便携式心电记录仪的开发与研究

王硕 秦川 马攀

摘 要：本文围绕心电信号采集技術这一主要问题，简要阐述了四代心电记录设备的发展历程，在以S3C2410芯片为核心的嵌入式芯片基础上，主要从硬件方面分析了便携式心电记录仪的信号采集思路，提供了一种较为传统的、结合了操作系统的电子心电记录仪，是当前较为成熟、常用的医疗技术之一。

关键词：操作系统;心电记录仪;电子

一、心电记录仪系统要求

心电信号是人类最早研究并应用于医学与临床的生物电信号之一，对于心脏病患者发病时间不固定、病情具有长久性的特点，一种便携式的心电记录仪提供的心电信息记录具有重要的医学价值，长时间的心电记录能记录到普通心电图检测时患者不易出现的短暂异常心电活动，为病情分析提供重要依据;因此，心电信号检测设备的可穿戴、便携性能成为现代医学衡量心电记录设备的重要指标。随着大规模集成电路和微处理器的出现，目前的心电监护仪已经能监测数十种参数。鉴于心电信号的难识别性以及心电监护相关操作的专业性，以下将讨论一种新型便携式心电记录仪的系统开发需求。

便携式心电记录仪系统集中了数据传感、模拟信号/数字信号转换、数据存储、心电波形显示，同时具备软硬件同时轻量级、电池续航持久等性能优势，对仪器外形、芯片开发、代码优化提出新的要求。本文主要介绍系统结构的组成和实现途径、心电信号的处理特点，底层和软件的开发会相对较少。

外观界面由LCD显示器、方向控制键、记录、回放、菜单、删除、停止按键组成，显示器用来显示心电波形和时间信息，记录和回放功能用于存储和回溯某个特定时间段内的心电信号信息，删除按键用于删除一定时间内的一段记录，菜单激活系统主菜单，方向键控制菜单选择。

二、系统结构

从信号流动与存储的输入输出时序出发，保留必要的硬件结构，在软件结构开发时，可转换简单的数字量控制思路，通过软件平台（嵌入式操作系统，如μC/OS-II）来实现各种人机交互和数据样本的显示和压缩，安装各种驱动、开发各个任务的应用程序。

硬件结构由处理器核——A/D转换器内部总线心电传感器、外部时钟、电池监测、显示器——显示控制器、键盘、ROM、RAM、系统总线、蜂鸣器组成。整个系统的硬件围绕S3C2410芯片的外围组件，任务启动由键盘输入命令行，显示器作为命令和执行结果的显示部分，可输出数字化图像、心电波形图、主菜单等功能信息;RTC控制整个系统的功能计时和时间控制。

三、心电信号的特征与拾取

心电（electrocardiogram，ECG）监护是实现心血管疾病早期检测的有效手段，医生根据所记录的心电图波形的形态、波幅大小以及各波之间的相对时间关系，再与正常心电图相比较，便能诊断出心脏疾病。心脏周围的液体具有导电性，心肌细胞电位变化的综合可以通过这些导电的细胞集中反映到人体体表，受身体各部分组织不同、与心脏距离各不相同的影响，人体各部位产生的微小电流大小有所不同，心脏活动过程中，起搏点、心房、心室相继活动扩张，产生生物电信号的变化，这就是我们常说的心电信号。人体心电信号是非常微弱的生理低频电信号，通常最大的幅值不超过5mV，信号频率在0.05～100Hz之间。

心电设备从最初的心电图机到目前方兴未艾的穿戴式心电，大致经历了4代变化，分别是第一代：心电图机;第二代：心电Holter;第三代：心电手机;第四代：心电智能衣。心电图机一般采用差动式放大电路，利用心脏运动电流的电压滞留现象采集心电信号并进行放大和显示;动态心电图（Holter监测）是一种可以长时间连续记录并编集分析心脏在活动和安静状态下心电图变化的方法，相比一代的心电图机单次只能做十几次的心电活动监测，动态心电图对患者的限制更少，而能达到更好的临床效果，由患者随身携带，更能客观地判断出患者一天当中真实的心率情况并进行临床诊断，目前动态心电图成本较低，临床效果好，应用相对广泛，本文中主要介绍的就是一种基于操作系统的便携式心电记录仪的开发和背景。心电手机是通过蓝牙协议与SPI通讯，在TI公司开发设计的ADS1298芯片基础上采集心电信息，并具备了与心电Holter相仿的波形绘制、动态监测等优点的前提下，更好地应用了安卓软件设计。目前智能心电穿戴设备普遍采用Ag/AgCl湿性电极，价格便宜，通过导电膏与皮肤接触良好，可获取稳定的信号波形，AliveCor公司、苹果公司目前的穿戴式心电设备试验大多处于实验验证阶段，其应用价值还需要大量临床实验。

正常的心电信号为微弱的电压信号，其计量单位为毫伏，因此需设放大电路放大信号、滤波电路滤除噪声，在A/D转换电路之前，两级放大电路放大倍数1000左右，放大后心电信号单位级别达到伏级，一级信号放大器采用AD620芯片，放大倍数为8，一级高通滤波器除直流分量，二阶有源低通滤波器完成低通滤波，并兼具放大功能;信号放大电路核心芯片选用TL064，通过调节电位器使放大倍数大约达到125倍，放大并滤波后的信号输出AECG连接到S3C2410芯片的AIN7输入引脚上（A/D转换输入引脚之一），实现了心电信号的采集。

参考文献：

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