【作 者】楊鵬程，李永勤，陳碧華＊

重慶市第三軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，重慶市，400038

心臟病已成為危害人類健康的主要疾病之一。據(jù)美國(guó)心臟協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2010年美國(guó)新增785 000例突發(fā)性冠心病患者，并且有470 000例冠心病復(fù)發(fā)患者。幾乎70%的病人因?yàn)榧毙孕募」ＨˋMI）突然發(fā)作而在院外死亡，其中大多數(shù)病人在4小時(shí)以前就表現(xiàn)出相應(yīng)癥狀，若能及早預(yù)警發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)就醫(yī)，將大大降低致死率。因此，對(duì)各類心臟病患者進(jìn)行長(zhǎng)期的心電監(jiān)測(cè)、記錄和分析診斷，以便實(shí)現(xiàn)疾病的早期發(fā)現(xiàn)、診斷和治療，具有重要的意義[1，2]。然而，目前很少有將動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)儀與Holter相結(jié)合的醫(yī)療設(shè)備，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)護(hù)與心電數(shù)據(jù)記錄。因此，需要探索一種低功耗、便攜式、可實(shí)時(shí)顯示心電波形、長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)、可實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)自動(dòng)分析的高性能家用心電監(jiān)護(hù)設(shè)備。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的便攜式家庭心電監(jiān)護(hù)記錄儀的原理框圖如圖1所示。從電極提取的ECG信號(hào)經(jīng)導(dǎo)聯(lián)線傳送到前置放大器，進(jìn)行前置放大，經(jīng)帶通濾波器濾除直流信號(hào)、低頻基線干擾以及高頻信號(hào)后，由后級(jí)放大器放大；再經(jīng)陷波器進(jìn)一步濾除50 Hz工頻干擾，得到0.05 Hz ～100 Hz的高信噪比ECG 信號(hào)，最后由A/D轉(zhuǎn)換后送至單片機(jī)。為提供友好的人機(jī)交互界面，增強(qiáng)監(jiān)護(hù)功能，本監(jiān)護(hù)儀采用了液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示心電波形。為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，采用大容量SD卡，不間斷地記錄心電數(shù)據(jù)。利用單片機(jī)生成FAT文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)方便快捷的數(shù)據(jù)管理。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic of system

2 心電模塊設(shè)計(jì)

2.1 ECG放大器設(shè)計(jì)要求

ECG是低信噪比的周期性微弱信號(hào)，在ECG信號(hào)采集過(guò)程中，易受儀器、人體等方面的影響，并混有很強(qiáng)的工頻干擾。對(duì)ECG特征參數(shù)提取的關(guān)鍵技術(shù)包括消除干擾、穩(wěn)定基線等，即放大后的信號(hào)還要經(jīng)過(guò)濾波處理以保證通帶0.05 Hz～100 Hz，并抑制50 Hz工頻干擾，因此對(duì)心電放大器的設(shè)計(jì)有很苛刻的要求[3]。

一般心電放大器的設(shè)計(jì)有如下要求：

(1)增益為800～1 000左右；

(2)頻率響應(yīng)為0.05～100 Hz；

(3)輸入阻抗為5.1～10 MΩ；

(4)共模抑制比大于80 dB；

(5)低噪聲、低漂移。

為抑制電路的基線漂移，進(jìn)一步提高共模抑制比，要求放大電路必須分兩級(jí)實(shí)現(xiàn)，前置放大器的增益不能太高，設(shè)計(jì)為7倍，后級(jí)為140倍。另外，考慮到本監(jiān)護(hù)儀的便攜特性，所以在選擇放大器時(shí)，同時(shí)要考慮到其功耗及體積的特性，以便更好地降低整機(jī)的功耗和體積。

2.2 前置放大器

為達(dá)到上述技術(shù)要求，前級(jí)放大電路采用了差動(dòng)輸入的方式，如圖2所示，即將患者兩體表電極間的電位差作為信號(hào)予以放大。本文采用儀用放大器件AD620。AD620具有高輸入阻抗（可達(dá)到10 GΩ）、低噪聲、低漂移和增益可調(diào)的特點(diǎn)。增益G與電阻RG的關(guān)系按下式計(jì)算：

前置放大器原理圖如圖2所示，D1為一個(gè)瞬態(tài)抑制二極管，與R1、R2組成高壓保護(hù)回路，特別是在給病人除顫的時(shí)候，防止輸入電壓過(guò)大，損壞前置放大器；R18用來(lái)調(diào)節(jié)前置放大器的放大倍數(shù)。

圖2 前置放大電路原理圖Fig.2 Schematic of preampli fier

2.3 帶通濾波器

本設(shè)計(jì)采用LM358組成二階巴特沃斯高通和低通濾波器，將ECG信號(hào)的通頻帶限定在0.05 Hz -100 Hz。

圖3 帶通濾波器電路原理圖Fig.3 Schematic of band-pass fi lter

如圖3所示，U2、C3、C4、R2、R4構(gòu)成高通濾波器，濾波器的截止頻率為：

其中U1、C1、C2、R1、R3構(gòu)成低通濾波器，濾波器的截止頻率為：

2.4 帶阻濾波器

為了濾除50 Hz工頻干擾，必須設(shè)計(jì)一個(gè)高性能的帶阻濾波器。傳統(tǒng)的雙T陷波器由于帶寬較寬，品質(zhì)因數(shù)Q不高，會(huì)濾除工頻干擾以外的有用心電信號(hào)。為了改善這種情況，本文采用Burr-Brown公司生產(chǎn)的μAF42集成有源濾波器設(shè)計(jì)50 Hz陷波器，其電路原理圖如圖4所示[4]。

圖4 陷波器原理圖Fig.4 Schematic of trap fi lter

已知陷波頻率f0=50 Hz，由公式(4)計(jì)算得到，而Q值由公式(5)、(6)得到，公式(7)計(jì)算得到陷波器在50 Hz處的帶寬。其中：RF=RF1=RF2，C=1000 pF。

3 MSP430單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MSP430系列單片機(jī)是TI公司的SOC型混合微處理器產(chǎn)品系列，16位的高效微處理器系統(tǒng)，豐富強(qiáng)大的外圍電路資源，低功耗成為被廣泛應(yīng)用的一款單片機(jī)。設(shè)計(jì)采用MSP430F149單片機(jī)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行A/D采樣、波形顯示、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)，以及實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

3.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊

MSP430F149含有獨(dú)立的12位 ADC模塊，并且包含基準(zhǔn)源和內(nèi)部溫度傳感器，適合各種高精度測(cè)量應(yīng)用。ADC12模塊有8個(gè)獨(dú)立的模擬端口，可同時(shí)采集8路模擬信號(hào)，并且具有16個(gè)存儲(chǔ)寄存器，可以實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。本文使用P6.0-P6.2作為三路模擬信號(hào)的輸入端口。

ADC12模塊的工作模式設(shè)置為單通道單次采集，時(shí)鐘設(shè)置為系統(tǒng)時(shí)鐘8 MHz。為了精確控制采樣率，利用Timer A來(lái)定時(shí)控制。Timer A的ACLK為輔助系統(tǒng)時(shí)鐘32.768 kHz，令CCR0=264，由公式(8)可知采樣率為125。

將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定的處理后，通過(guò)指定的端口送入液晶顯示器進(jìn)行波形顯示。

3.2 SD卡存儲(chǔ)模塊

SD卡 (Secure Digital Memory Card)是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，由松下、東芝和SanDisk公司共同開發(fā)研制，體積小，擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性和很好的安全性等特點(diǎn)，符合本設(shè)計(jì)便攜式、長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)護(hù)和存儲(chǔ)ECG的要求。SD卡與MSP430F149的P3.0-P3.3以SPI總線接口方式進(jìn)行通信[5]。

為了方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化的FAT文件系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)新建目錄、文件，刪除目錄、文件等基本的文件系統(tǒng)操作功能。

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件是在IAR Embedded Workbench for MSP430 V5.3版本環(huán)境中進(jìn)行編寫與調(diào)試的。軟件設(shè)計(jì)由以下部分組成：系統(tǒng)時(shí)鐘初始化；ADC12模塊初始化；SD卡存儲(chǔ)模塊初始化；基于液晶顯示器的GUI界面設(shè)計(jì)[6]。圖5為系統(tǒng)軟件操作流程圖。

圖5 系統(tǒng)軟件操作流程圖Fig.5 Flowchart of system software

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

4.1 硬件制作

根據(jù)前述系統(tǒng)組成，圖6為系統(tǒng)實(shí)物圖和液晶顯示界面。該心電監(jiān)護(hù)記錄儀可實(shí)時(shí)同步顯示和記錄3導(dǎo)心電信號(hào)。同時(shí)，液晶顯示的左邊為各導(dǎo)信號(hào)信息，右邊顯示參數(shù)設(shè)置菜單，配合相應(yīng)的按鍵可實(shí)現(xiàn)掃描速度設(shè)置、顯示幅值設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放功能。

圖6 系統(tǒng)實(shí)物圖及波形顯示效果Fig.6 Photo of the system and waveforms display

4.2 基于Matlab的上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

通過(guò)SD卡可將存儲(chǔ)的ECG數(shù)據(jù)拷貝到上位機(jī)上，利用Matlab對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行心率變異性分析，為臨床提供具有診斷意義的數(shù)據(jù)。

圖7所示是上位機(jī)程序界面，可通過(guò)讀取SD上的數(shù)據(jù)顯示心電信號(hào)，標(biāo)定R波，計(jì)算R-R間期的波動(dòng)情況，進(jìn)行心率變異性的時(shí)域分析。

4.3 臨床試驗(yàn)

在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件調(diào)試和性能測(cè)試后，我們分別采集了7例健康人群以及3例房顫患者各20分鐘的心電信號(hào)，并上傳至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖8是一例正常人(A)和一例房顫患者(B)的II導(dǎo)心電圖。

通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行心率變異性分析，得到心電信號(hào)的Poincare散點(diǎn)圖，其中(A)為正常人的Poincare散點(diǎn)圖，(B)為房顫患者的?？梢灾庇^地看出，正常人與房顫患者心電信號(hào)的Poincare散點(diǎn)圖存在明顯的差異，能作為醫(yī)生診斷的可靠依據(jù)。采用本系統(tǒng)結(jié)合分析軟件，可以明確地提示心電的異常。

圖7 上位機(jī)界面Fig.7 Software Interface of the Host Computer

圖8 標(biāo)準(zhǔn)II導(dǎo)聯(lián)心電圖對(duì)比Fig.8 Compare of Standard II-lead ECG between the Healthy Person and Atrial Fibrillation Person

圖9 Poincare散點(diǎn)圖對(duì)比Fig.9 Compare of Poincare Scatter plots

5 總結(jié)

本系統(tǒng)利用低功耗單片機(jī)MSP430同步采集三通道心電信號(hào)，通過(guò)液晶模塊實(shí)時(shí)顯示波形，實(shí)現(xiàn)普通監(jiān)護(hù)儀的功能；同時(shí)可長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡上，實(shí)現(xiàn)了Holter的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，功能完善，可以滿足家庭監(jiān)護(hù)的需求。同時(shí)，配合上位機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)心電信號(hào)的心率變異性分析，其結(jié)果可作為醫(yī)生診斷的依據(jù)。

[1] 林玉川. 我國(guó)老年人心血管疾病的現(xiàn)狀分析與對(duì)策研究[J]. 井岡山醫(yī)專學(xué)報(bào), 2008, 15(3): 12-15.

[2] 趙冬. 我國(guó)心血管疾病和心血管危險(xiǎn)因素流行病學(xué)現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)社區(qū)醫(yī)師, 2011, 13(5):50.

[3] ANALOG DEVICES. Low Cost Low Power Instrumen-tation Amplifier AD620 [EB/OL]. http://www.analog.com/ static/imported- fi les/data_sheets/AD620.pdf, 2012-6-20.

[4] 顏良, 陳儒軍, 劉石, 等. Multisim2001在基于UAF42陷波器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù), 2005, 23:96-98.

[5] TEXAS INSTRUMENTS. Interfacing the MSP430 with MMC/SD flash memory cards[EB/OL]. http://www.ti. com/lit/an/slaa281b/slaa281b.pdf, 2012-6-20.

[6] TEXAS INSTRUMENTS. MSP430x1xx Family User’s Guide[EB/OL]. http://www.ti.com/lit/ug/slau049f/slau049f. pdf, 2012-6-20.

[7] 李永勤. 糖尿病早期自主神經(jīng)病變無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法研究（碩士論文）[D]. 廣州: 中國(guó)人民解放軍第一軍醫(yī)大學(xué), 2003