基于MSP430的十二導(dǎo)聯(lián)同步心電圖機(jī)的設(shè)計(jì)

MSP430系列單片機(jī)在醫(yī)療設(shè)備行業(yè)應(yīng)用很廣泛,以其低功耗，外圍設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)得到了設(shè)計(jì)者的喜歡。而心電圖或 CT的復(fù)雜的醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用的很多。心電圖機(jī)是診斷心臟病的重要儀器之一，能夠?yàn)獒t(yī)生提供最直觀的心電波形。歐美國(guó)家已經(jīng)普遍使用十二導(dǎo)心電圖機(jī)。十二導(dǎo)聯(lián)心電圖同步記錄能客觀表達(dá)各波、段和間期，可以對(duì)早博、心動(dòng)過(guò)速、預(yù)激綜合征、束支阻滯及分支阻滯等進(jìn)行定位診斷與鑒別診斷；將心電數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，可以進(jìn)行各種電參數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，為臨床醫(yī)療和科研工作帶來(lái)了極大便利。根據(jù)目前的微電子、單片機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)成功研制出一種便攜式心電圖機(jī)，它可通過(guò)液晶顯示器顯示心電圖，同時(shí)將數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上顯示并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息遠(yuǎn)傳，是一種新穎的臨床和家庭兼用的心電圖機(jī)。

標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)簡(jiǎn)介

人體是一個(gè)導(dǎo)體，心臟壁收縮引起的動(dòng)作電勢(shì)使電流由心臟傳播至整個(gè)人體，所傳播的電流在人體的不同部位產(chǎn)生不同的電勢(shì)，可以通過(guò)電極在皮膚表層感應(yīng)得出。為了完整地記錄心臟的電活動(dòng)狀況，常用水平和垂直方向的十二種不同導(dǎo)聯(lián)作記錄，稱為標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF、V1、V2、 V3、V4、V5、V6導(dǎo)聯(lián)。測(cè)量時(shí)須在人體上安放10個(gè)電極，分別為：右手電極VR、左手電極VL、右腿電極RL、左腿電極VF、胸部6個(gè)電極 C1~C6。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，由這些電極可以合成標(biāo)準(zhǔn)12導(dǎo)聯(lián)心電圖，合成方式如下：

(1) 標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)：

導(dǎo)聯(lián)I=VL－VR；

導(dǎo)聯(lián)II=VF－VR；

導(dǎo)聯(lián)III=VF－VL；

(2) 加壓?jiǎn)螛O肢體導(dǎo)聯(lián)：

aVR=VR-(VL+VF)/2；

aVL=VL-(VR+VF) /2；

aVF=VF-(VL+VR)/2；

(3) 常用的胸導(dǎo)聯(lián)：

胸導(dǎo)Vi=Ci-(VR+VL+VF)/3，式中，VR、VL、VF和Ci(i=1~6)表示右臂、左臂、左腿和胸壁的電位。

系統(tǒng)總體方案

本十二導(dǎo)聯(lián)同步心電圖機(jī)采用德州儀器公司的MSP430系列的MSP430FG4616作為控制核心，可方便地實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集、處理、顯示以及傳輸。系統(tǒng)主要由五部分組成：前置放大電路部分用來(lái)放大各導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)；帶通濾波電路部分用來(lái)濾除心電信號(hào)頻率范圍以外的噪聲；陷波電路用于濾除50Hz工頻干擾和35Hz肌電干擾；生物電信號(hào)數(shù)據(jù)采集電路部分用來(lái)采集放大后的各導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)并將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)；右腿驅(qū)動(dòng)電路部分不僅可以抑制50Hz工頻干擾，還可根據(jù)檢測(cè)到的心電信號(hào)適當(dāng)調(diào)整人體電平，便于ADC采樣；數(shù)據(jù)處理顯示部分用來(lái)采用濾波算法處理采集的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示心電波形；網(wǎng)絡(luò)傳輸部分用來(lái)將采集的心電數(shù)據(jù)傳輸至醫(yī)院或疾病控制中心，便于隨時(shí)了解病人的狀況。系統(tǒng)功能在液晶顯示的菜單下通過(guò)按鍵選擇完成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

心電信號(hào)由專用電極獲取后送入前置放大器初步放大，在對(duì)各干擾信號(hào)進(jìn)行一定抑制后送入帶通濾波器以濾除心電頻率范圍以外的干擾信號(hào)，再經(jīng)50Hz和 35Hz陷波器濾除工頻和肌電干擾后送入主放大器，最后主放大器將濾波后的信號(hào)進(jìn)一步放大到合適范圍后送入A/D采樣電路以進(jìn)行高精度A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)接收到A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波及相關(guān)處理后在液晶屏上顯示。

圖2 心電信號(hào)前置放大電路

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)榻涣黢詈戏糯笃鳎S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(kāi)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

圖5 系統(tǒng)軟件功能框圖

心電信號(hào)的軟件數(shù)字濾波

由于心電信號(hào)會(huì)不可避免地混入50Hz工頻干擾，同時(shí)從人體獲得的心電信號(hào)還含有由皮膚阻抗、呼吸及放大器的溫度漂移等產(chǎn)生的基線漂移,而僅僅依靠硬件很難將其理想濾除，因此采用軟件數(shù)字濾波的方法。圖6顯示了用MATLAB對(duì)加噪心電信號(hào)利用FFT方法濾除50Hz工頻干擾的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)取自MIT/BIH心電數(shù)據(jù)庫(kù)中的一段波形。由于實(shí)驗(yàn)采用的是矩形窗模擬濾波，在恢復(fù)時(shí)域信號(hào)時(shí)會(huì)有振鈴效應(yīng)，因此在實(shí)際使用中可根據(jù)需要選用合適的窗函數(shù)。

從濾波與處理效果看，快速傅里葉變換可得到信號(hào)的全部頻譜，便于進(jìn)行針對(duì)性處理，且可選擇的窗函數(shù)多，對(duì)50Hz頻移有很好的濾除效果。而自適應(yīng)模板法與數(shù)學(xué)形態(tài)濾波法則分別適用于50Hz工頻干擾的去除與基線漂移及高頻噪聲干擾的去除。本系統(tǒng)將以上三種濾波方法結(jié)合起來(lái)使用，當(dāng)需要在液晶屏上顯示心電波形時(shí)采用自適應(yīng)模板法與數(shù)學(xué)形態(tài)濾波法，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)中時(shí)可以采用快速傅里葉變換法對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行精確處理。

心電圖機(jī)PC機(jī)端輔助軟件的開(kāi)發(fā)

本文設(shè)計(jì)的心電圖機(jī)配有基于Visual C++6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫的PC機(jī)軟件以擴(kuò)展系統(tǒng)功能。將心電圖機(jī)與PC機(jī)連接后，啟動(dòng)Windows心電數(shù)據(jù)采集程序即可在計(jì)算機(jī)屏幕上看到實(shí)時(shí)采集的心電波形，PC機(jī)心電信號(hào)顯示界面如圖7所示。

圖6 利用FFT方法濾除50Hz工頻干擾后的心電信號(hào)

圖7 PC機(jī)心電信號(hào)顯示界面

結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的心電圖機(jī)采用了TI公司的高性能單片機(jī)MSP430FG4616和16通道低噪聲Δ-Σ架構(gòu)的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能準(zhǔn)確獲取反應(yīng)心電特征及其變化規(guī)律的心電信號(hào)，并可通過(guò)單片機(jī)的控制在液晶屏上以圖形方式顯示和存儲(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)家庭醫(yī)療遠(yuǎn)程診斷進(jìn)行了前瞻性的研究。與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，本系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。