摘 要： 研制了一種新型的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核微處理器的便攜式心率監(jiān)測(cè)儀。詳述了該儀器的硬件、軟件設(shè)計(jì)和實(shí)機(jī)測(cè)試情況，其具有心跳波形實(shí)時(shí)顯示、儲(chǔ)存的功能。經(jīng)初步測(cè)試，該便攜式心率檢測(cè)儀可以連續(xù)工作，功耗低、攜帶方便，能對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示和儲(chǔ)存，適合家庭使用，對(duì)心血管疾病的監(jiān)護(hù)有重要意義。
關(guān)鍵詞： 心血管疾病；ECG；便攜式心率檢測(cè)計(jì)；攜帶方便
目前，社會(huì)人群正不斷向著老齡化的趨勢(shì)發(fā)展，心血管疾病發(fā)病率也逐年上升。心臟病的發(fā)作往往是隨機(jī)的、短暫的，稍縱即逝，患者難以及時(shí)趕到醫(yī)院進(jìn)行心電檢查，從而影響到病因的及時(shí)診斷。傳統(tǒng)心電圖或動(dòng)態(tài)心電圖都是一種回顧性的被動(dòng)檢查，有時(shí)很難及時(shí)捕捉到有效心電圖，而且體積較大，對(duì)病人來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)基本沒(méi)有可能。因此，研發(fā)一種可以實(shí)時(shí)檢測(cè)、儲(chǔ)存心率的便攜式心率監(jiān)測(cè)儀有著重要的意義。監(jiān)測(cè)儀可以隨身攜帶，并對(duì)病人進(jìn)行心率的實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄，以便有突發(fā)狀況產(chǎn)生時(shí)能提供讓醫(yī)生能更快更好診斷病癥的依據(jù)。
本便攜式心率監(jiān)測(cè)儀主要由信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理3部分組成。心電信號(hào)采集部分由信號(hào)采集，濾波、信號(hào)放大和A/D轉(zhuǎn)換幾個(gè)部分組成。采集到微弱的心電信號(hào)后，通過(guò)濾波、放大得到有診斷價(jià)值的心電信號(hào)波形。然后將心電信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入微處理器進(jìn)行處理。信號(hào)采集部分主要功能是信號(hào)的采集、濾波、放大，應(yīng)去除各種干擾的影響，如工頻干擾和肌電干擾等。數(shù)據(jù)處理模塊主要用來(lái)處理接收到的數(shù)據(jù)，然后按照一定的算法將其顯示在液晶屏上，形成了良好的人機(jī)界面。而數(shù)據(jù)儲(chǔ)存主要用于儲(chǔ)存心跳的波形數(shù)據(jù)，將心跳的波形儲(chǔ)存到SD卡中，并且可以連接到電腦上對(duì)心跳的波形進(jìn)行分析，起到病癥的診斷作用。
1 儀器設(shè)計(jì)要求
在心電信號(hào)的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，由于實(shí)際工作情況并非理想狀態(tài)，監(jiān)測(cè)信號(hào)中往往含有很強(qiáng)的背景噪聲，這些背景噪聲包括工頻噪聲、肌電噪聲、呼吸波噪聲、人體動(dòng)作和電極極化等引起的各種隨機(jī)噪聲，心電信號(hào)存在的噪聲降低了診斷的準(zhǔn)確性。其中，對(duì)信號(hào)影響最大的是醫(yī)療儀器設(shè)備電源50 Hz工頻干擾噪聲。在許多情況下，其幅度之大以至于可能影響到系統(tǒng)的正常工作和醫(yī)生對(duì)疾病的準(zhǔn)確診斷。為了能準(zhǔn)確去除外界干擾，得到準(zhǔn)確的心跳波形，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)做到較大的共模抑制比、較大的放大倍數(shù)和合理的帶通頻率，低功耗的工作也是要達(dá)到的目標(biāo)之一。
2 儀器硬件設(shè)計(jì)
2.1 右腿驅(qū)動(dòng)電路
右腿驅(qū)動(dòng)電路通常用于生物信號(hào)放大器，以減少共模干擾。心電圖（生物信號(hào)放大器等）或肌電電路所發(fā)出的電子信號(hào)十分微小，通常只有幾微伏。而由于病人的身體也可以作為天線能受到電磁干擾，特別是50 Hz的工頻干擾，這種干擾可能會(huì)掩蓋生物信號(hào)，使得信號(hào)難以測(cè)量。因此，可以通過(guò)添加右腿驅(qū)動(dòng)電路用來(lái)消除干擾噪聲。右腿驅(qū)動(dòng)主要通過(guò)運(yùn)算放大器反向放大來(lái)抑制人體帶來(lái)的較大的工頻干擾，只要運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益足夠大，就能基本使人體電位保持零位。
2.2 前置放大電路
人體心電信號(hào)幅值小，頻率低，不穩(wěn)定，隨機(jī)性強(qiáng)，易受干擾，所以對(duì)心電放大電路的設(shè)計(jì)要求較為嚴(yán)格。選擇運(yùn)算放大器時(shí)，必須從增益、頻率響應(yīng)、共模抑制比、輸入阻抗、噪聲和漂移等方面綜合考慮。前置放大電路有較高的輸入阻抗、適當(dāng)?shù)脑鲆婧洼^高的共模抑制比，可以有效抑制人體的共模電壓和人體的各種活動(dòng)帶來(lái)的干擾。
信號(hào)采集后，通過(guò)儀用放大器進(jìn)行一級(jí)放大。設(shè)計(jì)采用的儀用放大器為B-B公司的精密儀用放大器INA118。INA118通過(guò)在腳1和腳8之間外接電阻Rg來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的增益，該增益可從1~1 000不等，電阻Rg的大小可由下式?jīng)Q定：G=（50 k?贅/Rg）+1。其中，G為增益，增益取在10左右，防止輸出過(guò)大，影響電路穩(wěn)定；Rg取2.8 k?贅；且此時(shí)共模抑制比在100 dB左右，可以有效抑制50 Hz工頻電帶來(lái)的影響。
在信號(hào)進(jìn)入INA118儀用放大器之前，先通過(guò)較大的電阻形成較大的阻抗，減小信號(hào)的失真，然后通過(guò)電壓跟隨增強(qiáng)心電信號(hào)的穩(wěn)定和輸出能力，再將處理過(guò)的心電信號(hào)送入儀用放大器。前級(jí)放大及右腿驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。
為了增強(qiáng)信號(hào)的準(zhǔn)確性，信號(hào)的輸入主要采用目前臨床上廣泛采用的銀-氯化銀電極，該電極具有電位穩(wěn)定、可靠性好、低漂移和低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，而且使用方便，無(wú)殘留無(wú)污染。左手、右手、右腿分別通過(guò)電極連接到帶有屏蔽線的導(dǎo)線，這樣可進(jìn)一步去除外部干擾對(duì)心電信號(hào)的影響。
2.3 帶通濾波電路
常規(guī)心電信號(hào)的頻帶范圍為0.05 Hz~100 Hz，在此頻帶范圍內(nèi)包含了心電信號(hào)的主要能量部分。正常心電信號(hào)為毫伏級(jí)信號(hào)，對(duì)于干擾環(huán)境而言屬于微弱小信號(hào)。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了帶通頻率為0.05 Hz~150 Hz的帶通濾波電路，將心電信號(hào)的有用成分從采集到的信號(hào)中分離出。
本設(shè)計(jì)選取一個(gè)10μF的電容和一個(gè)3 MΩ的電阻構(gòu)成一個(gè)一階無(wú)源高通濾波，主要濾除0.05 Hz以下的波形，去除一部分干擾。
選取一個(gè)4.7 kΩ的電阻和一個(gè)0.22μF的電容構(gòu)成一個(gè)一階低通濾波，主要濾除150 Hz以上的頻率。
高通濾波和低通濾波形成一個(gè)帶通濾波，范圍較廣，可以濾除大部分的高低頻干擾，通過(guò)帶通濾波后的心電信號(hào)已經(jīng)可以較好地觀察到了。
2.4 后級(jí)放大電路
經(jīng)過(guò)濾波后的心電信號(hào)雖然能被較好地觀察到，但是還不能被微處理器很好地識(shí)別，于是還需進(jìn)行后級(jí)多次放大。運(yùn)放采用OPA2604高精度雙運(yùn)放，主要采用多次反向放大的方法放大心電信號(hào)。
先通過(guò)一次電壓跟隨增強(qiáng)輸出能力，對(duì)前級(jí)電路呈高阻態(tài)狀態(tài)，對(duì)后級(jí)電路呈低阻態(tài)，從而形成前后級(jí)電路的隔離。放大采用反向放大，多次進(jìn)行放大倍數(shù)較小的放大，這樣就能出來(lái)一個(gè)較為清晰的心電波形了。帶通濾+后級(jí)放大+加法電路圖如圖2所示。
3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
主程序由多個(gè)模塊組成，多個(gè)模塊按一定的時(shí)序構(gòu)成了整個(gè)監(jiān)測(cè)儀的主程序，流程如圖3所示。
本系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)為：（1）導(dǎo)聯(lián)：標(biāo)準(zhǔn)II導(dǎo)聯(lián)；（2）共模抑制比：大于100 dB；（3）放大倍數(shù)：可調(diào)，500~2 000倍；（4）通頻段：0.05~150 Hz；（5）供電：直流5 V，外部供電；（6）工作環(huán)境溫度：0~50°C；（7）連續(xù)工作時(shí)間：24小時(shí)以上；（8）支持SD/MMC卡存儲(chǔ)。
4 系統(tǒng)整體性能及實(shí)用分析
系統(tǒng)通過(guò)實(shí)機(jī)測(cè)試和示波器顯示測(cè)試兩個(gè)方面來(lái)測(cè)試監(jiān)測(cè)儀是否能很好地工作、放大和顯示波形。實(shí)機(jī)測(cè)試和示波器顯示結(jié)果分別如圖4、圖5所示。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在實(shí)機(jī)上基本能看出和示波器上一樣的波形，有較為滿意的顯示效果，并且人在運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)波形干擾不大，可實(shí)現(xiàn)隨身攜帶、隨時(shí)測(cè)量。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存也能完成，無(wú)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。可連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)、儲(chǔ)存，達(dá)到了系統(tǒng)對(duì)心跳波形的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控、顯示和儲(chǔ)存的要求。
本設(shè)計(jì)針對(duì)便攜式心率監(jiān)測(cè)儀對(duì)個(gè)人和家庭應(yīng)用中的重要意義，設(shè)計(jì)提出了一種低功耗、便攜式的心率監(jiān)測(cè)儀，能夠完成心率的監(jiān)測(cè)，儲(chǔ)存功能。
本文設(shè)計(jì)了便攜式心電儀的數(shù)據(jù)采集部分，設(shè)計(jì)了相關(guān)的濾波電路，有效抑制了心電檢測(cè)中的干擾和噪聲，增強(qiáng)了心電信號(hào)的有用成分。在模擬信號(hào)處理中，采用右腿驅(qū)動(dòng)電路及帶通濾波器，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。數(shù)據(jù)處理部分將A/D轉(zhuǎn)換的心電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LCD上，并存儲(chǔ)到SD卡中。采用NXP公司基于ARM Cortex-M3核的微處理器LPC1768，因?yàn)锳RM能兼顧到高性能、低功耗、低價(jià)格及小的芯片尺寸。本設(shè)計(jì)在元件選擇和設(shè)計(jì)中充分考慮低功耗的要求。
本文設(shè)計(jì)的便攜式心電儀基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，用示波器觀察數(shù)據(jù)采集部分各個(gè)階段的波形，證明模擬電路能完成相應(yīng)功能。通過(guò)整機(jī)調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行良好，心電信號(hào)波形無(wú)失真。
但是該設(shè)計(jì)仍有許多需要提高的地方。系統(tǒng)的抗干擾能力應(yīng)該進(jìn)一步提高，而信號(hào)采集和放大部分的功耗還有待降低。降低了功耗，系統(tǒng)的性能會(huì)更進(jìn)一步。
系統(tǒng)中未加入數(shù)據(jù)分析的部分。未來(lái)還會(huì)加入數(shù)據(jù)分析的程序，將采集到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)的心電信號(hào)進(jìn)行對(duì)比、分析，來(lái)判斷心電波形的好壞，做到早發(fā)現(xiàn)、早提醒，減少了病人的風(fēng)險(xiǎn)。
還可結(jié)合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將采集到的數(shù)據(jù)直接提交到醫(yī)院供醫(yī)生分析和對(duì)重癥病人實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，大大增加了病人的安全性，這也是未來(lái)心率檢測(cè)儀的一種發(fā)展趨勢(shì)。
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