一种低成本的多路心电监护系统的研究与设计

彭 靳

（滁州学院 电子信息工程系，安徽 滁州239000）

一种低成本的多路心电监护系统的研究与设计

彭 靳

（滁州学院 电子信息工程系，安徽 滁州239000）

开发一种高性能、低成本的适合小型医疗机构与家庭使用的多路心电监护仪。系统采用AD620和TL082，分四路对采集到的人体体表心电信号进行多级放大，并通过滤波，得到高保真放大信号，经过A／D转换，将数字心电信号传送给以C8051F320微处理器为核心的心电处理部分，对信号是否正常做出初步判断，并把有诊断价值的信号存储起来。

心电监护；心电信号；低成本；多路

0 引言

随着生活水平的提高，健康监护越来越受到人们的重视。心电监护指的是通过连续监测病人的心电信号，及时了解病人的心脏工作情况，并在发现严重心脏异常情况时，及时记录并做出提醒。［1］心电监护对于心血管病人显得尤为重要，病人一旦发病就会很危险，这就需要医护人员实时观察病人心电变化，这一看似简单的工作实际却耗费大量的人力物力。如果能设计一套系统，随时随地监控病人的心电情况，并能初步判断是否异常，这将大大降低病人的危险，并减轻医务工作者的工作量，因此我们设计开发了这种低成本便携式心电监护仪。

1 系统硬件设计

心电监护仪的总体结构如图1所示，主要有两部分组成：信号采集放大部分（I），信号存储处理部分（II）。信号采集放大部分，采用医用电极从病人体表采集心电信号，通过放大、滤波、模数转换，将采集到的心电信号转变成单片机能识别的数字信号。信号存储处理部分，通过核心部件单片机C8051F320，接收数字的心电信号，按照设定标准判断是否正常，把不正常的信号存储于外扩存储器上，在LCD上显示相关信息，并通过声光方式进行报警提醒。［2］

图1 系统总体结构图

2.1 信号采集放大部分

心电信号十分微弱，频率一般在0.5～100Hz之间，能量主要集中在17Hz附近，幅度大约在10uV～5mV之间，所需放大倍数大约为500——1000倍。而50Hz工频信号、极化电压、高频电子仪器信号等等干扰，要求心电信号在放大的过程中始终要做好噪声滤除的工作，所以我们采用前置放大电路和后置滤波电路结合的设计方法，力图从多个方面削减这些干扰。［3］

2.1.1 前置放大电路

根据心电信号的特点，前置放大电路应满足高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声低漂移的要求。因此我们选择AD620做为这部分的核心部件。

AD620是一种低成本高精度的集成运放，只要改变片外1脚和8脚之间的电阻值（RG）就能够获得从1到1000的任意增益值。该芯片为8脚的双列直插式封装，具有供电电压低，容易供电，应用简单的特点。另外，AD620的低电压偏移的最大值为50μV，温漂的最大值为0.6μV／℃。它的低噪声、低输入偏差电流以及低功耗的特点使得它非常适合应用于像ECG这样的医学测量领域。AD620的连接如图2所示。

图2 前置放大电路

2.1.2 后置滤波电路

高频干扰，其他医疗仪器的噪声会干扰心电信号的测量，其幅度不是很高，但由于心电信号同样较微弱，再加上前级的1000倍左右的放大，干扰信号必须考虑滤除。已知人体心电信号频率大约为0.05Hz～100Hz，因此利用LM324分别设计一个高通滤波器和一个低通滤波器，组合成带通滤波器。［4］

二阶传递函数的一般形式为

其中，s为复频率，ω0为转折频率，α为品质因数Q的倒数，称为阻尼系数。α、ω0为正数，这是二阶系统保持稳定的必要条件，分子G（s）为不高于二次的s多项式，按其具体形式的不同，给出不同的滤波特性。［5］例如：

其中A为运算放大器闭环增益。通过求电压传递函数，得到RC网络的元件参数值，根据电容的截至频率选定高通和低通所需的电容具体数值，最后确定滤波电路（如图3、图4所示）。

图3 二阶低通滤波电路

图4 二阶高通滤波电路

2.2 信号存储部分

EPROM27256是32K×8位的紫外线擦除的NMOS可编程只读存储器EPROM。本系统的程序全部存入外扩展的EPROM中。C8051单片机内部有2304B内部数据RAM。但在用于实时数据采集及处理时，仅靠片内提供的数据存储器是远远不够的，在这种情况下，扩展外部数据存储器6264。6264是8K×8位的静态随机存储器芯片，它采用CMOS工艺制造，单一＋5V供电，额定功耗200mW，典型存取时间200ns。27256是32K容量的EPROM，用到了15根地址线。在系统中只扩展一片EPROM，27256的片选可以接地。数据存储器只使用WR、RD控制线而不使用PSEN。正因为如此，数据存储器与程序存储器地址可完全重叠。［6］

除此之外，硬件部分还包括精度选择、报警和LCD显示。精度选择提供3个精度，分别对应10秒、25秒、50秒的心电采集间隔，采集间隔越短，灵敏度越高，但准确度越差。报警主要采用常见的声光报警。LCD显示当前被监护对象的心电情况，包括心律和对非正常心电的初步判断。对心电信号的处理和判断，主要通过对C8051软件编程实现，下边就这部分做进一步介绍。

3 系统软件设计

本系统的软件用MCS－51汇编语言编写，采用模块结构，包括以下几个部分：控制内部计数器计数模块、控制采样模块、50Hz频率滤波模块、基线漂移抑制模块、心电波形分析模块、报警模块。所有功能都是通过相应的子程序完成的。

根据系统需要，设置了1个中断即定时器1中断。程序进行中，除定时器中断程序外，几个模块按顺序进行，如果四张床对应的报警器没有同时报警，程序将一直循环下去。

整个系统是这样工作的：先进行初始化，对51的一些专用寄存器赋初值。设置定时器，开定时器中断，通过定时器中断程序控制P1.2、P1.3口，从而控制 A／D转换器通道的选取。采集病人心电数据5秒，进入预处理程序。在采集病人心电数据程序中，首先检查上次对病人心电数据的判断结果，程序将跳过对上次运行时判断为心电信号异常的病人的心电数据的采集。预处理包括数字滤波和基线漂移抑制两部分。之后系统对预处理后的数据进行分析，判断这段数据是否为异常的心电数据。预处理和判断部分的程序也将对上次运行时判断为心电数据异常的病人进行“跳行”操作。如果某床病人的心电数据被判断为异常的心电数据，则与床位对应的报警控制端口置低电平，再回到采集病人心电数据程序，一直循环下去。程序运行流图如图5所示。

图5 总程序运行流图

3 总结

本设计的核心器件采用C8051F320单片机，外围电路的AD620、TL082、LM324及液晶显示模块等都是常见低廉的元器件，所以整个设计成本比较低，外形也比较小巧，适合普通家庭使用。同时经过测试，能准确有效的对四个病人的心电情况进行监控，也能满足小型医疗机构的使用。随着人们生活水平的提高，健康越来越被重视，心电监护也必将越来越普及。但以单片机为核心芯片的心电监护系统也存在自身不可避免的缺陷，如：运行速度慢、存储量小、处理能力不足等，为此，该心电监护系统需使用更新的技术加以完善。

［1］王俊霞.人口老龄化与社区养老［J］.求实，2003（S1）：196－197.

［2］童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程［M］.北京：北京航天航空大学出版社，2009.

［3］程佩青.数字信号处理教程（第三版）［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［4］张娅莉.便携式心电监护仪的研制［J］.中国医疗器械信息，2007，（09）：11－13.

［5］蔡建新.生物医学电子学［M］.北京：北京大学出版社，2007.

［6］史锡腾.家用便携实时心电监护仪的开发与试验［J］.医疗设备信息，2007，（11）：16－18.

TN7

：A

：1673－1794（2010）05－0055－03

彭 靳（1981－），男，硕士，讲师，研究方向：电子技术。

安徽省教育厅优秀青年人才基金（2009SQRZ145）

2010－06－18