基于MSP430單片機(jī)的十二導(dǎo)聯(lián)同步心電圖機(jī)的設(shè)計(jì)
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心電信號(hào)前置放大電路
電極獲取的心電信號(hào)是十分微弱的體表電信號(hào)且在心電信號(hào)檢測(cè)的過(guò)程中常伴有強(qiáng)干擾，因此必須經(jīng)特定處理后才能用于臨床診斷。本設(shè)計(jì)采用TI公司的精密儀表放大器INA326，設(shè)計(jì)了八通道心電信號(hào)采集電路，同時(shí)提取I、II及V1～V6八導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)，其它四導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)則在經(jīng)ADC變換后在數(shù)字處理部分根據(jù)需要利用I導(dǎo)和II導(dǎo)組合實(shí)現(xiàn)。心電信號(hào)前置放大電路如圖2所示。前級(jí)共模信號(hào)由被測(cè)者的左、右手以及左腿獲取，該電路在前級(jí)增加了一級(jí)共模信號(hào)驅(qū)動(dòng)，用來(lái)降低共模信號(hào)的輸出阻抗和提高共模信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，確保在多導(dǎo)聯(lián)情況下共模信號(hào)電平的穩(wěn)定。后級(jí)采用儀器放大器INA326獲得8路心電信號(hào)，INA326可以消除共模至雙端輸入的AC線路噪聲并放大輸入端所殘余的非直流信號(hào)，經(jīng)高倍放大后心電信號(hào)被送至ADC采樣電路。Ro、Co為輸出濾波器，可以濾除電路輸出的噪聲，同時(shí)可以作為ADC電路的輸入濾波器。INA326用獨(dú)特的內(nèi)部技術(shù)實(shí)現(xiàn)極好的共模抑制比。為了實(shí)現(xiàn)更好的高頻CMR，在2和3腳之間加了一個(gè)小電容，同時(shí)在儀器放大器的反相輸入端串接了與正相輸入端阻值相同的電阻，以減小INA326輸入偏置電流對(duì)輸出信號(hào)的影響。
圖3 右腿驅(qū)動(dòng)電路
ADC恢復(fù)放大電路
由于電極電勢(shì)很高，實(shí)際可達(dá)500mV，因此通過(guò)交流耦合消除電極電勢(shì)的影響就至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)反饋配置中的ADC恢復(fù)放大器可以消除直流偏置。當(dāng)INA326的輸出電壓增大以后，反饋積分器將施加一個(gè)等量的負(fù)相電壓至INA326基準(zhǔn)端，通過(guò)此類線性化求和，可實(shí)現(xiàn)電極偏置的消除。直流恢復(fù)器的作用是將原本的直流耦合放大器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣黢詈戏糯笃?，隨著直流固有模式電壓的消除，輸出級(jí)可以放大交流心電圖信號(hào)而不會(huì)產(chǎn)生過(guò)飽和。
右腿驅(qū)動(dòng)電路
50Hz工頻干擾是心電測(cè)量中最重要的干擾，僅靠前置放大器的高共模抑制比還不足以完全抑制，良好的右腿驅(qū)動(dòng)電路可以提高電路的抗工頻干擾能力，并與人體和放大電路共同形成閉合回路，保證心電放大電路的正常工作。
由于源自人體的不同端點(diǎn)，左臂與右臂的心電圖信號(hào)處于不同的電平，且須被INA326放大，為了更好地抑制50Hz的噪聲，通過(guò)INA326所得到的人體共模電壓被用于反相共模信號(hào)，并與2.5V基準(zhǔn)電壓比較后通過(guò)運(yùn)算放大器OPA2335驅(qū)送至人體的右腿，僅需少量的小型放大器即可實(shí)現(xiàn)有效的共模態(tài)抑制改善。該方法不僅可以抑制50Hz工頻干擾還可根據(jù)心電信號(hào)適當(dāng)調(diào)整人體電平，便于ADC采樣。右腿驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，其中COM端為前級(jí)運(yùn)放INA326的共模輸出信號(hào)，同時(shí)在前級(jí)還增加了一級(jí)電壓跟隨器用于隔離。
陷波電路
雖然前置放大電路對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，但部分工頻干擾是以差模信號(hào)方式進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號(hào)的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前級(jí)電路輸出的心電信號(hào)仍存在較強(qiáng)的工頻干擾，因此通常要進(jìn)行陷波。本設(shè)計(jì)利用美國(guó)凌力爾特有限公司的LTC1068-50集成開關(guān)電容濾波器設(shè)計(jì)了一個(gè)8階巴特沃斯50Hz陷波器，經(jīng)測(cè)試陷波深度可達(dá)50dB，可衰減100倍左右，效果比較理想。
心電數(shù)據(jù)采集電路
TI公司的ADS1258元件采用了低噪聲的delta-sigma ADC架構(gòu)，可有序地循環(huán)16個(gè)通道，單周期（零延遲）高速轉(zhuǎn)換速率可編程，速率1.8K~23.7KSPS每通道，不會(huì)產(chǎn)生性能衰退。附帶的內(nèi)置系統(tǒng)監(jiān)測(cè)寄存器提供了電源電壓、溫度、基準(zhǔn)電壓、增益、以及偏置的測(cè)量，已被廣泛用于諸如患者監(jiān)測(cè)及心電圖系統(tǒng)等高精度、多通道應(yīng)用，簡(jiǎn)化的數(shù)據(jù)采集模塊的原理圖如圖4所示。注意要在ADS1258的模擬信號(hào)輸入端跨接一個(gè)2.2nF的電容來(lái)旁路ADC采樣電流。對(duì)±1V的輸入信號(hào)，可以不用分壓電阻橋，直接在其輸入端串接一個(gè)保護(hù)電阻即可。外部運(yùn)放OPA365將單端輸出轉(zhuǎn)變?yōu)槿罘州敵鲇脕?lái)驅(qū)動(dòng)ADC，另外還要對(duì)2.5V的參考電壓進(jìn)行濾波及通過(guò)運(yùn)放OPA350緩沖來(lái)提供低噪聲參考電壓。
數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)顯示
單片機(jī)通過(guò)P1接口讀取ADS1258采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行特定處理后將數(shù)據(jù)依次存放在外部存儲(chǔ)器中。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用ATMEL公司的AT29LV1024，它具有1M位的存儲(chǔ)空間且具有掉電保護(hù)功能，可以在意外掉電或關(guān)閉電源的情況下保存數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)通過(guò)液晶顯示器顯示實(shí)時(shí)采集的心電波形及分析結(jié)果。另外系統(tǒng)采用MAX3232擴(kuò)展串口，并最終將心電數(shù)據(jù)傳送至醫(yī)院或疾病控制中心，便于醫(yī)院隨時(shí)了解病人的狀況。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
心電圖機(jī)的主控模塊和功能模塊按照系統(tǒng)功能框圖設(shè)計(jì)、執(zhí)行，微型十二導(dǎo)心電圖機(jī)的系統(tǒng)軟件功能框圖如圖5所示。
圖4 數(shù)據(jù)采集模塊原理圖
評(píng)論