻率為200Hz。

單片機^[4]是本儀器的核心。由它控制模數(shù)轉換器、數(shù)模轉換器、存貯器、電源、聲光指示電路工作。單片機還能夠對獲取的心電信號進行數(shù)字濾波，抑制基線漂移等處理^[3]，并能夠識別電極是否與皮膚接觸良好。在硬件不變的情況下，軟件可不斷豐富分析和識別功能，使本機能夠檢查和預測多種心臟病。

存貯器芯片用于保存所獲取的心電信號，對存貯器的要求是容量大、功耗低。數(shù)模轉換器的作用是在回放時把數(shù)字形式存入存貯器內的心電信號轉換成模擬信號。為了使數(shù)模轉換器輸出的模擬信號，能夠通過普通心電圖機回放，設立一個衰減器電路。

為保證在電源電壓變化時，記錄器的放大倍數(shù)和模數(shù)轉換、數(shù)模轉換的精度不變，故設立精密電源電路，以保證在電源電壓6.5V變至4.5V時，1mV標準信號的變化小于5%。

4 軟件設計

軟件流程圖見圖2。

4.1 初始化

每次采集數(shù)據(jù)或回放數(shù)據(jù)前，應檢查數(shù)據(jù)記錄的次數(shù)、存放數(shù)字濾波器的系數(shù)，確定下一快數(shù)據(jù)的起始地址，在未用到的存貯器空間中，保留1mV方波信號。

4.2 采集數(shù)據(jù)

由單片機內的計數(shù)/定時器每5ms產生一次中斷，即采樣頻率為20Hz，采集由模/數(shù)轉換后的數(shù)據(jù)，并存放在外部數(shù)據(jù)存貯器中。

圖2 軟件流程圖

Fig2 Software flow chart

4.3 實時處理數(shù)據(jù)

為清除工頻干擾，我們采用了有限沖激響應(FIR)^[5]低通數(shù)字濾波器。為減少數(shù)據(jù)存貯的空間，采用實時處理的方法，并壓縮數(shù)據(jù)^[6]，達到每秒鐘存貯100個數(shù)據(jù)。FIR數(shù)字濾波器的設計采用等波紋切比雪夫逼近法。即在濾波器通帶和阻帶內部分別以切比雪夫函數(shù)逼近，使這些峰值的絕對誤差最小，獲得最佳設計^[7]。由于這種最佳解是唯一的，可以采用標準最優(yōu)化設計方法來求解濾波器的系數(shù)。

4.4 分析數(shù)據(jù)

每采集完一次數(shù)據(jù)，要執(zhí)行分析程序，檢查是否有空采集，或者電極接觸不良造成數(shù)據(jù)不好。若采集完后，有聲光提示，提示使用者重新采集數(shù)據(jù)，并且將前一次不好的數(shù)據(jù)清除。

4.5 回放數(shù)據(jù)

由單片機內的計數(shù)/定時電路每5ms中斷一次，將采集的數(shù)據(jù)^[8]送到D/A轉換電路，直至心電圖機。將記錄的數(shù)據(jù)按采集時間的先后順序逐塊秒計。最多描記10塊。描記完后，將消除所記錄的數(shù)據(jù)，也可在描記心電圖的過程中停止描記，這樣仍保留原有數(shù)據(jù)，可以重新描記，回訪數(shù)據(jù)，每兩個記錄間內插一個點輸出，使描記曲線平滑。

4.6 輸出1mV方波

在還沒有記錄心電數(shù)據(jù)時，若回放數(shù)據(jù)就是輸出1mV的方波，它作為一標準信號，用于校驗心電圖機。另外，本程序在回放數(shù)據(jù)時，自動產生快標志，此標志也為1mV方波。

4.7 電源電壓檢測

開始采集數(shù)據(jù)時，首先檢測電源電壓，當其值小于4.2V時，即會有聲光報警，保證正常地采集數(shù)據(jù)。

5 結束語

本儀器經(jīng)山東省立二院、濟南中心醫(yī)院、濟南第五醫(yī)院試用證明達到設計要求。在捕捉突發(fā)性有感心電失常方面，有較好的效果，具有體積小、價格低、使用方便的特點。

參考文獻

[1] 彭傳正,林春景. 凌陽單片機原理與實踐[M]. 北京航空航天大學出版社,2006

[2]Ieif Sornmo.Adaptive QRS detection: A Study of performance .IEEE Trans. Biomed. Eng［J］.1985, BME-32;392-401

[3] Jiapu Pan. A real-time QRS detection algorithm. IEEE Trans. Biomed. Eng［J］.1985, BME-32;230-236

[4]呂能元，孫育才，楊峰.單片微型計算機原理接口技術應用實例[M].北京科學出版社，1993

[5]Van Alste A. Removal of base-line wander and power-line interference form the ECG by an efficient FIR fiter with a reduced of taps. IEEE Trans. Biomed. Eng［J］.1985, BME-32;1052-1060

[6]Abenstein Jone p.A new data-reduction algorithm for real-time ECG analysis. IEEE Trans. Biomed. Eng［J］.1982, BME-29;43-48

[7] 毛建東. .基于LabVIEW的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計［J］．微計算機信息，2006，3-2：41-42

[8] 員天佑，謝閱，李潮．基于單片機的多路信號異步采集技術［J］．微計算機信息，2006，4-2：44-45