便携式无线十二导心电图仪的设计

王硕，汪丰，周平

东南大学 生物科学与医学工程学院，江苏 南京 210096

便携式无线十二导心电图仪的设计

王硕，汪丰，周平

东南大学 生物科学与医学工程学院，江苏 南京 210096

本文介绍了作者研究设计的一种实时显示12导心电信号，并且同时具有ZigBee无线传输和USB高速传输功能的便携式心电图仪。主要从心电信号处理模块、A/D转换模块、USB模块、无线传输模块、人机接口模块等方面作了介绍。仪器采用了导联选择电路，使原来的8路信号处理电路缩减为1路，大大降低了成本，增加了便携性。

心电图机；远程医疗；社区医疗；便携式医疗仪器

0 前言

随着现代社会节奏的加快，人们的压力也越来越大，心脏病的发病率逐年攀升，并呈现低龄化趋势。日益增长的心脏病患者与数量增速缓慢的心电图医师之间的矛盾逐渐加剧。且大部分心脏病的发病场所为家中或是社区，患者往往得不到及时地救治。

本文提出了一种新的设计理念，将心电信号的采集工作分离出来，由经过简单培训的护士或者患者就可进行心电信号的采集，以减少心电图医师的工作量。与GE的MAC800、迈瑞PM-9000和邦健的ECG-1200等国内外产品相比，本设计同时具有ZigBee无线传输和USB两种传输方式，产品更加轻小，方便随身携带。患者可以在家中自己随身携带本仪器采集心电数据，并通过ZigBee网络传输到医院服务中心。同时，也可以通过USB传到上位机进行长时间的保存，以方便对患者心脏情况的查阅和对照。医生可以直接从医院服务中心取得患者的心电数据进行诊断分析，并将诊断结果通过服务中心、ZigBee网络发送到患者手中。

1 系统功能介绍[1-2]

电极检测到的心电信号，先通过心电信号采集模块进行处理，然后通过A/D转换模块转换成数字信号，再通过数据存储模块储存。无线通信模块将存储的心电信号发送到医院服务中心，供给医生诊断用。也可以通过USB模块将心电信号传送到电脑进行长久保存。人机接口模块可以对导联状态和12导心电信号进行实时显示。系统功能如图1所示。

图1 系统功能图

2 系统模块介绍

2.1 中央控制单元

中央控制单元采用MSP430 F449[3]单片机，是美国德州仪器公司（TI）推出的MSP430系列单片机。具有超低功耗、处理能力强大（16 位RISC处理器）等特点。其价格低廉、小型、快速、灵活，是业界功耗最低的单片机，非常适合开发体积小、功耗低的医疗器械。中央控制单元用来控制A/D转换模块、无线模块、动态显示模块、存储模块、人机接口模块和USB模块。

2.2 心电信号采集模块

心电信号采集模块包括前端保护电路、导联选择电路、前置放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路和主放大电路，此外还有右腿驱动电路、1mV定标电路和导联脱落检测电路（如图2所示）。电极检测到的心电信号通过导联线到达前端保护电路，然后通过导联选择电路得到V1、V2、V3、V4、V5、V6等6个胸导，a VR、a VL、a VF 3个加压肢体导联和标准Ⅰ、标准Ⅱ、标准Ⅲ，共12导信号[4]。其中的加压肢体导联是通过单击肢体导联计算得来。12导信号通过前置放大电路放大20倍，再通过低通滤波电路、高通滤波电路（选择频带为0.05～100Hz），工频滤波电路用来消除工频干扰信号，最后经过主放大电路将心电信号放大30倍。整个电路总共放大倍数为600倍。由于采用了导联选择电路，原来的8路处理电路缩减为1路。

图2 心电信号采集模块结构图

2.2.1 前端保护电路

前端保护电路由放电二极管、限流电阻、两个反向连接的硅二极管和电压跟随器组成（如图3所示）。放电二极管为高压保护，其击穿电压为70V，主要是为了防止电击时的高压损坏心电图机。反向连接的硅二极管为低压保护，当干扰信号大于600mV时，二极管导通，从而保证心电信号的正常通过。电压跟随器提高了电路的带负载能力。

图3 前端保护电路

2.2.2 导联选择电路

导联选择电路由复用器、译码器和定时器组成，可以自动选择各导联。复用器U10～U13采用双四选一复用器MAX4782，译码器采用 SN54AHC1369，定时器采用MSP430F449内部定时器。A、B、三个控制端由定时器采样增/减计数模式，通过译码器输出的控制电平来控制多路复用器的开关转换。导联选择逻辑功能如表1所示。

表1 导联选择逻辑功能

2.2.3 前置放大电路

前置放大电路是第一级放大电路（如图4所示）。由于输入的心电信号幅度非常小，且有干扰信号，因此前置放大电路的主要功能是滤除共模干扰，同时对心电信号进行有限度放大。前置放大电路由放大器INA333构成，增益为20倍。其作用为抑制静电耦合引起的工频干扰和电磁感应引起的共模干扰。

图4 前置放大电路

2.2.4 低通滤波电路

采用二阶低通有源滤波[5]（如图5所示），其截止频率为106Hz。

图5 低通滤波电路

2.2.5 高通滤波电路

采用二阶高通有源滤波电路（如图6所示），其截止频率为0.05Hz。

图6 高通滤波电路

2.2.6 工频抑制电路

工频抑制电路由多重反馈有源带通滤波器和加法电路组成[6]（如图7所示）。将多重反馈有源带通滤波器的中心频率点调整为50Hz，信号经过多重反馈有源带通滤波器时只有50Hz信号能通过，并且相位反向，反向后的信号在加法电路中与原始信号相加，原始信号中50Hz信号被抵消，其他频率成分通过，从而消除工频干扰。实际测量的50Hz信号衰减了-32dB。

图7 工频抑制电路

2.2.7 右腿驱动电路

右腿驱动电路是作为病人的地（如图8所示）。将RA、LA和LL的信号连到一点作为威尔逊中心点[7]。在右腿驱动电路中，把右腿接到一个辅助运放的输出端。身体上的共模电压从威尔逊中心点检测到，通过该辅助运放反相，放大反馈到右腿上。此负反馈使得共模电压降低，同时使身体的位移电流不流到地，而流到运放输出电路，这样就减少了共模电压的拾取，并且有效地使病人接地。威尔逊中心点，同时还作为3个单极肢体导联和6个胸导联的参考电压。

图8 右腿驱动电路

2.2.8 主放大电路

将经过滤波的心电信号放大30倍（如图9所示）。

图9 主放大电路

2.2.9 1mV定标电路

为了衡量心电图波形的幅度，对心电图机进行检测，需要在前置放大器的输入端输入1mV的矩形波。当按下J1时便给出一个负脉冲，送到三极管基极使三极管导通。这样+5V电压便通过三极管和1.1kΩ电阻加到3V稳压管上，使得稳压管稳压在+3V。经过前面电阻分压最终在INA333的正输入端得到一个1mV的电压。两个10kΩ电阻是通过导联选择电路加到INA333上的（如图10所示）。

图10 1mV定标电路

2.2.10 导联脱落检测电路

导联脱落检测电路用来检测除了右腿以外的所有导联的状态。该导联检测电路包括上拉电阻，MSP430F449内部比较器A，中断口P1.0（如图11所示）。

图11 导联脱落检测电路

在导联上接一个10MΩ的上拉电阻，当任一导联发生脱落时，电压被上拉至+2.5V。上拉电路的输出连接到比较器A的正输入端P1.6，负输入端采用内部参考电压发生器产生的0.25VCC（+3.3V）。当导联脱落时，比较器的输出CAOUT变为1，此时将中断P1.0置位。并将导联状态显示在LCD屏上。

2.3 A/D转换模块

采用MSP430F449内嵌的A/D转换模块进行模数转换。它是8通道12位，转换时间小于10μs的A/D转换器。有6种参考电压和4种转换模式可供选择，采样速度高达200kb/s。选用AVcc作为正参考源，AVss作为负参考源，采用单通道多次转换模式，为了保证高保真记录心电变化的波形每导采样频率设为512Hz。

2.4 无线模块[8]

无线模块采用chipcon公司的CC2430芯片。CC2430芯片在单个芯片上整合了 ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用 1 个8 位8051MCU，具有 128KB可编程闪存和 8 KB 的 RAM，还包含A/D转换模块、几个定时器、AES-128 协同处理器、看门狗定时器、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及 21 个可编程 I/O 引脚。

2.5 人机接口模块

人机接口模块主要包括一块 LCD 和一个键盘。LCD 主要用来实时显示采集到的12导心电信号、导联状态和移动网络信号的强弱。用户通过键盘来选择 LCD上显示的各种菜单， 通过中断方式向中央控制模块 MSP430F449 发出控制指令，实现无线通信、采集心电数据等各种功能。

2.6 USB模块

USB模块采用TI公司的TUSB3410芯片。TUSB3410为TI公司推出的一款用于USB-TO-UART端口的桥接器，包括通过USB总线与主机进行通信所必需的全部逻辑电路，符合USB2.0规范，支持最高12Mb/s的全速传输，支持USB中止、恢复及远程唤醒功能；同时，其内部包含一个8052的CPU核、16KB RAM、包含I2C引导加载程序的10KB ROM，4个通用I/0口，具有USB总线供电和自带电源两种供电模式。MSP430F449与TUSB3410的主要端口连接见表2。

表2 MSP430F449与TUSB3420端口连接表

3 结论

本文设计的便携式12导联无线心电图仪频率范围为0.05～100Hz，输入缓冲级的输入阻抗高达 100MΩ，电路总增益为600倍，共模抑制比为110dB，噪声为3μV，50Hz干扰抑制比为30dB。符合医药行业标准中关于心电监护仪的高安全性、高输入阻抗、高共模抑制比、高增益、低噪声、低漂移等基本要求[9]。

该心电图仪将心电信号的采集工作分离出来，由经过简单培训的护士负责或者由患者自己负责采集。采集到的心电数据通过ZigBee网络传送到医院服务中心，医生可以通过服务中心获得病人的心电数据进行分析诊断，减少了心电图医师的工作量，给心脏病的诊断带来了极大的方便。

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Design of Portable 12-Lead Wireless ECG System

WANG Shuo, WANG Feng,ZHOU Ping
School of Biological Science &Medical Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096, China

TH772+.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.02.010

1674-1633(2011)02-0035-04

2010-08-25

2010-12-15

本文作者：王硕，硕士研究生在读。

汪丰，副教授，硕士生导师。

通讯作者邮箱：feng.wang@seu.edu.cn

Abstract:This paper introduces a portable electrocardiogram which is able to real-time display 12-lead ECG signals, and has ZigBee wireless transmission and USB high-speed transfer function. This electrocardiogram mainly includes signal processing module, A/D conversion module, USB wireless transmission module and man-machine interface module.Because of the use of lead choice circuit，signal processing circuits reduced from 8 to 1, greatly reduce the cost and increase the portability. This design reduced workload of doctors, brought patients with heart disease greatly convenient.

Key words:ECG monitor; remote medical; community medical; portable medical instruments