李世光，高正中，劉隆吉，畢博，徐坤山

山東科技大學(xué) 電信學(xué)院，山東青島 266510

本文導(dǎo)讀 >>

課題/研究背景：本課題受山東科技大學(xué)2009~2010年度研究生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（YCA090213）資助。主要為解決現(xiàn)有心電圖機(jī)和動(dòng)態(tài)心電圖儀Holter的心電采集的頻率范圍（一般為0.5~300Hz，不能對大于300Hz心電信號及過低頻信號實(shí)現(xiàn)捕捉）較窄問題。

心電信號是人類最早研究并應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)的生物電信號之一，是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要研究對象[1]，是診斷心臟系統(tǒng)疾病十分重要的檢測依據(jù)。

自第一臺心電圖機(jī)問世以來，心電圖儀的發(fā)展經(jīng)歷了靜態(tài)心電圖儀和動(dòng)態(tài)心電圖儀兩個(gè)重要階段。靜態(tài)心電圖儀只能記錄受檢者處于靜態(tài)時(shí)短暫的心電資料，不易發(fā)現(xiàn)一過性（偶發(fā)性）心率失常和心肌缺血等癥狀，當(dāng)受檢者在睡眠、體育運(yùn)動(dòng)、工作、勞累或情緒激動(dòng)等狀態(tài)下出現(xiàn)癥狀和變化時(shí)，無法及時(shí)記錄當(dāng)時(shí)的心電圖形。為解決心電圖的動(dòng)態(tài)記錄問題，國內(nèi)外均開發(fā)了動(dòng)態(tài)心電圖儀（Holter），可以在病人正常工作、生活的情況下，提供心電數(shù)據(jù)記錄，隨時(shí)捕捉病人在緊張勞累或情緒激動(dòng)等特殊情況下心臟發(fā)生的病變反應(yīng)[2]。

本文介紹一種高性能、兼具心電圖機(jī)與Holter功能的智能心電記錄分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與具體實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能心電記錄分析系統(tǒng)包括心電信號實(shí)時(shí)記錄分析裝置與計(jì)算機(jī)軟件分析處理系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

心電信號實(shí)時(shí)記錄分析裝置主要功能為：在高性能微處理器控制下，通過放置在人體標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)位置的10個(gè)電極，高速實(shí)時(shí)采集人體心臟跳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的心電信號，經(jīng)對心電信號的采集、分析與處理，將心電數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部大容量存儲器中；在心電異常情況時(shí)可以通過GPRS[3]將異常心電信號發(fā)送到監(jiān)護(hù)中心；同時(shí)該裝置還具有實(shí)時(shí)與PC機(jī)高速USB通訊的功能，通過軟件分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測12導(dǎo)聯(lián)的心電信號，即作為一個(gè)多通道的實(shí)時(shí)心電圖儀使用。計(jì)算機(jī)軟件分析處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)將通過USB傳送來的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲，并實(shí)時(shí)顯示心電波形及異常報(bào)警信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)闡述

智能心電記錄分析系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集單元、Cortex-M3處理單元、存儲器擴(kuò)張單元、人機(jī)交互單元、數(shù)據(jù)處理單元、供電單元以及計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)。

2.1 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元包括電極、導(dǎo)聯(lián)線、過壓保護(hù)及高頻濾波、導(dǎo)聯(lián)選擇、基線調(diào)整、前置放大、后級放大等。主要作用是從人體體表提取心電信號，并按照標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)形式組合，將某一選定導(dǎo)聯(lián)的心電信號進(jìn)行放大，同時(shí)調(diào)整基線位置，濾除干擾信號。

其具體實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示，共有10路獨(dú)立的心電信號采集電路。

圖2 心電信號采集電路圖

J1為貼于相應(yīng)的肢體和胸部位置的ECG電極，采集的心電信號經(jīng)過雙向瞬態(tài)抑制二極管Z1構(gòu)成的TVS保護(hù)電路。注意在設(shè)計(jì)PCB板布局時(shí)，盡可能靠近電極的引線位置，以提高其保護(hù)的有效性。Z1與D1、D2組成對起搏器等設(shè)備產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓脈沖起限幅作用，保護(hù)信號處理電路不被損壞。

導(dǎo)聯(lián)選擇電路實(shí)現(xiàn)對12導(dǎo)聯(lián)信號的邏輯組合，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)12導(dǎo)聯(lián)的心電信號。通過電極采集到的10個(gè)心電信號，經(jīng)過威爾遜網(wǎng)絡(luò)后合成符合國際標(biāo)準(zhǔn)的12導(dǎo)聯(lián)信號[4]。

放大電路采用微功耗、零漂移、軌對軌輸出的儀用放大器。INA333[5]可消除兩輸入端的共模干擾，而源自肢體導(dǎo)聯(lián)及胸導(dǎo)聯(lián)心電信號的電位差通過醫(yī)用放大器放大。同時(shí)，為了更好地抑制共模干擾信號，共模信號將通過運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)到受檢者的右腿。

基線調(diào)整通過微處理器的DAC輸出完成，根據(jù)12導(dǎo)聯(lián)的心電信號計(jì)算出其基線值，以調(diào)整輸出信號合適的幅值。

2.2 Cortex-M3處理單元

對于電池供電的便攜式儀器，一款功耗低、性能高、集成度高、接口豐富的處理器起著至關(guān)重要的作用。在處理器的選型上，系統(tǒng)采用ARM公司最新推出的ARM Cortex系列處理器[6]，它基于ARMv7構(gòu)架，與ARM7TDMI相比運(yùn)行速度最多可快35%且代碼最大可節(jié)省45%。

控制器完成數(shù)字濾波等數(shù)字信號處理以及對心電信號采集、存儲、傳輸、異常心電信號檢測等控制。經(jīng)過放大后的心電信號通過ARM處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，處理器完成對心電信號的數(shù)字濾波，濾除50Hz工頻干擾、肌電干擾等雜波，并提取出實(shí)際心電信號[7]。處理對提取的心電信號進(jìn)行QRS波群定位、心率計(jì)算以及初步的異常診斷。然后，通過USB口分別將各導(dǎo)聯(lián)的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)。同時(shí)，通過實(shí)時(shí)調(diào)整DAC的輸出，抵消基線漂移，將基線穩(wěn)定在曲線可視范圍內(nèi)。高速、低功耗、接口豐富的ARM處理器為系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供了保證。

2.3 存儲器擴(kuò)展單元

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一片靜態(tài)RAM存儲器，型號為IS61V51216，其存儲容量為512M×16位，用于動(dòng)態(tài)心電信號的臨時(shí)記錄、數(shù)據(jù)處理，對處理后的數(shù)據(jù)存儲在2G容量的NAND FLASH 存儲器中，設(shè)計(jì)的存儲器型號為HY27UG088，從而實(shí)現(xiàn)對心電信號的實(shí)時(shí)記錄或異常記錄功能。

2.4 人機(jī)交互單元

人機(jī)交互電路設(shè)計(jì)有按鍵控制電路與語音提示電路，按鍵電路采用簡易按鍵結(jié)構(gòu)，對其實(shí)施濾波處理，防止誤判或動(dòng)作。在佩戴者感到不適時(shí)，可隨時(shí)按下事件按鈕，記錄當(dāng)前時(shí)間，便于對異常信號提取和重點(diǎn)分析。

語音提示電路由語音芯片與揚(yáng)聲器構(gòu)成，采用ISD1700系列語音芯片，完成對語音段的存儲，根據(jù)不同的工作狀態(tài)，由微處理器控制其放音，對心電信號異常提示或工作方式進(jìn)行提示。例如，控制器判斷到導(dǎo)聯(lián)脫落時(shí)，系統(tǒng)能夠發(fā)出語音提示：胸導(dǎo)聯(lián)V5脫落，請檢查導(dǎo)聯(lián)。方便佩戴者的心電檢測與醫(yī)護(hù)工作者檢查工作的進(jìn)行。

2.5 數(shù)據(jù)通訊單元

通訊接口設(shè)計(jì)由USB2.0接口實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。USB接口實(shí)現(xiàn)了12Mbps的全速數(shù)據(jù)通訊，保證了大量數(shù)據(jù)的高速傳輸。USB接口不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸，而且接口簡單、通用性強(qiáng)。隔離RS485的設(shè)計(jì)，滿足了PC機(jī)與智能心電儀在電氣上的隔離，確保受檢者的安全。

由于系統(tǒng)采集頻率范圍寬且采樣速度高，實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生大量的心電數(shù)據(jù)。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)心電信號的測量頻率范圍達(dá)到0.02~1.5kHz，為了實(shí)現(xiàn)對高頻和超低頻心電信號的采集，每秒鐘需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量達(dá)8Mb之多，傳統(tǒng)的485通訊已經(jīng)不能滿足如此大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)傳輸。除下位機(jī)ARM處理系統(tǒng)與PC機(jī)處理軟件的USB通訊協(xié)議[8]處理外，系統(tǒng)使用自行開發(fā)的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)了USB設(shè)備與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

在ARM處理器的基礎(chǔ)上擴(kuò)展GPRS模塊，通過SIM卡實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入，以將采集的異常心電信號實(shí)時(shí)傳遞到醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。智能心電記錄儀在檢測到異常心電時(shí)，可通過GPRS主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)到醫(yī)院的監(jiān)護(hù)中心，便于專家做出及時(shí)有效地指導(dǎo)。

2.6 供電單元

智能心電儀主控模塊和GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送模塊由分別由一塊鋰電池獨(dú)立供電。通過多組穩(wěn)壓電路產(chǎn)生系統(tǒng)所需的電壓。

2.7 計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析部分承擔(dān)著對心電數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析、診斷等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)完整的ST段分析、心率變異性分析以及各通道T波分析等功能。系統(tǒng)采用小波濾除工頻干擾其他高頻噪聲，采用模式識別的方法，建立自適應(yīng)神經(jīng)系統(tǒng)，對心電信號進(jìn)行對照、特征提取和識別分析，提高了分析系統(tǒng)對復(fù)雜心律失常的判定。

圖3為使用本系統(tǒng)為受檢者采集的部分心電信號的波形圖。由于完整心電圖顯示區(qū)域較大，僅取肢體導(dǎo)聯(lián)部分心電信號示意。

圖3 ECG數(shù)據(jù)波形視圖

3 結(jié)束語

本文根據(jù)現(xiàn)有心電圖機(jī)和動(dòng)態(tài)心電圖儀Holter的許多局限性：功能單一，僅完成部分標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)心電信號的采集；心電采集的頻率范圍較窄，一般為0.5~300Hz，不能對大于300Hz心電信號及過低頻信號實(shí)現(xiàn)捕捉；采集和記錄的心電信號數(shù)據(jù)與PC機(jī)之間進(jìn)行回傳時(shí)，速率較低，同時(shí)佩戴者在醫(yī)院外與監(jiān)控中心之間的通訊方式較單一等，設(shè)計(jì)了智能心電記錄分析儀，其外形小巧、靈活；功能齊全、性能較高。

[1]李靖,劉知貴,彭桂力,等.心電檢測技術(shù)及其在遠(yuǎn)程醫(yī)療中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2008,27(1):1-4.

[2]唐艷,湯井田.應(yīng)用移動(dòng)通訊技術(shù)設(shè)計(jì)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2006,23(5):1130-1133.

[3]王建華.遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].測控技術(shù),2006,25(11):59-62.

[4]余學(xué)飛.醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計(jì)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2000:76-100.

[5]Micro-Power (50uA), Zero-Drift, Rail-to-Rail out Instrumentation Amplifier INA333[R].Dallas:Texas Instruments,2008.

[6]ARM Cortex-M3 Processor,THE ARCHITECTURE FOR THE DIGITAL WORLD [EB/OL].(2006-01-01)[2010-03-20].http://www.arm.com/products/processors/cortex-m/cortex-m3.php.

[7]Willis J.Tompkins.生物醫(yī)學(xué)數(shù)字信號處理[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001:36-77.

[8]蕭世文,宋延清.USB2.0硬件設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006:5-35.

[9]何史林,等.基于藍(lán)牙技術(shù)的生理參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2009(4):31-33.

[10]周亮.基于USB2.0的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)及其應(yīng)用研究[D].重慶大學(xué),2007.