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ECG監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)回顧與發(fā)展

2015-01-12 07:51何伶俐王宇峰祝元仲何汶靜
醫(yī)療裝備 2015年1期
關(guān)鍵詞:監(jiān)護(hù)儀心電監(jiān)護(hù)心電

何伶俐,王宇峰,祝元仲,何汶靜

(川北醫(yī)學(xué)院影像系,四川南充637000)

ECG監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)回顧與發(fā)展

何伶俐,王宇峰,祝元仲,何汶靜

(川北醫(yī)學(xué)院影像系,四川南充637000)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,心電監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、性能、尺寸、使用的便捷性等已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。本文介紹了ECG監(jiān)護(hù)儀的各組成部分,即助電極、模擬前端、控制處理單元以及顯示和分析方法的最新技術(shù)進(jìn)展,并指出今后的發(fā)展方向。

ECG監(jiān)護(hù)儀;ECG電極;模擬前端;ECG分析方法

當(dāng)前,心血管疾病仍是威脅人類(lèi)健康和生命安全的主要疾病之一,在各種醫(yī)療或保健方式之中,心電圖(electrocardiogram,簡(jiǎn)稱(chēng)ECG)是診斷心臟異常的最好方式。現(xiàn)代心電圖機(jī)的研制和生產(chǎn)是在1903年荷蘭的愛(ài)因霍文(Willem Einthoven)制造的第一臺(tái)弦線式電流計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的;20世紀(jì)50年代之前,心電圖機(jī)的發(fā)展主要解決了小型化和提高靈敏度的問(wèn)題;1960年第一個(gè)專(zhuān)用心電圖波形自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)建立起來(lái),1978年美國(guó)Marquett公司首次推出數(shù)字化12導(dǎo)聯(lián)同步心電圖機(jī),開(kāi)創(chuàng)了心電圖記錄、分析與診斷、保存與管理的新紀(jì)元,從此心電圖機(jī)進(jìn)入數(shù)字化發(fā)展新時(shí)代。常規(guī)的心電圖機(jī)有單道和多道,雖使用方便,但體積龐大、價(jià)格高,對(duì)許多偶發(fā)、短暫心律失常無(wú)法進(jìn)行監(jiān)測(cè),主要用于醫(yī)院;動(dòng)態(tài)心電圖機(jī)(HOLTER)雖然可進(jìn)行24小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間的心電圖記錄,但是價(jià)格昂貴,使用不方便,不能對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理[1]。隨著低功耗嵌入式系統(tǒng)和先進(jìn)的信號(hào)處理平臺(tái)的發(fā)展,設(shè)計(jì)出性能更好、使用更方便、價(jià)格更經(jīng)濟(jì)的ECG監(jiān)護(hù)儀成為一種必然趨勢(shì)。

與ECG監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)相關(guān)的部分主要有電極、模擬前端單元、微處理器和控制單元、顯示和分析單元等,各個(gè)部分的特征和結(jié)構(gòu)取決于監(jiān)護(hù)儀的具體應(yīng)用。下面,將對(duì)以上各部分進(jìn)行逐一討論。

1 ECG電極/導(dǎo)聯(lián)

ECG電極的作用是將人體心臟的電活動(dòng)轉(zhuǎn)化為能被后續(xù)電路識(shí)別的電信號(hào)。在人體體表記錄心電圖時(shí),對(duì)電極的放置位置以及電極與放大器的連接方式都進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定。在心電圖的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)中,將電極的放置位置以及電極與放大器的連接方式稱(chēng)為心電圖的導(dǎo)聯(lián)[2]。

ECG導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)可分為12導(dǎo)聯(lián)、6導(dǎo)聯(lián)、5導(dǎo)聯(lián)和3導(dǎo)聯(lián),采用何種導(dǎo)聯(lián)方式,主要由臨床適用性以及所需實(shí)時(shí)獲取的心電圖的復(fù)雜程度決定。對(duì)便攜式ECG系統(tǒng),通常采用3導(dǎo)聯(lián)。3導(dǎo)聯(lián)是將電極放置成愛(ài)因托文三角形,用矢量代數(shù)與適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)運(yùn)算,可以從常規(guī)3導(dǎo)聯(lián)心電圖中提取出12導(dǎo)聯(lián)心電圖信息。介于3導(dǎo)聯(lián)和12導(dǎo)聯(lián)之間的5導(dǎo)聯(lián)和6導(dǎo)聯(lián)也常用到。為了獲得12導(dǎo)聯(lián)的優(yōu)勢(shì)并保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性,研制出了采用5導(dǎo)聯(lián)或6導(dǎo)聯(lián)線的“減少導(dǎo)聯(lián)設(shè)置技術(shù)”。飛利浦醫(yī)療研制出了用5電纜系統(tǒng)來(lái)估算12導(dǎo)聯(lián)的EASI導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng),通用電氣醫(yī)療研制出了用6電纜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)插12導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)。目前,已經(jīng)研制出了能同時(shí)查看多個(gè)導(dǎo)聯(lián)的心臟監(jiān)視器,可獲取更全面的心臟電活動(dòng)圖[3]。

傳統(tǒng)的電極往往需要皮膚事先做好準(zhǔn)備,為了和皮膚有良好的電接觸,需用黏性的墊片、膏或凝膠將電極粘在皮膚上。用膠可能會(huì)引起皮膚過(guò)敏,并且這些電極一旦粘上,人不能移動(dòng),若長(zhǎng)期使用可能會(huì)引起病人的不適,因此有必要研制不需要凝膠并能適用于便攜式應(yīng)用的電極。文獻(xiàn)4中提出了用ASIC芯片和微刺陣列構(gòu)成的智能電極,這些微刺有100μm長(zhǎng),采用MEMS技術(shù)制造,通過(guò)扎進(jìn)皮膚表層來(lái)獲得更精確的生物電信號(hào),ASIC芯片用于執(zhí)行所需的信號(hào)調(diào)理操作,如圖1所示[4]。文獻(xiàn)5提出了基于電容耦合技術(shù)的無(wú)接觸電極,這些電極被集成在PCB板上,用棉帶連接到病人的胸部,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明能獲得清晰的ECG信號(hào)[5]。還有一種電極可以用無(wú)線身體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WBAN)技術(shù)來(lái)傳輸心電,它能識(shí)別人體的健康和背景變化并與周?chē)h(huán)境進(jìn)行通信,以幫助改變生活條件并激活設(shè)備,這種電極非常適合家庭護(hù)理或個(gè)性化應(yīng)用[6]。最新的電極形式有胸帶型,手表型和襯衫型等,能實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)和長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控,如圖2所示。

圖1 智能ECG電極

圖2 幾種可穿戴的ECG電極

2 模擬前端單元

ECG模擬前端的作用是將電極所獲取的0.5~5mV的微弱心電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波后,變成后續(xù)處理器能夠接收的信號(hào),模擬前端有分立式模擬前端和集成模擬前端兩大類(lèi)。

分立式模擬前端主要由儀用放大器、右腿驅(qū)動(dòng)電路、濾波電路及增益放大器等分立式元件組成,如圖3所示,文獻(xiàn)7~10都提出了各自的設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)11用低噪聲前端放大器、可調(diào)帶寬的異步ADC和DSP設(shè)計(jì)了一個(gè)異步ECG采集系統(tǒng),該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)精度由采樣率決定,這對(duì)緊湊型ECG系統(tǒng)非常有吸引力[11]。

集成模擬前端主要是用模擬前端芯片加一些簡(jiǎn)單的外圍電路構(gòu)成的。德州儀器公司(TI)有一款低功耗模擬前端芯片ADS1293,它具有同步起搏輸出的3個(gè)高分辨率數(shù)字ECG通道,24位集成模擬前端,內(nèi)部集成有右腿驅(qū)動(dòng)電路、威爾遜終端、電極脫落檢測(cè)等ECG應(yīng)用所需要的模塊。與分立式模擬前端相比,可將組件數(shù)量降低90%以上,單個(gè)通道功耗僅為0.3mW,并且具有靈活的斷電和待機(jī)模式,非常適合于便攜式ECG監(jiān)護(hù)儀使用[12]。ADI公司的全集成模擬前端系列芯片ADAS1000,不但能夠測(cè)量ECG信號(hào),還集成了起搏檢測(cè)、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)以及呼吸和胸阻抗測(cè)量功能,并能將這些信息以數(shù)據(jù)幀的形式輸出。除此之外,它還具有功耗低(一個(gè)導(dǎo)聯(lián)的最低功耗僅1lmW)、低噪聲性能、支持終端設(shè)備監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)、提供不同的數(shù)據(jù)幀速率、能最大程度地簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集任務(wù)、簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)并縮減系統(tǒng)整體尺寸、縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)[13]。

圖3 分立式模擬前端主要構(gòu)成

3 微處理器和控制單元

微處理器是ECG系統(tǒng)的核心部分,主要作用是將前端輸出的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后,完成信號(hào)的運(yùn)算、分析、診斷、存儲(chǔ)等功能,微處理器的性能決定整個(gè)ECG監(jiān)護(hù)儀的性能和精度。

文獻(xiàn)14、15和16將ARM7處理器用于便攜式心電監(jiān)護(hù)儀中,ARM7是一種通用32位高速處理器,具有成本低、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),專(zhuān)為移動(dòng)設(shè)備和低功耗電子設(shè)備所設(shè)計(jì)[14,15,16]。另一種微控器dsPIC性能可與ARM7媲美,它將高性能16位單片機(jī)的控制特點(diǎn)和DSP高速運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合,為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了適合的單芯片、單指令流的解決方案,消除了目前類(lèi)似設(shè)計(jì)中所需求的額外組成部分,從而減小了印制板空間,也降低了系統(tǒng)成本,文獻(xiàn)17中就用該處理器設(shè)計(jì)了一個(gè)病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[17]。

TI公司的MSP430系列超低功耗單片機(jī)也常作為便攜式醫(yī)療設(shè)備的控制器。MSP430系列的CPU采用16位精簡(jiǎn)指令系統(tǒng),集成有16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器,發(fā)揮了最高的代碼效率;并且采用數(shù)字控制振蕩器(DCO),從待機(jī)模式到喚醒的響應(yīng)時(shí)間小于6us。具有比較豐富的片內(nèi)外設(shè),各個(gè)模塊運(yùn)行是完全獨(dú)立的,包括定時(shí)器、輸入/輸出端口、看門(mén)狗、UART等都可以在主CPU休眠的狀態(tài)下獨(dú)立運(yùn)行[18]。

現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯(FPGA)器件也廣泛應(yīng)用在醫(yī)療儀器中。文獻(xiàn)19用FPGA取代目前心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品中廣泛采用的DSP和MCU多CPU結(jié)構(gòu),在電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中,利用靈活的Avalon總線,把要實(shí)現(xiàn)的各個(gè)功能模塊和外部各個(gè)設(shè)備接口加到Avalon總線上來(lái),構(gòu)成一個(gè)基于32位嵌入式Nios II軟核CPU的嵌入式系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的采集、處理、回放、存儲(chǔ)、通信和顯示等集于一體的多功能監(jiān)護(hù)產(chǎn)品。這些功能模塊、全部的外設(shè)接口和NiosII軟核CPU都在同一片F(xiàn)PGA上實(shí)現(xiàn),降低了產(chǎn)品成本、縮短研發(fā)周期、縮小系統(tǒng)體積和降低系統(tǒng)損耗[19]。文獻(xiàn)20中采用FPGA作為心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的核心信號(hào)處理芯片,并利用FPGA自有的FIR濾波器進(jìn)行去噪設(shè)計(jì)[20]。

4 顯示和分析方法

顯示系統(tǒng)的作用是將處理后的心電信號(hào)變?yōu)榭晒┤藗冎苯佑^察的形式。最初,ECG系統(tǒng)主要用光板或CRO來(lái)顯示心臟電活動(dòng),后來(lái)又用繪圖紙將波形打印出來(lái)。目前,ECG能在PC機(jī)、LCD模型、PDA以及移動(dòng)設(shè)備上顯示,最新的設(shè)備還能對(duì)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)分析,減少了用戶的工作量。在每一種平臺(tái)下,都有特定的波形顯示和分析軟件,下面對(duì)PC機(jī)顯示和處理的一些方法和平臺(tái)進(jìn)行討論。

心電信號(hào)通過(guò)無(wú)線方式(藍(lán)牙)或有線方式(串口或USB)傳輸?shù)絇C機(jī),串口通信可用Visual Basic6.0的通信控件來(lái)實(shí)現(xiàn)。德州儀器的一款DSP入門(mén)套件TMS320C67x帶有兩電極ECG前置放大器,該套件提供了一個(gè)稱(chēng)為代碼調(diào)試器(CCS)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)。CCS包含一整套用于開(kāi)發(fā)和調(diào)試嵌入式應(yīng)用的工具,內(nèi)置有FFT (快速傅立葉)變換、小波變換以及其它信號(hào)處理功能,用內(nèi)置的16位編解碼器采集ECG信號(hào),一次處理和顯示的樣本數(shù)分別可達(dá)到5000個(gè)和2048個(gè)[21]。

ECG信號(hào)采集和獲取的另一個(gè)有效平臺(tái)是MATLAB,MATLAB是一種廣泛使用的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。由于能與多種高級(jí)語(yǔ)言(C,Java,VB)結(jié)合,且有功能豐富的信號(hào)處理工具箱,因此在ECG系統(tǒng)中被廣泛使用。

虛擬儀器的出現(xiàn),徹底改變了電路設(shè)計(jì)和處理方法。NI公司的LABVIEW軟件就是使用PC機(jī)來(lái)進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算、分析和測(cè)試的一種虛擬儀器平臺(tái),它采用的是一種圖形化編程語(yǔ)言,內(nèi)置有很多工具包如數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)、前置信號(hào)處理,頻譜測(cè)量等,配合相應(yīng)的硬件采集卡,可實(shí)現(xiàn)對(duì)ECG信號(hào)的數(shù)字濾波處理和分析[22],給我們的程序開(kāi)發(fā)和應(yīng)用帶來(lái)極大的方便。

5 產(chǎn)品調(diào)查

飛思卡爾、德州儀器儀表、ADI公司、GE醫(yī)療集團(tuán)等許多公司對(duì)ECG系統(tǒng)組件都提出了各自的解決方案,這些組件包括集成電路放大器、濾波器、電池管理、保護(hù)電路、單片機(jī)、液晶顯示器、報(bào)警系統(tǒng)等,一些公司已經(jīng)設(shè)計(jì)出了自己的ECG監(jiān)護(hù)儀。Nurosynaptic已研制出一種帶有USB接口的心電圖機(jī),采用12通道同步采集系統(tǒng),提供了世界一流的心電圖診斷功能并具有包括胎兒心電圖在內(nèi)的可選升級(jí),而且體積小便于攜帶;其它的監(jiān)護(hù)儀有Medchoice公司的手持式ECG監(jiān)護(hù)儀、歐姆龍公司的HCG-801便攜式ECG監(jiān)護(hù)儀、Daray醫(yī)療的Biolog3000iECG監(jiān)護(hù)/記錄儀、通用電氣醫(yī)療的MAC800休眠式ECG分析系統(tǒng)等。

世界上最小的可穿戴式心電監(jiān)護(hù)儀叫硅盒子,是由IIT教授與TCS合作研制的。它是一個(gè)實(shí)時(shí)心臟監(jiān)測(cè)儀,可實(shí)現(xiàn)心臟跳動(dòng)的分類(lèi)和診斷心臟狀況的嚴(yán)重程度。既可作為床頭顯示器、皮套監(jiān)視器,也可作為便攜式心電監(jiān)護(hù)儀,當(dāng)檢測(cè)到心臟出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),能自動(dòng)與監(jiān)控中心聯(lián)系。

6 發(fā)展趨勢(shì)

如今,便攜式心電監(jiān)護(hù)儀正向著多通道、新型記錄方式、數(shù)字智能型、網(wǎng)絡(luò)共享型等方向發(fā)展,新型產(chǎn)品也將運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)不斷提高工作效率并加快描記時(shí)效性,這樣能明顯提高臨床診斷的準(zhǔn)確性。

隨著集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域應(yīng)用的進(jìn)一步深入,心電檢測(cè)與分析系統(tǒng)的研究和發(fā)展趨勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面: (1)儀器小巧化,采集同步化。目前,便攜式心電監(jiān)護(hù)儀、HOLTER系統(tǒng)和心臟BP機(jī)等都代表了此發(fā)展趨勢(shì)。另一方面,多導(dǎo)同步心電檢測(cè)系統(tǒng)尤其是十二導(dǎo)同步心電檢測(cè)系統(tǒng)將逐步取代目前應(yīng)用比較廣泛的單導(dǎo)心電檢測(cè)系統(tǒng)。(2)ECG分析自動(dòng)化。目前ECG自動(dòng)診斷技術(shù)應(yīng)用范圍并不十分廣泛,主要是還缺乏一套完全令人滿意的算法。因此在ECG自動(dòng)分析領(lǐng)域還需要作大量的研究工作。(3)信息綜合化。建立計(jì)算機(jī)心電工作站和完善的心電檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù),完善心電分析內(nèi)容,結(jié)合臨床提供的其他信息資料進(jìn)行綜合化信息分析判斷。(4)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化。建立國(guó)際上統(tǒng)一的心電信息資料傳輸標(biāo)準(zhǔn),使不同類(lèi)型心電檢測(cè)設(shè)備采集的心電圖信息能夠相互傳輸和交流。

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Review and development to the design of ECGmonitor system

HE Ling-li,WANG Yu-feng,ZHU Yuan-zhong,HEWen-jing
(Department of Imaging,North Sichuan Medical College,Nanchong Sichuan 637000)

ECG has been a valuable diagnostic tool in assessing cardiac condition.The electrocardiograph system design,performance,size,ease of use has undergone a great transition along the timeline.The article introduces the new trends and the future direction of concern in the design ofan ECG system which includes analog frontend unit,microcontroller and processing unit,the display and analysis unit.

ECG monitor;electrodes;analog front end;analysismethods

TH772+.2

A

1002-2376(2015)01-0001-04

2014-08-17

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