便攜式家庭心電檢測診斷儀的研制

1、引言

隨著人民生活水平的提高以及社會老齡化程度的加深，心腦血管疾病的發(fā)病率呈上升趨勢，已成為威脅人類身體健康的殺手之一。因為心臟病的發(fā)作具有突發(fā)性和隨機性，為患者提供普及性心電圖機以成為發(fā)展的必然趨勢。隨著電子科技的不斷發(fā)展，生命科學(xué)和信息科學(xué)的結(jié)合越來越緊密，許多研究人員都投身于人類的健康事業(yè)發(fā)展中。Holter的出現(xiàn)，使心電圖機進入家庭變成了可能，但基于心電工作站的模式，使個別地區(qū)的患者因醫(yī)院分析診斷系統(tǒng)的不健全，而變得不適用[1]；基于嵌入式及DSP的心電監(jiān)護儀功能強大，但又因芯片價格的高昂而有悖于我國基本國情，不利于家庭的普及[2]。因此，一種性能優(yōu)良，帶有自動檢測診斷功能，而又符合我國人均收入水平不高這一國情的心電圖機的研制顯得尤其重要。基于這一目的，我們已經(jīng)研制了基于80C196KB單片機的家庭便攜式心電監(jiān)測診斷機，該機器可以對病人進行心電信號的實時采集和分析，并通過液晶實時顯示出來，檢測診斷使得機器更容易在一般家庭中普及；對于有經(jīng)驗的患者，機器還可以在凍結(jié)波形后，對波形實際測量，可以準確地了解心電波形異常的嚴重程度，從而為患者提供了更多有用的信息。

2、心電檢測診斷儀的系統(tǒng)設(shè)計

眾所周知，心電信號是一種非常弱且頻率較低的信號[3]，一般幅值在0.05～4mV，頻率在0.05～100Hz。在檢測過程中，電極與人體間的極化電壓、50Hz工頻干擾、儀器內(nèi)部噪聲和環(huán)境電磁場的干擾對心電信號造成很大的干擾，給信號的完整、不失真的采集帶來了很大的困難。為此，我們在進行模擬電路設(shè)計的時候，充分考慮到干擾問題，采用了功耗低、精度高、電源抑制比很高的放大器，從信號的采集和傳輸、濾波處理過程中，盡可能避免外界干擾和電源干擾。由于我們所設(shè)計的心電圖機適用于家庭使用，心電波形則利用LCD直接顯示，其中還包括心率，時間等相應(yīng)參數(shù)，并在異常波形處自動報警，凍結(jié)波形，如果需要，還可以回放從這一時刻起前80s內(nèi)的波形，以方便使用者自己進行波形的測量和記錄。

2.1 系統(tǒng)硬件電路

出于電路功耗和成本考慮，系統(tǒng)采用單電源+5V供電，整個系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

2.1.1 模擬部分電路

由于只有單電源供電，模擬部分取2.5V為虛地。信號通過前置放大、高通及低通濾波、50Hz濾波，主放大、右腿驅(qū)動以及QRS波檢出器。電路中的放大器均采用AD公司生產(chǎn)的芯片，以保證機器的穩(wěn)定性和高性能。在前置放大電路中，采用了儀表放大器AD627A，除了在功耗方面表現(xiàn)突出，在性能方面也滿足了監(jiān)測的需要，同時為信號提供了20倍的放大。在濾波電路中，采用運算放大器OP491構(gòu)成截至頻率為0.05Hz的一階高通濾波器和截至頻率為100Hz二階低通濾波器。50Hz工頻濾波沒有采用傳統(tǒng)典型的對稱性雙T阻容有源陷波器，而是采用了一種新型有源陷波器設(shè)計[4]。該濾波器利用兩個電位器可分別調(diào)整中心頻率和品質(zhì)因數(shù)，同時降低了對元器件的要求，且能達到高精度的陷波效果，極大地方便了我們對電路的調(diào)試。該原理圖如圖２所示。QRS波檢出器包括帶通濾波器、全波整波電路、峰值檢測器和比較器構(gòu)成[5]。第一級是一個中心頻率為17Hz，Q值為5，增益為8的二階帶通濾波器，以提升QRS波的基波與二次諧波，抑制T波、P波、肌電、工頻及基線波動；第二級全波整流電路將濾波后的雙向波形整流為負向波形，消除極性對檢測的影響；第三級為峰值檢測器，利用R7、R8的分壓，取QRS波峰值的約65%作為閾值。第四級為比較器，當正相輸入端的電壓高于負相輸入端時，則產(chǎn)生一個+5V的脈沖，供后續(xù)電路使用。該原理圖如圖３所示。

2.1.2 數(shù)字部分電路

數(shù)字電路部分基于80C196KB單片機為核心進行設(shè)計的。心電信號采集到后，通過前面介紹的模擬電路部分進行預(yù)處理，然后（預(yù)處理過的信號）經(jīng)過80C196KB的ACH4口（A/D轉(zhuǎn)換口）輸入完成A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)波形顯示和分析。其中數(shù)據(jù)采樣率為200Hz，ACH5、ACH6和ACH7模擬輸入口作為數(shù)字口使用，完成鍵盤接口電路設(shè)計，實現(xiàn)心率的上、下限設(shè)定、心電波形的凍結(jié)、光標移動、報警系統(tǒng)的開關(guān)功能設(shè)定等。高速輸入口HSI0作為R波檢出脈沖的輸入，完成心率計數(shù)、異常心電信號分析、診斷等功能，并最終通過液晶顯示出來，再通過鍵盤實現(xiàn)人機對話，其中該液晶分辨率為320×240，由SED1335控制芯片進行控制。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計是監(jiān)護系統(tǒng)的重要組成部分之一，再好的硬件電路如果沒有良好的軟件支持，就如同沒有血肉的軀體，因此監(jiān)護軟件的質(zhì)量直接影響著監(jiān)護儀的性能指標。本系統(tǒng)的監(jiān)護軟件設(shè)計全部采用匯編語言編程實現(xiàn)。本系統(tǒng)監(jiān)護軟件包括主程序、系統(tǒng)初始化子程序、液晶清屏子程序、寫菜單子程序、報警子程序、軟件定時器中斷服務(wù)程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、HSI0中斷服務(wù)程序（分析、診斷子程序）、液晶列清屏子程序、液晶列顯示子程序、內(nèi)部RAM清除子程序外部中斷服務(wù)程序（鍵盤掃描子程序）、寫字段、移光標子程序等12部分組成。整個系統(tǒng)程序按照由頂向下、層層細化的模塊化設(shè)計技術(shù)。整個系統(tǒng)軟件采用了三個中斷，優(yōu)先級最高的是HSI0中斷（心電分析、診斷子程序），主要負責(zé)心率計算，異常波形分析、報警；優(yōu)先級最低的是外部中斷子程序，它完成鍵盤掃描、上下限心率們先設(shè)定等功能。其它的子程序主要是供主程序和這三個中斷程序調(diào)用，服務(wù)于它們，中斷程序和這些子程序相互協(xié)調(diào)，各司其職，共同完成本系統(tǒng)的軟件監(jiān)護功能。下面將針對本系統(tǒng)的監(jiān)護軟件的主要部分做一個介紹。

2.2.1 監(jiān)護系統(tǒng)主程序

監(jiān)護系統(tǒng)主程序是整個系統(tǒng)軟件的精髓，它的設(shè)計好壞直接影響著整個子系統(tǒng)程序的工作效率和工作性能，它包括對一些專用寄存器賦初值。例如堆棧的設(shè)定、I/O控制寄存器、A/D命令寄存器、中斷屏蔽寄存器、中斷掛號寄存器的預(yù)置和初始化。由于整個系統(tǒng)軟件是采用中斷方式進行設(shè)計的，所以主程序顯得清楚明了，主程序框圖如圖4所示。

2.2.2 軟件定時器服務(wù)中斷子程序

軟件定時器中斷子程序主要完成心電波形的顯示和滾動。它包括預(yù)置完成本次顯示所需要的時間值設(shè)定（時間值的設(shè)定與A/D轉(zhuǎn)換得采樣率有關(guān)，本系統(tǒng)的采樣率為200Hz）、調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序、列清除子程序、列顯示子程序、延時子程序、報警子程序、移動光標子程序等。其中A/D轉(zhuǎn)換子程序包括平滑數(shù)字濾波部分，主要用于進一步濾除毛刺，提高了機器的性能。

2.2.3 軟件定時器服務(wù)中斷子程序

軟件定時器中斷子程序主要完成心電波形的顯示和滾動。它包括預(yù)置完成本次顯示所需要的時間值設(shè)定（時間值的設(shè)定與A/D轉(zhuǎn)換得采樣率有關(guān)，本系統(tǒng)的采樣率為200Hz）、調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序、列清除子程序、列顯示子程序、延時子程序、報警子程序、移動光標子程序等。其中A/D轉(zhuǎn)換子程序包括平滑數(shù)字濾波部分。

2.2.4 軟件定時器服務(wù)中斷子程序

軟件定時器中斷子程序主要完成心電波形的顯示和滾動。它包括預(yù)置完成本次顯示所需要的時間值設(shè)定（時間值的設(shè)定與A/D轉(zhuǎn)換的采樣率有關(guān)，本系統(tǒng)的采樣率為200Hz）、調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序、列清除子程序、列顯示子程序、延時子程序、報警子程序、移動光標子程序等。其中A/D轉(zhuǎn)換子程序包括平滑數(shù)字濾波部分。

2.2.5 HSI0中斷服務(wù)程序

HSI0中斷服務(wù)程序主要是完成心率、顯示、異常心電分析與診斷?，F(xiàn)把這種方法介紹如下：軟件定時器每次完成一個心電波形點顯示時（液晶點數(shù)值）。利用軟件將其計數(shù)一次。當高速輸入口HSI0出現(xiàn)一個R波脈沖時，自動產(chǎn)生一次中斷。兩次中斷之間21H寄存器的值之差即為一個R波脈沖周期液晶屏顯示出的點數(shù)，而液晶顯示點數(shù)的速度即掃描速度是固定的，當選用25mm/s，將其換算成每秒鐘所顯示的點數(shù)，本監(jiān)護軟件的心率值采用8個瞬時心率值進行平均，并且每來一個瞬時心率值，平均計算一次，從而計算出心率值比較可靠、穩(wěn)定，誤差約小于±1。

2.2.6 報警系統(tǒng)

報警系統(tǒng)子程序為系統(tǒng)提供心電波形發(fā)生異常，心動過速（心率超過設(shè)置的上限值）或過緩（心率低于設(shè)置的下限值）、停搏、早搏、漏搏時，自動進行聲音報警，以便患者及時了解正在監(jiān)護的病人的病情狀況，有助于醫(yī)務(wù)人員的進一步治療。

3、小結(jié)

本儀器已經(jīng)通過測試，功能強大而實用，能很穩(wěn)定的長時間工作，體積小，能隨身攜帶，成本低廉，適合于有心臟病患者的家庭，對我國目前的健康事業(yè)有推動作用。

參考文獻

[1] 何軍。HOLTER的發(fā)展和現(xiàn)狀。實用醫(yī)技雜志，1997,4（8）：637.

[2] 王大雄，王國鈞。基于嵌入式微機的便攜心電監(jiān)護儀設(shè)計。航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2005,18（3）：198.

[3] 齊頒揚。醫(yī)學(xué)儀器。北京：高等教育出版社，1990.61.

[4] 姜宗義，龔衛(wèi)寧，儲得寶，等。一種新型有源濾波器設(shè)計。中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，1997,16（4）：323.

[5] 陳真誠，等。一種能實現(xiàn)QRS波群參數(shù)測量的心電監(jiān)護儀設(shè)計。航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2002,15（4）：246.

[6] Webster JG. An intelligent monitor for ambulatory ECG’s. Biomed Sci Intrum,1978,14:55.

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