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(hào)而設(shè)計(jì)的，其對(duì)早期心臟病的診斷有著重要的作用。它是一個(gè)以SPCE061A凌陽單片機(jī)^[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(gè)干式電極，可產(chǎn)生9種導(dǎo)聯(lián)方式、記錄300s的心電信號(hào)，回放系統(tǒng)利用普通心電圖機(jī)進(jìn)行回訪。

2 主要問題及對(duì)策

為了減少電極數(shù)量和記錄較多導(dǎo)聯(lián)方式，我們采用三電極的形式，兩個(gè)圓電極，一個(gè)頸電極，可以記錄標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)，模擬雄導(dǎo)聯(lián)多種導(dǎo)聯(lián)方式的心電信號(hào)。

心電信號(hào)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(shè)計(jì)在0.16～35Hz。由抽樣定理，記錄35Hz的信號(hào)，其抽樣頻率大于70Hz。我們將記錄器的抽樣頻率設(shè)定為200Hz，這樣既可以保證將心電信號(hào)記錄下來，又可以將硬件未過濾掉的50Hz干擾信號(hào)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(shè)計(jì)過程中十分棘手的問題。在常規(guī)心電圖機(jī)中，一般采用高共模抑制比的放大器，嚴(yán)格的接地措施、右腿驅(qū)動(dòng)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(gè)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(duì)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(yùn)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?qū)?0Hz的干擾信號(hào)衰減60dB以上。為了減少肌電干擾，我們?cè)O(shè)計(jì)了線性相位的濾波器^[3]，以程序的形式存在內(nèi)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(shè)置電源自動(dòng)關(guān)閉電路。

3 硬件設(shè)計(jì)

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(yùn)放組合形式，輸入阻抗大于10MΩ，對(duì)不同皮膚的電阻有較大的適應(yīng)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(hào)，并在輸入端采取了保護(hù)措施。數(shù)據(jù)放大器對(duì)50Hz共模信號(hào)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(chǎn)生較大的極化電壓，實(shí)驗(yàn)測(cè)得一般最大為200mV。抑制極化電路設(shè)計(jì)為可抑制300mV的極化電壓。

低通放大器采用漂移低噪聲的運(yùn)算放大器，減小了高頻噪聲對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的影響，轉(zhuǎn)折頻率為60Hz。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將獲取的模擬心電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以輸入計(jì)算機(jī)，抽樣頻率為200Hz。

單片機(jī)^[4]是本儀器的核心。由它控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、存貯器、電源、聲光指示電路工作。單片機(jī)還能夠?qū)Λ@取的心電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，抑制基線漂移等處理^[3]，并能夠識(shí)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(shí)別功能，使本機(jī)能夠檢查和預(yù)測(cè)多種心臟病。

存貯器芯片用于保存所獲取的心電信號(hào)，對(duì)存貯器的要求是容量大、功耗低。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的作用是在回放時(shí)把數(shù)字形式存入存貯器內(nèi)的心電信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。為了使數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號(hào)，能夠通過普通心電圖機(jī)回放，設(shè)立一個(gè)衰減器電路。

為保證在電源電壓變化時(shí)，記錄器的放大倍數(shù)和模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換的精度不變，故設(shè)立精密電源電路，以保證在電源電壓6.5V變至4.5V時(shí)，1mV標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的變化小于5%。

4 軟件設(shè)計(jì)

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(yīng)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(hào)。

4.2 采集數(shù)據(jù)

由單片機(jī)內(nèi)的計(jì)數(shù)/定時(shí)器每5ms產(chǎn)生一次中斷，即采樣頻率為20Hz，采集由模/數(shù)轉(zhuǎn)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(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)

為清除工頻干擾，我們采用了有限沖激響應(yīng)(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(shí)時(shí)處理的方法，并壓縮數(shù)據(jù)^[6]，達(dá)到每秒鐘存貯100個(gè)數(shù)據(jù)。FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)采用等波紋切比雪夫逼近法。即在濾波器通帶和阻帶內(nèi)部分別以切比雪夫函數(shù)逼近，使這些峰值的絕對(duì)誤差最小，獲得最佳設(shè)計(jì)^[7]。由于這種最佳解是唯一的，可以采用標(biāo)準(zhǔn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)內(nèi)的計(jì)數(shù)/定時(shí)電路每5ms中斷一次，將采集的數(shù)據(jù)^[8]送到D/A轉(zhuǎn)換電路，直至心電圖機(jī)。將記錄的數(shù)據(jù)按采集時(shí)間的先后順序逐塊秒計(jì)。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(gè)記錄間內(nèi)插一個(gè)點(diǎn)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(shí)，若回放數(shù)據(jù)就是輸出1mV的方波，它作為一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，用于校驗(yàn)心電圖機(jī)。另外，本程序在回放數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生快標(biāo)志，此標(biāo)志也為1mV方波。

4.7 電源電壓檢測(cè)

開始采集數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢測(cè)電源電壓，當(dāng)其值小于4.2V時(shí)，即會(huì)有聲光報(bào)警，保證正常地采集數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

本儀器經(jīng)山東省立二院、濟(jì)南中心醫(yī)院、濟(jì)南第五醫(yī)院試用證明達(dá)到設(shè)計(jì)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(jià)格低、使用方便的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭傳正,林春景. 凌陽單片機(jī)原理與實(shí)踐[M]. 北京航空航天大學(xué)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(jì)算機(jī)原理接口技術(shù)應(yīng)用實(shí)例[M].北京科學(xué)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(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2006，3-2：41-42

[8] 員天佑，謝閱，李潮．基于單片機(jī)的多路信號(hào)異步采集技術(shù)［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2006，4-2：44-45