基于ARM核的單電源心電檢測模塊的實現(xiàn)

　　濾波放大電路的前級采用負反饋差分放大電路，這里使用ADI公司可調(diào)增益高共模抑制比的儀表放大器AD8221作為前級放大器。放大倍數(shù)設(shè)為8倍，由公式G=49.4kΩ/RG+1計算得到，其中RG是AD8221兩個RG管腳之間的電阻值。

　 　這個電阻應當選用高精度、低溫漂的金屬膜電阻，以保證AD8221的低噪聲性能。AD8221的REF管腳沒有接地，而是和一個低通濾波器構(gòu)成負反饋回 路，以便能有效地濾除直流分量，從而使U1處的電壓始終箝位在1.25V。因為是單電源供電，而不同導聯(lián)的心電信號電壓有正有負，所以一定要提供一個合適 的箝位電壓。ADuC7020的AD轉(zhuǎn)換模式下電壓輸入范圍是0-2.5V，這里就選擇中間值1.25V作為箝位電壓。

　　AD8221輸出的單端信號幅值非常小，其中還混有大量干擾，無法進行數(shù)據(jù)處理。后級濾波放大電路由一個增益較大的有源低通組成，增益可調(diào)。不同人的心電信號強弱不一樣，考慮到有衰減，一般將該增益設(shè)為150倍。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

　　這兩個低通濾波器都要求具有低電壓偏移、低溫漂和低噪聲特性，ADI公司的軌到軌輸入輸出雙運放AD8607能夠很好地滿足這些要求。由于第二級放大器是反相端輸入，所以最后得到的信號是反相的，這可以在軟件中再作處理。

從保護病人和提高系統(tǒng)的共模抑制比兩方面考慮，必須將共模信號反相并放大后，再反饋給人體，這樣系統(tǒng)和人體就共同構(gòu)成了一個電壓并聯(lián)負反饋網(wǎng)絡(luò)，即通常所說的右腿驅(qū)動電路。由ADuC7020對處理后的心電信號進行AD轉(zhuǎn)換，選擇定時器控制的ADC采樣模式。一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，觸發(fā)ADC中斷，在中斷服務(wù)程序中對數(shù)字信號進行處理。

　　處理心電數(shù)字信號的是 對心電信號中QRS復波的精確識別。正常人的QRS波群的寬度為0.06至0.10秒，且不受心律變化的影響。針對R波很尖銳的特點，我們通過一個關(guān)鍵滑動時 間窗判斷信號峰、谷是否滿足要求，同時確認其是否在時間窗內(nèi)。對信號幅值的閾值采用雙可變閾值法，即對波形設(shè)置波峰閾值和波谷閾值。如果峰閾值和谷閾值在 一段適當時間內(nèi)有較大變化，則重新設(shè)置峰閾值和谷閾值。下面我們將對QRS復波定位和心律計算進行討論。對起始一段時間的信號只進行反相和濾波處理，這是 為了將倒置的心電信號恢復過來，并避免信號初期的波動影響閾值。然后在一定的時期內(nèi)，根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)設(shè)置峰閾值Thpeak 和谷閾值THtrough，然后對QRS波進行定位。最后，按以下步驟(見圖3)進行數(shù)據(jù)處理。

圖3：數(shù)據(jù)處理的基本步驟。

　　讀取新采樣點Ni：

　　1)判斷采樣的信號點幅值是否大于峰閾值Thpeak。如果不滿足，則回到第1)步。

　　2)如果滿足條件，則開始計數(shù)n＝1，并記錄n值為peaktime1。將時間窗的起始邊滑至此處。

　　3)繼續(xù)采樣Ni+1，每采樣一次則n＋1。

　　4)判斷新的采樣點Ni+1是否小于谷閾值。如果不滿足，則回到第4)步。

　　5)如果滿足采樣點小于谷閾值Thtrough，則記錄該點的n值為troughtime1。

　　6判斷這兩次滿足幅值要求的信號點時刻troughtime1和peaktime1之差是否在時間窗內(nèi)，即是否小于窗寬度THtime。如果不小于THtime，則回到第1)步。

　　7)如果滿足，則這段信號被認為是一個QRS波群。Peaktime1就被定位為一個R波。

　　有了定位的R波，就可以在此基礎(chǔ)上按以下步驟統(tǒng)計心率：

1)找到第一個R波，并記錄n值為peaktime1；

2)找到第二個R波，并記錄n值為peaktime2；

3)按照以下公式計算心律。

　　實踐證明，采用這種算法計算得到的心律準確率高、計算簡便、易于實現(xiàn)，并最終在PC機上觀察到心電信號波形和心律值。