秦 玉 偉

(1.渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099；2.陜西省X射線檢測(cè)與應(yīng)用研究開發(fā)中心，陜西 渭南 714099)

【現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)研究】

一種便攜式心電監(jiān)測(cè)裝置

秦 玉 偉1,2

(1.渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099；2.陜西省X射線檢測(cè)與應(yīng)用研究開發(fā)中心，陜西 渭南 714099)

設(shè)計(jì)了一種以MSP430為控制核心的便攜式心電監(jiān)測(cè)裝置，心電信號(hào)通過傳感電極導(dǎo)出后，經(jīng)過放大和濾波電路進(jìn)行處理，并利用A/D電路將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，傳遞給MSP430F149進(jìn)行分析，最后進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)裝置能實(shí)現(xiàn)人體心電信號(hào)監(jiān)測(cè)，并能及時(shí)反映心電信號(hào)的曲線變化，具有低功耗、體積小、便于攜帶、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

MSP430；心電監(jiān)測(cè)；傳感電極

心血管疾病是一種多發(fā)性慢性疾病，長期威脅著人們的身體健康。若能在病情初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行治療，將會(huì)大大減少病人死亡率。[1]心電圖作為一種輔助診療手段，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)心臟疾病的檢測(cè)。[2-3]傳統(tǒng)的心電圖為單極胸導(dǎo)聯(lián)，即電極直接放置于胸壁上，檢測(cè)時(shí)需要被測(cè)人平躺，記錄被測(cè)人處于靜態(tài)時(shí)的心電圖，受診療環(huán)境的限制，病人無法得到實(shí)時(shí)監(jiān)控。[4]動(dòng)態(tài)心電圖(DCG)可以連續(xù)記錄24小時(shí)心臟活動(dòng)的全過程，包括休息、活動(dòng)、進(jìn)餐、工作、學(xué)習(xí)和睡眠等不同情況下的心電圖資料，并能夠發(fā)現(xiàn)臨床心電圖(ECG)難于發(fā)現(xiàn)的心肌缺血和心律失常，是臨床分析病情、確立診斷、判斷療效的重要客觀依據(jù)，但其價(jià)格昂貴、體積大、攜帶不便。[5]針對(duì)傳統(tǒng)心電圖儀和動(dòng)態(tài)心電圖儀的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種便攜式心電監(jiān)測(cè)裝置。

1 心電圖儀的工作原理

生物體能夠適應(yīng)外界的環(huán)境變化并作出反應(yīng)，當(dāng)感官接收到外部信號(hào)后，將外界信號(hào)轉(zhuǎn)變成一種特殊的電信號(hào)即神經(jīng)信號(hào)。生物體必須通過生物電完成正常的生理活動(dòng)，表現(xiàn)為生物體活動(dòng)時(shí)的神經(jīng)、肌肉和感覺器官電位變化，因此在生物體的不同部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映生物體的各項(xiàng)機(jī)能。在生物科學(xué)領(lǐng)域，主要生物電有心電、肌電、腦電、眼電、胃電等。[1-2]血液在人體血管中循環(huán)流動(dòng)依靠心臟有節(jié)奏地搏動(dòng)，以維持正常的生命活動(dòng)。心臟搏動(dòng)之前，會(huì)使心肌產(chǎn)生興奮和電流，因此，心電能夠反映心臟的活動(dòng)情況。由于人體各組織離心臟的距離不同，因此電流流經(jīng)各組織時(shí)會(huì)產(chǎn)生差異性的電位差。電位差可以通過敏感元件導(dǎo)引出人體，通過記錄電位變化并以動(dòng)態(tài)曲線的形式顯示，即醫(yī)學(xué)上的心電圖，也叫體表心電圖。正常的心電信號(hào)幅值范圍為10 μV～5 mV，典型值為1 mV，頻率范圍為0.05～100 Hz。[6-8]

1.1 生物檢測(cè)電極

生物體內(nèi)電信號(hào)檢測(cè)，需要檢測(cè)電極與人體直接耦合，將體內(nèi)的電信號(hào)有效地導(dǎo)出。[4]測(cè)量時(shí)，將3個(gè)檢測(cè)電極放置于體表，檢測(cè)電極與人體接觸時(shí)，人體表面的汗水與電極接觸，人體、汗水和生物電極就形成一個(gè)金屬—電解質(zhì)溶液界面。生物電極和電解質(zhì)溶液的界面之間形成電位差，通過后置放大、濾波等處理，將生物電檢測(cè)出來?？紤]Ag/AgCl電極的過電位很小，因此使用Ag/AgCl電極，并利用專門的電解質(zhì)溶液即電極膏使電位變化明顯。[9]生物電極在連接到檢測(cè)電路后，根據(jù)電極的電極特性，電路中電位η會(huì)發(fā)生變化：

η=Ei-E0。

(1)

其中：E0為平衡時(shí)的電極電位，Ei為電路中電流密度為i時(shí)的電極電位。

1.2 導(dǎo)聯(lián)

導(dǎo)聯(lián)體系包括雙極肢體導(dǎo)聯(lián)、單極肢體導(dǎo)聯(lián)、加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)和單極胸導(dǎo)聯(lián)。雙極導(dǎo)聯(lián)所記錄的電位變化是體表上被測(cè)兩點(diǎn)電位變化的代數(shù)和。[4]導(dǎo)聯(lián)Ⅰ屬于雙極導(dǎo)聯(lián)，左臂電極為心電監(jiān)測(cè)儀的正極(+)，右臂電極為負(fù)極(-)。當(dāng)VLA高于VRA時(shí)，心電監(jiān)測(cè)儀記錄的波形向上；當(dāng)VRA高于VLA時(shí)，心電監(jiān)測(cè)儀記錄的波形向下，導(dǎo)聯(lián)Ⅰ的電位差UI：

PUI=VLA-VRA。

(2)

其中：VLA和VRA分別為左臂與右臂的電位，UI為左臂與右臂的電位差。放置于右腿的電極稱為無關(guān)電極，有助于心電圖穩(wěn)定。

2 心電圖儀總體設(shè)計(jì)

人體體表的心電信號(hào)通過敏感元件導(dǎo)出后，經(jīng)過放大、濾波以及顯示的波形就是心電圖，如圖1所示。

圖1 心電圖儀的總體框圖

根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)，前置放大電路需要具備高輸入阻抗、高共模抑制比、放大器低噪聲和低漂移等方面性能。生物檢測(cè)電極將心電信號(hào)從人體中導(dǎo)出，經(jīng)過兩級(jí)放大電路中進(jìn)行放大，兩級(jí)放大電路中間有低通濾波電路和高通濾波電路。在第二級(jí)與A/D轉(zhuǎn)換電路之間，設(shè)置貝塞爾濾波電路，在保證心電信號(hào)的線性特性的同時(shí)，盡可能高頻濾除噪聲。A/D轉(zhuǎn)換電路將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，并傳遞到MSP430中，進(jìn)行分析及處理，在LCD液晶上顯示。

2.1 輸入回路噪聲抑制

檢測(cè)時(shí)存在皮膚與電極接觸的極化電壓、其他生理信號(hào)混入、電子器件噪聲、無線電波和工頻干擾等，工頻信號(hào)表現(xiàn)為共模噪聲。[2]皮膚與電極直接接觸后，通過屏蔽線與電壓跟隨器相連，將信號(hào)接入后級(jí)放大。由于信號(hào)線對(duì)屏蔽線的輸入電容不完全對(duì)稱，造成共模電壓的不等量衰減，降低放大器共模抑制比，使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降。工頻干擾頻譜與正常心電信號(hào)混雜，不宜采用陷波器濾除，因此，在輸入電路中采用屏蔽驅(qū)動(dòng)和右腿驅(qū)動(dòng)電路。

2.2 第一級(jí)放大電路

心電信號(hào)通過電壓跟隨器后到第一級(jí)放大電路進(jìn)行放大，如圖2所示。

圖2 第一級(jí)放大電路圖

圖3 第二級(jí)放大電路

采用左手、右手、右腿的導(dǎo)聯(lián)方式，左右手分別為差分放大電路的反向輸入和同向輸入端，抑制電路中的工頻噪聲。右腿心電信號(hào)輸入為OPA2335的輸出端，此電路為右腿屏蔽電路。U3為積分電路，是因?yàn)樾碾娦盘?hào)波動(dòng)較大，在波動(dòng)的時(shí)候?yàn)镮NA331提供參考電壓。VR為積分電路的輸入端，為心電測(cè)試儀自身提供心電基準(zhǔn)電壓。INA331的輸出端進(jìn)入低通濾波器中，由于電阻電容的值比較小，低通濾波器中相當(dāng)于反向放大器。

2.3 第二級(jí)放大電路

第二級(jí)放大電路用于增益調(diào)節(jié)，使輸出信號(hào)在ADC可采集范圍內(nèi)，由一級(jí)固定增益放大器和兩級(jí)可調(diào)增益放大器級(jí)聯(lián)，采用單電源供電的運(yùn)算放大器Op07，如圖3所示。

2.4 濾波電路

心電信號(hào)的頻率主要集中在0.05～100 Hz，因此采用高通濾波器和貝塞爾濾波器濾除噪聲。人的心臟搏動(dòng)時(shí)最低為30次/min，頻率為0.5 Hz。降低心電信號(hào)在相位移動(dòng)時(shí)的線性失真，其截止頻率應(yīng)為1/10的低頻截止頻率即0.05 Hz，選用無源的RC 網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。在第一級(jí)放大電路之后采用了低通濾波電路和高通濾波電路進(jìn)行隔直，濾掉心電信號(hào)中的直流極化信號(hào)?？紤]到心電信號(hào)的特點(diǎn)，采用貝塞爾濾波電路，電路如圖4所示。

圖4 貝塞爾濾波器電路圖

3 心電圖儀軟件設(shè)計(jì)

首先需要將FatFs文件系統(tǒng)植入到MSP430中，進(jìn)行初始化，然后啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換電路將前端采集的模擬心電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字化心電信號(hào)傳遞到MSP430F149中進(jìn)行信號(hào)分析，并通過LCD12864顯示出來。在顯示的同時(shí)，MSP430讀取SD卡的主引導(dǎo)記錄調(diào)用FatFs文件系統(tǒng)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，心電圖儀軟件流程如圖5所示。

圖5 心電圖儀軟件流程圖

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的心電監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)了基本的人體心電信號(hào)監(jiān)測(cè)功能，與傳統(tǒng)的心電監(jiān)測(cè)儀器相比，該裝置操作簡單、成本低、功耗低、攜帶方便，通過后期的完善形成儀器，可以將監(jiān)測(cè)儀器通過藍(lán)牙或局域網(wǎng)與手機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行連接，使得使用更加方便，適合對(duì)心臟病人進(jìn)行簡易監(jiān)測(cè)。

[1] 陳海軍,陳婷.一種基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2016,31(8):96-98.

[2] 王保華.生物醫(yī)學(xué)測(cè)量與儀器[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,2009.

[3] 王鋒,戚仕濤．心電監(jiān)護(hù)儀的最新進(jìn)展及新技術(shù)應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)裝備,2013,10(3):35-37．

[4] 湯曉芙,彭南燕.臨床肌電圖學(xué)[M].北京:北京醫(yī)科大學(xué)出版社,1995.

[5] 代少升,張躍孫,張和君，等.便攜式遠(yuǎn)程心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)儀的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)備,2006,27(9):1-2.

[6] 陳天華,韓力群,鄭彧.心電信號(hào)噪聲的數(shù)字濾波研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(18):252-254.

[7] 陳鎏,張海南.基于DSP的心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)[J].電子測(cè)量技術(shù),2007,30(8):99-102.

[8] 師彥榮,胡進(jìn)峰.心電信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)[J].電子世界,2012,(9):109-110.

[9] 張燕,宋玉蘇,王源升.Ag/AgCl參比電極性能研究[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2007,27(3):176-180.

【責(zé)任編輯 牛懷崗】

A Simple Design of Electrocardiogram Instrument

QIN Yu-wei1,2

(1. School of Mathematics and Physics, Weinan Normal University, Weinan 714099, China;2. Shaanxi Research Center of X-Ray Detection and Application, Weinan 714099, China)

A portable electrocardiogram monitoring device based on the controlling core of MSP430 was designed. The ECG signal was sensed, and then processed through amplifying circuit, filter circuit. The analog signal was converted into digital signal by A/D converter, and then analyzed by MSP430F149. The ECG signal was displayed and stored finally. The experimental result shows that it can detect ECG signal and show the change of signal curve immediately. It has the advantage of low power consumption, small size, easy to carry and practical advantages.

MSP430; electrocardiogram monitoring; sensing electrode

TP368.32

A

1009-5128(2017)04-0027-05

陜西省科技廳工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目：SOC及模數(shù)混合大規(guī)模集成電路直流參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)(2016GY-117);渭南師范學(xué)院科研計(jì)劃項(xiàng)目：西部軍民兩用微納結(jié)構(gòu)材料的頻譜OCT檢測(cè)方法研究(15ZRRC08);渭南師范學(xué)院特色學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目：電氣工程與秦東工業(yè)(14TSXK07)

秦玉偉(1979—)，男，山東諸城人，渭南師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院副教授，理學(xué)博士，主要從事傳感器與光電檢測(cè)技術(shù)研究。