專為健康監(jiān)控設計的家用holter監(jiān)護儀方案實現

1 前言

前年，當我購買自己的第一臺筆記本電腦時，也算是煞費苦心，終于選中了一款自己覺得還可以，而且比較主流的機器?？墒且荒旰螽斘以俅翁と腚娔X商城時，忽然發(fā)現通過一年來對筆記本電腦的使用，我非但沒有更加熟悉筆記本，反而變得更生疏了?？犷５奶幚砥饕呀洸辉偈切麄鞯馁u點，DDRII的內存也很少出現，主頻高出了我的預想……所有我了解的性能參數都仿佛來到了另一個時代。我不得不感嘆自己真的OUT了。記得大學第一節(jié)C語言課上老師說：“內存——我們心中永遠的痛!”覺得很是有道理。然而，當我年前再次把目光投向電腦市場時，卻發(fā)現情況似乎有了很大的改觀。內存好像已經不再是很大的瓶頸。受摩爾率指導的電子產品的更新速度簡直到了讓我無法理解的地步。我曾看到有人說：與其說是摩爾率在起作用，倒不如說是科技進步和市場需求在起作用。不過對我來說，無論是什么在起作用，這個世界的節(jié)奏都已經快到讓我很難靜下來思考的速度。

但是一旦靜下來思考，會想到什么呢?周圍所有的東西都在不停的發(fā)展。從綠皮火車到高鐵，從菜價到房價，從農村到城市……雖然周圍很多人都在罵罵咧咧的抱怨，但很少有人會覺得現在的日子不如一前。也就是說，無論生活、環(huán)境給了我們多大的壓力，我們還是在邁著前進的步子。然而前進的路上，又有誰和我們一道風雨兼程呢?

人類對于科技的應用雖然為自己開辟一條難得的前進之路，但同時也告知了我們的同伴應當何去何從。并不是所有的同伴都可以風雨同舟，因為有同伴躲在陰暗的角落里，在伺機向人類發(fā)起進攻。當然，被我們經常說道的生老病死中的病，便是在等候著專屬于它的時機。而人類個體的生命大多也是在它的陪伴下，走向終點。

疾病的迅速發(fā)展，不僅緣于它驚人的繁衍速度，還在于人類科學技術發(fā)展對其的指引。當我觀察人類與疾病的抗爭時，想到的卻是，當我還是一個孩子的時候，當我想要做的是大人們所不愿接受的事情時，大人們幾乎總是窮盡辦法來阻止我的行動，當然更多的是呵斥。但不管怎么說，在大人們的指引之下，最終我還是在向一個對的方向前進。人類與疾病之間的斗爭，大人對小孩的指引，這兩者在某種程度上的相似，讓我萌生了一種想法：疾病是否就是那個在科技指引之下的孩子。

疾病的不斷發(fā)展，也從另一個角度不不斷督促著人類對自身的認知。這應該就是禍福相依的一種具體表現形式吧。正如人們由表及里，有外觀而內涵的認知規(guī)律一樣，疾病的發(fā)展抑或說前進方向也是如此?？萍嫉陌l(fā)展使得原來極其棘手的疾病失去了它原有的恐怖外衣，但隨之而來的卻是以前從沒有出現過的難題。但無論怎樣這些我們都不能回避，因為這里的每一次戰(zhàn)斗都是關乎生死的抗爭。

所有人，正如在戰(zhàn)火席卷的國度中的人民一樣，無論愿意與否，他總會卷入與疾病抗爭的之中。而我們在這場抗爭中能做些什么呢?是像平民一樣任人魚肉，還是像極端的武裝分子一樣盲目抵抗。當然這并不是一個只有A、B選項的選擇題，我們可以窮盡所能給出自己滿意的答案。雖然，人類總是以自己的生生不息來證明自己的勝利。但是正如我開始所描述的情況一樣，疾病的進化速度也快的驚人。有時快到，甚至不給人類以思考的機會。你會發(fā)現，過剩的不僅是CPU，還有病原體。

當我很長時間之后，再次踏入醫(yī)院。卻發(fā)現原來可以通過注射藥劑治好的病癥，現在得改用輸液了。這讓我不得不承認，當今的世界，病菌的進步速度已經在我之上了。被世界遺棄，還是奮勇追擊，這的確是一個問題。當然，面臨的問題很多，但現在我又該做些什么?醫(yī)學對我來說是個很遙遠的專業(yè)，但正如距離軍人這種職業(yè)很遙遠的平民，在面對國家安全這種問題時總要做些什么一樣，似乎大家都應該出分力，而且還應當清楚“分”是“分內”的“分”。

現在，當我即將讀完四年大學時，從哪里來的問題，我不必花費什么心思，但是往哪里去的問題卻是不得不思考的。正如我前邊所描述的，周圍的一切都在發(fā)展，當然也包括老百姓的生活水平。這里我不是一個政客，我只是在描述自己的見聞。這樣就會形成一個我所見聞的關系網絡：科技、發(fā)展、疾病、生活、專業(yè)……無論是從一個即將步入職場的儀器類學生的角度，還是從一個具有社會責任心的公民的角度來看，醫(yī)療器械都將會是一個很有發(fā)展前景的行業(yè)，近來很多公司的產品動向和一些活動中的產品展示，也都肯定了這個判斷的正確性。如此看來，便捷的家用醫(yī)療儀器定然會走向千家萬戶，事實也正是如此。

由于母親高血壓的緣故，幾年前，家里就購買了家用的電子血壓計，以便于母親能及時知道自己的血壓狀況。有段時間母親一度想要購買一款心電圖機，因為聽說通過心電圖可以更好的了解自己的健康情況，不過最終還是因為受限于獲取心電圖信息那些復雜方法難以學習，而只好作罷。這樣看來，一個家用holter監(jiān)控器也確實有其施展的天地。

總體設計方案

1) 心電的特點：

1、微弱性。人體體表的心電信號很微弱，一般只有0.05-5mV。在測量中，對于如此微弱的信號，很難進行直接記錄或處理，必須通過放大器適當放大，同時必須濾波處理。

2、低頻特性。人體心電信號的頻譜范圍在0.05-100Hz，其能量譜主要集中在0.5-35Hz，頻率是比較低的。

3、高阻抗特性。作為心電的信號源，人體源阻抗一般較大，可達幾千歐姆至幾萬歐姆，這將給心電測量帶來誤差和失真。

4、不穩(wěn)定性和隨機性。人體是在內部環(huán)境與外部環(huán)境相適應的條件下維持新陳代謝的，為適應外部環(huán)境的變化，人體內各種系統(tǒng)的活動都會在相互影響中不斷調整，以便與外部環(huán)境保持平衡，同時遺傳等因素也會造成人體的個體差異性，這使得人體心電信號表現出不穩(wěn)定性和隨機性。

2) 心電信號的干擾

1、工頻干擾。由于日常供電網絡的存在，50Hz工頻干擾是最常見的干擾，它是心電信號主要的干擾源之一。50Hz工頻干擾主要通過人體和測量系統(tǒng)輸入導線的電容藕合，以位移電流的形式引入，其強度足以淹沒心電信號。

2、電極極化電壓干擾。心電信號是通過緊貼在人體體表的電極提取的，而與電極接觸的是電解質溶液(導電膏、汁液或組織液等)，這會形成一個金屬與電解質溶液的界面。由于電化學的作用，在二者之間會產生一定的電位差，稱為極化電壓。極化電壓的幅度一般較高，在幾毫伏到幾百毫伏之間。當兩個電極的狀態(tài)不能保持對稱時，極化電壓就會產生干擾，特別是在電極與皮膚接觸不良以致脫落的情況下更為嚴重，而且電極在皮膚表面的移動也會引起電位差變化。

3、肌電信號干擾。肌肉的興奮與收縮會引起生物電變化，而這些生物電將在人體表面產生一定的電位差。由于心電信號必須通過貼在人體表面的電極進行提取，因此同時肌電干擾信號也會被提取出來。肌電干擾信號是一種快速變化的電壓信號，其頻率范圍為20-5000Hz。

4、測量設備自身產生的干擾。信號處理所采用的電子設備本身也會產生噪聲，這種干擾一般都是高頻干擾，用低通濾波器就可濾除。

5、高頻電磁場干擾。隨著無線電技術的發(fā)展，各種頻段的無線電廣播、電視發(fā)射臺、通訊設備、雷達等電子設備的工作使空間存在著大量的電磁波。這些高頻電磁干擾可通過測量系統(tǒng)與人體連接的導線引入，并引起測量結果的不穩(wěn)定，嚴重時會使測量系統(tǒng)不能正常工作，必須加以消除。

3) 電極的選取

電極是來攝取人體內各種生物電現象的金屬導體，也稱作導引電極。它的阻抗，極化特性、穩(wěn)定性等對測量的精確度影響很大。

1、金屬平板電極。金屬平板電極是測量心電圖時常用的一種肢體電極，它是一塊鎳銀合金或銅質鍍銀制成的凹形金屬板，這種電極比較簡單，其抗腐蝕性能、抗干擾和抗噪聲能力較差，在微電流通過時容易產生極化，而且電位不穩(wěn)定和電位隨時間漂移嚴重，信號失真也較大缺點。

2、吸附電極。吸附電極是用鍍銀金屬或鎳銀合制而成，呈圓筒形，其背部有一個通氣孔，與橡皮吸球相通，它是測量心電時作為胸部電極的一種常用電極。該電極不用扣帶而靠吸力將電極吸附在皮膚上，易于從胸廓上一個部位換到另一部位。使用時擠壓橡皮球，排出球內空氣，將電極放在所需部位，然后放松橡皮球，由于球內減壓，使電極吸附在皮膚上。但這種電極，由于只有圓筒底部的面積與皮膚接觸(即接觸面積小)，從而使得它的阻抗和對皮膚的壓力很大，因此，不適用于輸入阻抗低的放大器和不宜作長時間監(jiān)護之用。

3、圓盤電極。圓盤電極多數采用銀質材料，其背面有一根導線。有的電極為了減輕基線漂移及移位偽差在其凹面處鍍上一層氯化銀。值得注意的是，該電極在使用一段時間后必須重新鍍上氯化銀。

4、懸浮電極。懸浮電極分為永久性和一次性使用的二種。其中永久性懸浮電極又叫作帽式電極，其結構是把鍍氯化銀或燒結的Ag-AgCI電極安裝在凹槽內，它與皮膚表面有一空隙。使用時，應在凹槽內涂滿導電膏，用中空的雙面膠布把電極貼在皮膚上。由于導電膏的性質柔軟，它粘附著皮膚，也粘附著電極，當肌肉運動時，電極導電膏和皮膚接觸處不易發(fā)生變化，起到接觸穩(wěn)定的作用。一次性懸浮電極也叫作鈕扣式電極，其結構是將氯化銀電極固定在泡沫墊上，底部也吸附著一個涂有導電膏的泡沫塑料圓盤，使用前，圓盤周圍粘有一層保護紙，封裝在金屬箔制成的箱袋內，用時取出，剝去保護紙，即可使用。

5、軟電極。為了克服由于各種硬質電極與皮膚貼附不緊密而當人體有所活動時，電極與體表之間的接觸可能會改變原來的狀態(tài)而引起意外的移位偽差，而生產出了軟電極。一種常見的軟電極是貼在膠布上的銀絲網電極。使用時，只需把銀絲網涂上導電膏后貼在所需的人體部位即可。另一種軟電極是在13um厚的，聚脂薄膜(Mylar)上鍍一層1um厚的氯化銀膜而制成的。整個電極的厚度僅為15um，質地十分柔軟。它適用于檢測、監(jiān)護早產兒心臟變化功能。

6、干電極。干電極是利用固態(tài)技術，將放大器與電極組裝在一起所示。使用時不必涂上導電膏而波形又不失真，但必須要一個輸入阻抗很高(Zsr>109Ω)的前置放大器相匹配。

出于對本設計方案的綜合考慮，使用平板電極。

4)總體設計方案

在了解了心電信號的特點之后，綜合考慮諸如：環(huán)境干擾、電極選擇、心電導聯(lián)體系、本設計的預期目標、以及USB Startkit & Etherner Startkit的優(yōu)勢，總體設計框圖如下：

硬件設計

心電信號輸入緩沖電路

心電信號從人體經電極首先進入緩沖電路，包括低通濾波和電壓跟隨兩部分。無源低通濾波的截止頻率為：

放大和右腿驅動電路

由于心電信號具有微弱、低頻、不穩(wěn)定、易受干擾等特點，使得心電信號的模擬放大環(huán)節(jié)非常關鍵，尤其是心電前置放大器直接跟被測信號相連，其設計和選擇直接影響整個測量系統(tǒng)的工作性能。這就要求所采用的放大器必須有低噪聲、低漂移、低失調參數、高共模抑制比、高輸入阻抗、非線性度小等特點。儀表放大器可以很好的滿足上述要求。

右腿信號采集電路專門用來消除由人體引入的共模干擾，又稱右腿驅動電路。該電路一般從前級放大電路的增益調節(jié)電阻處提取反饋信號，并將反饋信號輸入反向放大器的負端，放大后接到人體右腿。右腿驅動電路可等效為以人體為相加點的共模電壓并聯(lián)負反饋放大電路，它可以大大降低人體共模電壓的影響，使共模干擾降低到1%以下，而不會損失心電信號中的有效信號。高通和低通濾波電路

50Hz陷波電路

導聯(lián)選擇

本設計采用模擬開關CD4051控制導聯(lián)通道切換。

軟件設計

本設計中軟件部分主要分為兩部分：一部分是PIC32進行信號采集和存儲部分，一部分是PC機信號處理部分。

信號采集和存儲流程圖