1 引言

心臟病是嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康和生命的最主要疾病。心電儀可以獲取患者的心電信息，從而發(fā)現(xiàn)基中的異常情況，采取相應(yīng)的處理措施，是降低心臟病死亡率的有效手段之一。

心電圖是在身體表面間接記錄出來(lái)的心臟的電信號(hào)變化，心電信號(hào)但基本上都包括一個(gè)P波、一個(gè)QRS波群和一個(gè)T波，有時(shí)在T波后，還會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小的U波，典型的心電波形見(jiàn)圖1。人體心電信號(hào)的頻率范圍是0.5-100Hz，主要頻率分量集中在0.5- 20Hz。電壓為1mV,信號(hào)易受到干擾。心電信號(hào)等效內(nèi)阻為30千歐，但經(jīng)常發(fā)生變化。

圖1 心電圖波形

本項(xiàng)目所研究的心電儀由便攜式心電采集模塊與心電處理模塊兩大部分組成。便攜式心電采集模塊主要完成對(duì)心電信號(hào)的調(diào)理、采集和發(fā)送。心電處理模塊主要用來(lái)接收、分析、存儲(chǔ)、處理心電波形。

本項(xiàng)目的心電數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)應(yīng)用了當(dāng)前己經(jīng)比較成熟的單片機(jī)技術(shù)，在硬件上充分保證了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。而計(jì)算機(jī)軟件采用了虛擬儀器技術(shù)。這就使整個(gè)設(shè)計(jì)更加突出儀器智能化，模塊化，靈活化。采用單片機(jī)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出操作簡(jiǎn)單，測(cè)試可靠，界面靈活，尤其適合于快速開(kāi)發(fā)時(shí)的測(cè)試系統(tǒng)。心電儀總框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

2 信號(hào)處理及采集

硬件主要是進(jìn)行信號(hào)處理、采集及發(fā)送。系統(tǒng)通過(guò)貼在人體表面的電極，將心電信號(hào)采集過(guò)來(lái)，經(jīng)放大后通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送到PC機(jī)，讓PC進(jìn)行顯示及處理。硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

2.1 前置放大器的設(shè)計(jì)

心電信號(hào)屬于低頻的小信號(hào)，為了對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行各種處理、記錄、顯示，必須先將把信號(hào)放大到所要求的幅度。根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)，在選擇信號(hào)放大器時(shí)，必須考慮以下幾個(gè)參數(shù)：

高輸入阻抗。心電信號(hào)源是高內(nèi)阻的微弱信號(hào)源，通過(guò)電極提取由于極化特性又呈現(xiàn)不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源特點(diǎn)。且源阻抗不穩(wěn)定使放大器電壓基線不穩(wěn)定。所以輸入阻抗要足夠的高共模抑制比。由于人體活動(dòng)在工頻電源的環(huán)境中，為了抑制人體所攜帶的工頻干擾，須用差動(dòng)放大形式，因此CMRR值是放大器的主要指標(biāo)。心電放大器的CMRR值一般要求60dB-80dB，高性能放大器的CMRR達(dá)l00dB。

低噪聲、低漂移。由于心電信號(hào)僅在毫伏數(shù)量級(jí)，是低頻心電信號(hào)，而且信號(hào)源為高阻抗，所以電路往往會(huì)產(chǎn)生漂移及一些熱噪聲。

考慮到以上各個(gè)方面的因素，選用AD620作為前置放大器，它的輸入阻抗大，噪聲低，漂移小。放大倍數(shù)取為10，這時(shí)的CMRR為93dB，這樣共模抑制比較符合要求。前置電路如圖4。

圖4 前置放大電路

為了進(jìn)一步提高共模抑制比，電路中采用了右腿驅(qū)動(dòng)電路，如圖5所示，由TL064以及R220, R221, R211, R223構(gòu)成。人的共模電壓被兩個(gè)阻值相等的電阻R220檢出，經(jīng)輔助的反相放大器TL064放大后，反饋到右腿。人體的位移電流不再流入地而是流向輔助放大器的輸出端。結(jié)果使得共模電壓降低。

圖5 右腿驅(qū)動(dòng)電路

2.2 后級(jí)放大電路

后級(jí)放大電路由U16D和C36，R105，R107,R104組成，其放大倍數(shù)由R107,R104決定，即G= R107/R104。后級(jí)放大的倍率設(shè)計(jì)為20倍。

2.3 高通濾波器

為了抑制直流漂移、放大器通帶外的低頻噪聲及由呼吸引起的基線漂移，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的RC高通濾波器用來(lái)濾除以上所提到的各種低頻噪聲，如圖6所示，此濾波器是由R105和C36構(gòu)成。濾波器的時(shí)間常數(shù)t=RC=2S，高通濾波器的截止頻率為:

這個(gè)頻率符合心電信號(hào)的頻率范圍。

圖6 后級(jí)放大電路

2.4 低通濾波器

由于心電信號(hào)在150Hz以下，為了消除各種高頻干擾，使用了低通濾波器。濾波器的截止頻率為:

2.5 雙T有源帶阻濾波器

心電信號(hào)放大器盡管采用了低噪聲前置放大和提高共模抑制比等多種方法，但在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)不能完全消除市電電源信號(hào)的干擾，有時(shí)達(dá)不到正常測(cè)量的目的。因此在信號(hào)放大電路中采用了50Hz陷波器來(lái)達(dá)到濾除市電干擾的目的。

日前廣泛采用對(duì)稱性雙T有源帶阻陷波器，其理論計(jì)算和設(shè)計(jì)都比較成熟。如圖7

圖7 雙T網(wǎng)絡(luò)

雙T有源帶阻濾波器的傳遞函數(shù)為

陷波頻率由雙T網(wǎng)絡(luò)決定

2.6 單片機(jī)、無(wú)線通訊的選擇

單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和無(wú)線傳輸系統(tǒng)的核心部分，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的地位。本系統(tǒng)所涉及到的有關(guān)單片機(jī)的設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)控制部分，本系統(tǒng)采用C8051F020單片機(jī)，它本身帶有16路AD，轉(zhuǎn)換速度快，位數(shù)也滿足要求。此單片機(jī)功能較強(qiáng)，接口多，功耗較低，應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)，所以選用了此芯片。

無(wú)線通訊模塊用SPI總線的模塊，通過(guò)中斷的方式完成。無(wú)線模塊的速度達(dá)到115200，這樣能將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到PC機(jī)。

3 虛擬儀器的軟件構(gòu)成

虛擬心電儀器的軟件是將采集到的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、保存及顯示。

本系統(tǒng)的軟件測(cè)試部分主要包括以下幾個(gè)模塊：用戶登陸模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、波形顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回放模塊，診斷報(bào)警模塊等。如圖8所示。

圖8 軟件功能模塊

用戶登入模塊

用戶登入模塊主要是為了保護(hù)用戶信息安全設(shè)置的，當(dāng)用戶運(yùn)行程序時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)彈出需要輸入用戶名和密碼的口令信息對(duì)話框，輸入不正確則不能進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，所以，可以保證用戶信息的安全。此外，還有相應(yīng)的增加用戶模塊，刪除用戶模塊，修改密碼模塊等。

數(shù)據(jù)采集模塊

在系統(tǒng)中通過(guò)無(wú)線通訊將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)傳送到PC的串口。在LabVIEW功能模板的Instrument I/O>Serial程序庫(kù)中包含進(jìn)行串行通訊操作的一些功能模塊。如圖9所示。

圖9 串口操作數(shù)據(jù)流圖

數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊的主要功能是將采集到的數(shù)據(jù)以及分析后的結(jié)果顯示在屏幕上。圖10為數(shù)據(jù)顯示界面，數(shù)據(jù)顯示界面的實(shí)現(xiàn)主要依靠LabVIEW 提供的各種顯示控件，包括波形顯示控件，數(shù)據(jù)顯示控件，指示燈顯示報(bào)警控件等。本系統(tǒng)的心電顯示模塊包括波形顯示、心電特征參數(shù)顯示以及報(bào)警顯示等部分。

圖10 顯示界面

數(shù)據(jù)分析模塊

心電信號(hào)的分析選用Express VI 中的mplitude & Level Measurement VI用來(lái)測(cè)量電壓的直流量，心電信號(hào)峰值、谷值、峰峰值、周期平均值等。用Timing & Transition Measurement VI 來(lái)測(cè)量心電信號(hào)的周期、頻率等，并通過(guò)公式計(jì)算心率，從而做出準(zhǔn)確的判斷心率的變化。

診斷報(bào)警模塊

報(bào)警信號(hào)根據(jù)設(shè)置的值進(jìn)行簡(jiǎn)單的比較來(lái)完成，只要大于設(shè)定的值，就認(rèn)為是上限報(bào)警，小于設(shè)定的下限值為下限報(bào)警。在界面上用燈及聲音來(lái)報(bào)警。

波形存儲(chǔ)回放

利用LabView的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)工具包LabSQL來(lái)訪問(wèn)ACESS數(shù)據(jù)庫(kù)，利用ACESS數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)保存波形、使用者姓名、時(shí)間等數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試符合醫(yī)生要求，使用可靠、方便。圖11為一使用者的心電波形。

圖11 使用者的實(shí)際心電波形

此系統(tǒng)為一套心電信號(hào)采集與處理電路，計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線串口機(jī)讀取心電信號(hào)進(jìn)行顯示和分析，建立了一套完全可行且容易實(shí)施、造價(jià)低廉的心電信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，即心電信號(hào)虛擬儀器。

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