一種低成本的多路心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

彭 靳

（滁州學(xué)院 電子信息工程系，安徽 滁州239000）

一種低成本的多路心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

彭 靳

（滁州學(xué)院 電子信息工程系，安徽 滁州239000）

開發(fā)一種高性能、低成本的適合小型醫(yī)療機(jī)構(gòu)與家庭使用的多路心電監(jiān)護(hù)儀。系統(tǒng)采用AD620和TL082，分四路對采集到的人體體表心電信號進(jìn)行多級放大，并通過濾波，得到高保真放大信號，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字心電信號傳送給以C8051F320微處理器為核心的心電處理部分，對信號是否正常做出初步判斷，并把有診斷價(jià)值的信號存儲起來。

心電監(jiān)護(hù)；心電信號；低成本；多路

0 引言

隨著生活水平的提高，健康監(jiān)護(hù)越來越受到人們的重視。心電監(jiān)護(hù)指的是通過連續(xù)監(jiān)測病人的心電信號，及時了解病人的心臟工作情況，并在發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重心臟異常情況時，及時記錄并做出提醒。［1］心電監(jiān)護(hù)對于心血管病人顯得尤為重要，病人一旦發(fā)病就會很危險(xiǎn)，這就需要醫(yī)護(hù)人員實(shí)時觀察病人心電變化，這一看似簡單的工作實(shí)際卻耗費(fèi)大量的人力物力。如果能設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)，隨時隨地監(jiān)控病人的心電情況，并能初步判斷是否異常，這將大大降低病人的危險(xiǎn)，并減輕醫(yī)務(wù)工作者的工作量，因此我們設(shè)計(jì)開發(fā)了這種低成本便攜式心電監(jiān)護(hù)儀。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

心電監(jiān)護(hù)儀的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有兩部分組成：信號采集放大部分（I），信號存儲處理部分（II）。信號采集放大部分，采用醫(yī)用電極從病人體表采集心電信號，通過放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，將采集到的心電信號轉(zhuǎn)變成單片機(jī)能識別的數(shù)字信號。信號存儲處理部分，通過核心部件單片機(jī)C8051F320，接收數(shù)字的心電信號，按照設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)判斷是否正常，把不正常的信號存儲于外擴(kuò)存儲器上，在LCD上顯示相關(guān)信息，并通過聲光方式進(jìn)行報(bào)警提醒。［2］

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 信號采集放大部分

心電信號十分微弱，頻率一般在0.5～100Hz之間，能量主要集中在17Hz附近，幅度大約在10uV～5mV之間，所需放大倍數(shù)大約為500——1000倍。而50Hz工頻信號、極化電壓、高頻電子儀器信號等等干擾，要求心電信號在放大的過程中始終要做好噪聲濾除的工作，所以我們采用前置放大電路和后置濾波電路結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，力圖從多個方面削減這些干擾。［3］

2.1.1 前置放大電路

根據(jù)心電信號的特點(diǎn)，前置放大電路應(yīng)滿足高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲低漂移的要求。因此我們選擇AD620做為這部分的核心部件。

AD620是一種低成本高精度的集成運(yùn)放，只要改變片外1腳和8腳之間的電阻值（RG）就能夠獲得從1到1000的任意增益值。該芯片為8腳的雙列直插式封裝，具有供電電壓低，容易供電，應(yīng)用簡單的特點(diǎn)。另外，AD620的低電壓偏移的最大值為50μV，溫漂的最大值為0.6μV／℃。它的低噪聲、低輸入偏差電流以及低功耗的特點(diǎn)使得它非常適合應(yīng)用于像ECG這樣的醫(yī)學(xué)測量領(lǐng)域。AD620的連接如圖2所示。

圖2 前置放大電路

2.1.2 后置濾波電路

高頻干擾，其他醫(yī)療儀器的噪聲會干擾心電信號的測量，其幅度不是很高，但由于心電信號同樣較微弱，再加上前級的1000倍左右的放大，干擾信號必須考慮濾除。已知人體心電信號頻率大約為0.05Hz～100Hz，因此利用LM324分別設(shè)計(jì)一個高通濾波器和一個低通濾波器，組合成帶通濾波器。［4］

二階傳遞函數(shù)的一般形式為

其中，s為復(fù)頻率，ω0為轉(zhuǎn)折頻率，α為品質(zhì)因數(shù)Q的倒數(shù)，稱為阻尼系數(shù)。α、ω0為正數(shù)，這是二階系統(tǒng)保持穩(wěn)定的必要條件，分子G（s）為不高于二次的s多項(xiàng)式，按其具體形式的不同，給出不同的濾波特性。［5］例如：

其中A為運(yùn)算放大器閉環(huán)增益。通過求電壓傳遞函數(shù)，得到RC網(wǎng)絡(luò)的元件參數(shù)值，根據(jù)電容的截至頻率選定高通和低通所需的電容具體數(shù)值，最后確定濾波電路（如圖3、圖4所示）。

圖3 二階低通濾波電路

圖4 二階高通濾波電路

2.2 信號存儲部分

EPROM27256是32K×8位的紫外線擦除的NMOS可編程只讀存儲器EPROM。本系統(tǒng)的程序全部存入外擴(kuò)展的EPROM中。C8051單片機(jī)內(nèi)部有2304B內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM。但在用于實(shí)時數(shù)據(jù)采集及處理時，僅靠片內(nèi)提供的數(shù)據(jù)存儲器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在這種情況下，擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲器6264。6264是8K×8位的靜態(tài)隨機(jī)存儲器芯片，它采用CMOS工藝制造，單一＋5V供電，額定功耗200mW，典型存取時間200ns。27256是32K容量的EPROM，用到了15根地址線。在系統(tǒng)中只擴(kuò)展一片EPROM，27256的片選可以接地。數(shù)據(jù)存儲器只使用WR、RD控制線而不使用PSEN。正因?yàn)槿绱?，?shù)據(jù)存儲器與程序存儲器地址可完全重疊。［6］

除此之外，硬件部分還包括精度選擇、報(bào)警和LCD顯示。精度選擇提供3個精度，分別對應(yīng)10秒、25秒、50秒的心電采集間隔，采集間隔越短，靈敏度越高，但準(zhǔn)確度越差。報(bào)警主要采用常見的聲光報(bào)警。LCD顯示當(dāng)前被監(jiān)護(hù)對象的心電情況，包括心律和對非正常心電的初步判斷。對心電信號的處理和判斷，主要通過對C8051軟件編程實(shí)現(xiàn)，下邊就這部分做進(jìn)一步介紹。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件用MCS－51匯編語言編寫，采用模塊結(jié)構(gòu)，包括以下幾個部分：控制內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)模塊、控制采樣模塊、50Hz頻率濾波模塊、基線漂移抑制模塊、心電波形分析模塊、報(bào)警模塊。所有功能都是通過相應(yīng)的子程序完成的。

根據(jù)系統(tǒng)需要，設(shè)置了1個中斷即定時器1中斷。程序進(jìn)行中，除定時器中斷程序外，幾個模塊按順序進(jìn)行，如果四張床對應(yīng)的報(bào)警器沒有同時報(bào)警，程序?qū)⒁恢毖h(huán)下去。

整個系統(tǒng)是這樣工作的：先進(jìn)行初始化，對51的一些專用寄存器賦初值。設(shè)置定時器，開定時器中斷，通過定時器中斷程序控制P1.2、P1.3口，從而控制 A／D轉(zhuǎn)換器通道的選取。采集病人心電數(shù)據(jù)5秒，進(jìn)入預(yù)處理程序。在采集病人心電數(shù)據(jù)程序中，首先檢查上次對病人心電數(shù)據(jù)的判斷結(jié)果，程序?qū)⑻^對上次運(yùn)行時判斷為心電信號異常的病人的心電數(shù)據(jù)的采集。預(yù)處理包括數(shù)字濾波和基線漂移抑制兩部分。之后系統(tǒng)對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷這段數(shù)據(jù)是否為異常的心電數(shù)據(jù)。預(yù)處理和判斷部分的程序也將對上次運(yùn)行時判斷為心電數(shù)據(jù)異常的病人進(jìn)行“跳行”操作。如果某床病人的心電數(shù)據(jù)被判斷為異常的心電數(shù)據(jù)，則與床位對應(yīng)的報(bào)警控制端口置低電平，再回到采集病人心電數(shù)據(jù)程序，一直循環(huán)下去。程序運(yùn)行流圖如圖5所示。

圖5 總程序運(yùn)行流圖

3 總結(jié)

本設(shè)計(jì)的核心器件采用C8051F320單片機(jī)，外圍電路的AD620、TL082、LM324及液晶顯示模塊等都是常見低廉的元器件，所以整個設(shè)計(jì)成本比較低，外形也比較小巧，適合普通家庭使用。同時經(jīng)過測試，能準(zhǔn)確有效的對四個病人的心電情況進(jìn)行監(jiān)控，也能滿足小型醫(yī)療機(jī)構(gòu)的使用。隨著人們生活水平的提高，健康越來越被重視，心電監(jiān)護(hù)也必將越來越普及。但以單片機(jī)為核心芯片的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)也存在自身不可避免的缺陷，如：運(yùn)行速度慢、存儲量小、處理能力不足等，為此，該心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)需使用更新的技術(shù)加以完善。

［1］王俊霞.人口老齡化與社區(qū)養(yǎng)老［J］.求實(shí)，2003（S1）：196－197.

［2］童長飛.C8051F系列單片機(jī)開發(fā)與C語言編程［M］.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2009.

［3］程佩青.數(shù)字信號處理教程（第三版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［4］張婭莉.便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的研制［J］.中國醫(yī)療器械信息，2007，（09）：11－13.

［5］蔡建新.生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2007.

［6］史錫騰.家用便攜實(shí)時心電監(jiān)護(hù)儀的開發(fā)與試驗(yàn)［J］.醫(yī)療設(shè)備信息，2007，（11）：16－18.

TN7

：A

：1673－1794（2010）05－0055－03

彭 靳（1981－），男，碩士，講師，研究方向：電子技術(shù)。

安徽省教育廳優(yōu)秀青年人才基金（2009SQRZ145）

2010－06－18