心电信号的采集和便携式心电图机的设计研究

2014-01-25曲延凤刘翠红

中国医药指南 2014年12期

关键词：液晶显示心电电信号

曲延凤刘翠红

（章丘市中医医院心电图室，山东章丘 250200）

心电信号的采集和便携式心电图机的设计研究

曲延凤刘翠红

（章丘市中医医院心电图室，山东章丘 250200）

心血管疾病是目前对人类危害最大、发病率和病死率最高的疾病之一。在心脏疾病的诊断过程中，必不可少的重要媒介就是心电图检测、心电信号的采集。如今，以VLSI技术和DSP技术为代表的电子信息技术发展迅速，心电图机正小型化、功能多样化、智能化成为主要趋势。高性能、便携式心电图机的研制，为心脏疾病的及时诊断和治疗提供较大的便利条件。被广泛应用在网络应用、工业控制、无线通讯、成像等领域的ARM微处理器，具有独特的优势，即体积小、低成本、功耗低、性能高。本文介绍一款基于嵌入式系统，使用MSP430 F135的微处理器，低功耗便携式心电图机的设计。

便携式；心电图机；心电信号；采集

如今，随着社会的发展，人们的生活节奏随之加快，心血管疾病在身边时有发生。但是，人们的健康意识与生活水平的提高在逐渐增强。对心脏健康状况的随时监护，在危急时刻进行及时的就诊是必要的[1,2]，但是长住在医院实施监护与治疗是不现实的，消费者不可能支付起这样高昂的药费，医院门诊也不可能承受起如此的就诊压力。

1 研究背景

医疗仪器的发展，随着科学技术的进步不断更新。如纳米机械元件的使用，化学感测器具有可佩戴性，保健医疗器材进入家庭等。在医疗仪器设计上，更多地注重信息与医疗技术的整合。便携式心电图机的设计也在顺应这一趋势，预计会产生很大的市场发展潜力。心电图是利用心电图机从体表记录心脏每个心动周期所产生电活动变化的曲线图形[3-5]。心电图机是诊断心脏病的重要仪器之一，市场上品种也不少，但适合家庭使用的不多。家庭应用心电图机需要价格不能太高，功耗要低、操作便捷，本文主要阐述这一便携式心电图机的设计。

2 便携式心电图机的功能与基本原理设计

对心脏的随时进行健康监护便于移动和携带，心电图机在设计上首先保证功能：才用液晶显示系统对心电波形和工作菜单实时显示；将需要存储的心电信息利用外部存储器加以保存，便于就诊参考提取；心电图可连接打印机打印存档便于信息记录的整理和保存；在模式设计上提供自动、手动的可供选择的模式；便于对人体心电信号的采集与医疗机构间的传送。

便携式心电图机，为了方便使用，在设计上须满足：低成本；体积小，重量轻，便于携带；有较强的抗干扰能力；低功耗；便于操作的特点，从而提高其性价比。心电图机供电电池为干电池，但是存在问题，即低功耗，低时钟频率，操作反应与启动快，系统配备高低不同两频率，根据使用者的需要而随意切换。故，采用MSP430 F135灵活的时钟模块作为控制核心，外部存储器采用低功耗的AT29LV1024和液晶显示模块LMS0192A。混合信号处理器MSP430，单芯片系统整合与精度较高，具有丰富的片内外围的指令单片机flash 16-bits reduced instruction set computer（RISC）微控制器功耗最低。采集与处理心电信号，可以简化系统硬件电路，优化系统。MSP430 F135外围模块处理功能比较强，便于心电信号由电极从人体采集，经放大、滤波处理后进入单片机进行A/D转换，送液晶显示的采集、处理、存储、打印以及传输的集合功能。按下存储键存到外部存储器中，便于回放、打印与传输的调用，便于医师诊断间的信息反馈，真正实现对健康的随时监测，既节省用户开支又减轻医院门诊患者过多带来的压力。

3 便携式心电信号的检测及采集

便携式心电图机心电信号检测幅值范围是0.05～4 mV，频率为0.05～72 Hz。但是，在检测中会有干扰信号存在，如“仪器内部噪声、电极板与人之间的极化电压、50 Hz工频干扰、和心电图机周围电场磁场与电磁场的干扰”等。

其中消除50 Hz工频干扰心电信号，可以用自适应模板法，则心电图机模拟部分可以先将心电信号经电极或导联线采集后，通过前置放大电压，经过低高通虑波，电压放大器前级采用负反馈差动放大电路（后级放大），将基线位置调整为1.25 V的心电信号硬件结构。TI公司的基于双运放电路的微功耗仪表放大器INA321芯片，双运放电路的微功耗仪表，为心电信号的前级放大器（倍数为10倍）。干扰信号为72 Hz以上，属于强干扰，0.05 Hz以下的信号为弱干扰。低通滤波电路，先滤取低于72 Hz的信号后，接高通滤除极化电压信号，顺利采集到心电信号。RC高通滤波电路具有高输出阻抗，在后级同相放大电路（倍数为20倍）。

这样，最高幅值4 mV的心电信号，放大200倍得到0.8 V，输入范围为0～2.5 V的12位A/DC参考电压，参考电压最好取1.25 V这个中间值，使之与放大后的心电信号叠加为（1.25±0.8）V，完全符合12位A/DC参考电压中的信号输入范围内，也保证了0.05～72 Hz的心电信号频率，

信号处理，采样频率fs的设定，需要与采样要求吻合，采样速率也是有限的，如f449的AD采样速率最高为200 KSPS。可以用定时器作为AD采样的触发信号进行采样的速率控制，每次定时器中断（或中断标志位置位）后读出上次采样值并开始下一次得采样。为了达到较为精确的采样速率控制，可设置系统时钟为8 M。为保证转换速率，最佳选取采样率fs=200 Hz。系统的控制核心MSP430 F135，该Aluminum-Alloy Die Castings 12，功能齐全，提供了参考电压、有采样保持、采样速率200 KHz，自动扫描功能，内、外通道共12个，MSP430 F135包含512B RAM，外设有基本时钟系统、通用目的定时器、带3个比较寄存器和通用串行同步接口USART0，一个容量为16个字的可编程缓冲器，具备自动扫描功能，A/D转换器不依赖中央处理器可独立工作，数据转换后可以自动存入缓冲区，减轻中央处理器的工作负荷，去执行其他的数字信号运算或进入省电工作模式。实现了采样方式多样化，基本能够满足用户健康监测和检查的日常要求。

便携式心电图机的菜单和心电波形的显示，模块采用以MSP430作为液晶的微处理器的LMS-0192A液晶显示。通过单片机采集和处理心电数据，输出给液晶显示。汉字菜单的显示：菜单通过汉字字库将汉字逐个转换为“16×16”点阵形式，汉字都有相应的数据表的数据与之对应，程序查表后就能显示汉字，共32个16进制的数据送液晶显示。