便携式家庭心电监护记录仪的研制

【作 者】杨鹏程，李永勤，陈碧华＊

重庆市第三军医大学生物医学工程与医学影像学院，重庆市，400038

心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一。据美国心脏协会统计，2010年美国新增785 000例突发性冠心病患者，并且有470 000例冠心病复发患者。几乎70%的病人因为急性心肌梗塞（AMI）突然发作而在院外死亡，其中大多数病人在4小时以前就表现出相应症状，若能及早预警发病风险并及时就医，将大大降低致死率。因此，对各类心脏病患者进行长期的心电监测、记录和分析诊断，以便实现疾病的早期发现、诊断和治疗，具有重要的意义[1，2]。然而，目前很少有将动态监护仪与Holter相结合的医疗设备，实现长时间的监护与心电数据记录。因此，需要探索一种低功耗、便携式、可实时显示心电波形、长时间存储心电数据、可实现心电信号自动分析的高性能家用心电监护设备。

1 系统总体设计

本文设计的便携式家庭心电监护记录仪的原理框图如图1所示。从电极提取的ECG信号经导联线传送到前置放大器，进行前置放大，经带通滤波器滤除直流信号、低频基线干扰以及高频信号后，由后级放大器放大；再经陷波器进一步滤除50 Hz工频干扰，得到0.05 Hz ～100 Hz的高信噪比ECG 信号，最后由A/D转换后送至单片机。为提供友好的人机交互界面，增强监护功能，本监护仪采用了液晶显示器实时显示心电波形。为实现长时间的数据存储，采用大容量SD卡，不间断地记录心电数据。利用单片机生成FAT文件系统，实现方便快捷的数据管理。

图1 系统原理框图Fig.1 Schematic of system

2 心电模块设计

2.1 ECG放大器设计要求

ECG是低信噪比的周期性微弱信号，在ECG信号采集过程中，易受仪器、人体等方面的影响，并混有很强的工频干扰。对ECG特征参数提取的关键技术包括消除干扰、稳定基线等，即放大后的信号还要经过滤波处理以保证通带0.05 Hz～100 Hz，并抑制50 Hz工频干扰，因此对心电放大器的设计有很苛刻的要求[3]。

一般心电放大器的设计有如下要求：

(1)增益为800～1 000左右；

(2)频率响应为0.05～100 Hz；

(3)输入阻抗为5.1～10 MΩ；

(4)共模抑制比大于80 dB；

(5)低噪声、低漂移。

为抑制电路的基线漂移，进一步提高共模抑制比，要求放大电路必须分两级实现，前置放大器的增益不能太高，设计为7倍，后级为140倍。另外，考虑到本监护仪的便携特性，所以在选择放大器时，同时要考虑到其功耗及体积的特性，以便更好地降低整机的功耗和体积。

2.2 前置放大器

为达到上述技术要求，前级放大电路采用了差动输入的方式，如图2所示，即将患者两体表电极间的电位差作为信号予以放大。本文采用仪用放大器件AD620。AD620具有高输入阻抗（可达到10 GΩ）、低噪声、低漂移和增益可调的特点。增益G与电阻RG的关系按下式计算：

前置放大器原理图如图2所示，D1为一个瞬态抑制二极管，与R1、R2组成高压保护回路，特别是在给病人除颤的时候，防止输入电压过大，损坏前置放大器；R18用来调节前置放大器的放大倍数。

图2 前置放大电路原理图Fig.2 Schematic of preampli fier

2.3 带通滤波器

本设计采用LM358组成二阶巴特沃斯高通和低通滤波器，将ECG信号的通频带限定在0.05 Hz -100 Hz。

图3 带通滤波器电路原理图Fig.3 Schematic of band-pass fi lter

如图3所示，U2、C3、C4、R2、R4构成高通滤波器，滤波器的截止频率为：

其中U1、C1、C2、R1、R3构成低通滤波器，滤波器的截止频率为：

2.4 带阻滤波器

为了滤除50 Hz工频干扰，必须设计一个高性能的带阻滤波器。传统的双T陷波器由于带宽较宽，品质因数Q不高，会滤除工频干扰以外的有用心电信号。为了改善这种情况，本文采用Burr-Brown公司生产的μAF42集成有源滤波器设计50 Hz陷波器，其电路原理图如图4所示[4]。

图4 陷波器原理图Fig.4 Schematic of trap fi lter

已知陷波频率f0=50 Hz，由公式(4)计算得到，而Q值由公式(5)、(6)得到，公式(7)计算得到陷波器在50 Hz处的带宽。其中：RF=RF1=RF2，C=1000 pF。

3 MSP430单片机系统设计

MSP430系列单片机是TI公司的SOC型混合微处理器产品系列，16位的高效微处理器系统，丰富强大的外围电路资源，低功耗成为被广泛应用的一款单片机。设计采用MSP430F149单片机对心电信号进行A/D采样、波形显示、数据处理与存储，以及实现人机交互功能。

3.1 A/D转换模块

MSP430F149含有独立的12位 ADC模块，并且包含基准源和内部温度传感器，适合各种高精度测量应用。ADC12模块有8个独立的模拟端口，可同时采集8路模拟信号，并且具有16个存储寄存器，可以实现高速转换和存储。本文使用P6.0-P6.2作为三路模拟信号的输入端口。

ADC12模块的工作模式设置为单通道单次采集，时钟设置为系统时钟8 MHz。为了精确控制采样率，利用Timer A来定时控制。Timer A的ACLK为辅助系统时钟32.768 kHz，令CCR0=264，由公式(8)可知采样率为125。

将采集到的数据经过一定的处理后，通过指定的端口送入液晶显示器进行波形显示。

3.2 SD卡存储模块

SD卡 (Secure Digital Memory Card)是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，由松下、东芝和SanDisk公司共同开发研制，体积小，拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性和很好的安全性等特点，符合本设计便携式、长时间监护和存储ECG的要求。SD卡与MSP430F149的P3.0-P3.3以SPI总线接口方式进行通信[5]。

为了方便数据的存储与管理，利用单片机实现了简化的FAT文件系统，可以实现新建目录、文件，删除目录、文件等基本的文件系统操作功能。

3.3 软件系统设计

本设计的软件是在IAR Embedded Workbench for MSP430 V5.3版本环境中进行编写与调试的。软件设计由以下部分组成：系统时钟初始化；ADC12模块初始化；SD卡存储模块初始化；基于液晶显示器的GUI界面设计[6]。图5为系统软件操作流程图。

图5 系统软件操作流程图Fig.5 Flowchart of system software

4 实验结果与上位机软件设计

4.1 硬件制作

根据前述系统组成，图6为系统实物图和液晶显示界面。该心电监护记录仪可实时同步显示和记录3导心电信号。同时，液晶显示的左边为各导信号信息，右边显示参数设置菜单，配合相应的按键可实现扫描速度设置、显示幅值设置、数据存储与回放功能。

图6 系统实物图及波形显示效果Fig.6 Photo of the system and waveforms display

4.2 基于Matlab的上位机程序设计

通过SD卡可将存储的ECG数据拷贝到上位机上，利用Matlab对心电信号进行心率变异性分析，为临床提供具有诊断意义的数据。

图7所示是上位机程序界面，可通过读取SD上的数据显示心电信号，标定R波，计算R-R间期的波动情况，进行心率变异性的时域分析。

4.3 临床试验

在完成系统设计、软件调试和性能测试后，我们分别采集了7例健康人群以及3例房颤患者各20分钟的心电信号，并上传至上位机进行数据分析。图8是一例正常人(A)和一例房颤患者(B)的II导心电图。

通过上位机软件进行心率变异性分析，得到心电信号的Poincare散点图，其中(A)为正常人的Poincare散点图，(B)为房颤患者的。可以直观地看出，正常人与房颤患者心电信号的Poincare散点图存在明显的差异，能作为医生诊断的可靠依据。采用本系统结合分析软件，可以明确地提示心电的异常。

图7 上位机界面Fig.7 Software Interface of the Host Computer

图8 标准II导联心电图对比Fig.8 Compare of Standard II-lead ECG between the Healthy Person and Atrial Fibrillation Person

图9 Poincare散点图对比Fig.9 Compare of Poincare Scatter plots

5 总结

本系统利用低功耗单片机MSP430同步采集三通道心电信号，通过液晶模块实时显示波形，实现普通监护仪的功能；同时可长时间、连续将数据存储在SD卡上，实现了Holter的功能。系统结构紧凑，功能完善，可以满足家庭监护的需求。同时，配合上位机软件，可实现对心电信号的心率变异性分析，其结果可作为医生诊断的依据。

[1] 林玉川. 我国老年人心血管疾病的现状分析与对策研究[J]. 井冈山医专学报, 2008, 15(3): 12-15.

[2] 赵冬. 我国心血管疾病和心血管危险因素流行病学现状[J]. 中国社区医师, 2011, 13(5):50.

[3] ANALOG DEVICES. Low Cost Low Power Instrumen-tation Amplifier AD620 [EB/OL]. http://www.analog.com/ static/imported- fi les/data_sheets/AD620.pdf, 2012-6-20.

[4] 颜良, 陈儒军, 刘石, 等. Multisim2001在基于UAF42陷波器设计中的应用[J].电子技术, 2005, 23:96-98.

[5] TEXAS INSTRUMENTS. Interfacing the MSP430 with MMC/SD flash memory cards[EB/OL]. http://www.ti. com/lit/an/slaa281b/slaa281b.pdf, 2012-6-20.

[6] TEXAS INSTRUMENTS. MSP430x1xx Family User’s Guide[EB/OL]. http://www.ti.com/lit/ug/slau049f/slau049f. pdf, 2012-6-20.

[7] 李永勤. 糖尿病早期自主神经病变无创检测方法研究（硕士论文）[D]. 广州: 中国人民解放军第一军医大学, 2003