基于Internet網(wǎng)絡(luò)的12導(dǎo)聯(lián)便攜心電儀系統(tǒng)研究

引言

人體心電信號(hào)是非常微弱的生理低頻電信號(hào)，通常最大的幅值不超過4mv，信號(hào)頻率在0.05~200hz之間。心電信號(hào)的提取是通過安裝在人體皮膚表面的電極來拾取的。由于電極和皮膚組織之間會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，會(huì)對(duì)心電信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。加之人體是一個(gè)復(fù)雜的生命系統(tǒng)，存在各種各樣的其他生理電信號(hào)對(duì)心電信號(hào)產(chǎn)生干擾。同時(shí)由于我們處在一個(gè)電磁包圍的環(huán)境中，人體就像一根會(huì)移動(dòng)的天線從而對(duì)心電信號(hào)產(chǎn)生50hz左右的干擾信號(hào)。由于存在種種干擾，必須做好前端數(shù)據(jù)采集的硬件軟件設(shè)計(jì)才能保證傳送到醫(yī)療中心的心電數(shù)據(jù)的可靠性。

便攜心電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集 圖1中，l、r、f分別是左手、右手、左腿驅(qū)動(dòng)電極，v1、v3、v5是3個(gè)胸電極，rf是右腿驅(qū)動(dòng)電極。

前端輸入緩沖設(shè)計(jì)

由于信號(hào)本身存在較大的阻抗，為了能更好的驅(qū)動(dòng)威爾遜網(wǎng)絡(luò)必須設(shè)計(jì)輸入緩沖。另一方面心電信號(hào)幅值在0～4mv之間。所以在緩沖運(yùn)放的選擇時(shí)必須要保證失調(diào)電壓vos不超過125 v。一路緩沖硬件設(shè)計(jì)如圖2。
輸入緩沖器的結(jié)構(gòu)為電壓跟隨器，其作用是使人體與威爾遜網(wǎng)絡(luò)高度隔離，圖2所示為6路跟隨器之一。一方面，極高的輸入阻抗，克服了電極與皮膚接觸電阻引起的信號(hào)衰減；另一方面，極低的輸出阻抗，確保有效地驅(qū)動(dòng)威爾遜網(wǎng)絡(luò)工作。d1、d2組成雙向限幅電路，對(duì)來自人體的高壓干擾實(shí)施限幅，防止因過度激勵(lì)造成運(yùn)放逆轉(zhuǎn)而失效。

原理如圖3所示。圖中虛線框中的電阻構(gòu)成威爾遜網(wǎng)絡(luò)，r39、r40、r41的公共連接端為威爾遜中心。d5、d6、d7為多路電子開關(guān)，在導(dǎo)聯(lián)切換信號(hào)的控制下，從威爾遜網(wǎng)絡(luò)的有關(guān)節(jié)點(diǎn)取出3路導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。各電極在人體上的位置和接觸狀態(tài)存在差異，導(dǎo)聯(lián)線的參數(shù)和威爾遜網(wǎng)絡(luò)的元件值也存在離散性，故威爾遜網(wǎng)絡(luò)的非中心節(jié)點(diǎn)上的干擾信號(hào)必然有幅度甚至相位差。這種差異將以差模方式傳輸?shù)胶罄m(xù)放大器被放大。而且，相對(duì)于心電有用信號(hào)而言，已不能忽視。為此威爾遜網(wǎng)絡(luò)的干擾信號(hào)經(jīng)d9反相放大后送右腿驅(qū)動(dòng)，對(duì)于干擾信號(hào)而言這是一種深度反饋，極大的抑制了人體感應(yīng)的共模干擾。提高了前端信號(hào)采集的精度。

由于心電信號(hào)十分微弱，噪聲背景強(qiáng)且信號(hào)源阻抗很大，一般典型值在500k ，加之測(cè)量電極引入的極化電壓差較心電信號(hào)大幾百倍達(dá)300mv左右。因此必須設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)良的前端放大器，濾波和限波電路。前端放大器要采用高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲，低溫漂，非線性度小，合適的帶寬和動(dòng)態(tài)范圍。因此在本電路中采用ad620儀表放大器為主的電路(如圖2)。ad620 輸入偏置60 v，溫漂0.6 v，峰值噪聲特性0.28 v，高達(dá)120db的共模抑制比，輸入阻抗1012 ，非常適合做前端放大器。前端放大器設(shè)計(jì)如圖4。

數(shù)字濾波設(shè)計(jì)

在心電信號(hào)采集過程中，常常受到工頻干擾（50hz）、肌電干擾（35hz）、基線漂移等各種干擾信號(hào)。為了讓心電儀的采集部分便于攜帶和降低功耗我們沒有采用硬件限波電路，而是利用dsp在信號(hào)處理方面的優(yōu)勢(shì)采用了軟件濾波。在本系統(tǒng)中，我們采用了一種簡(jiǎn)單整系數(shù)限波器 ，對(duì)工頻干擾及基線漂移進(jìn)行濾除。濾波器用到了減法技術(shù)即用一個(gè)全通網(wǎng)絡(luò)減去一個(gè)具有相同傳輸延遲和增益的窄帶帶通濾波器的輸出，得到一個(gè)具有尖銳限波特性的限波器(notch)，其原理如圖5所示。

h(z)=h1(z) h2(z)其中 ，h1=y1(z)/x1(z)=z m，h2=y2（z）/x2（z）

要使限波器（notch）具有帶寬約1hz左右的特性，必須使窄帶帶通濾波器具有很大的零點(diǎn)數(shù)目。在1000 hz采樣頻率下，以每赫茲寬度間隔設(shè)計(jì)零點(diǎn)，就有1000個(gè)零點(diǎn)均勻分布在z平面的單位圓上，每兩個(gè)零點(diǎn)間隔設(shè)計(jì)為 /500 rad。按照設(shè)計(jì)原則在角頻率 t=0， /10，2 /10…18 /l0，19 /10處設(shè)置極點(diǎn)，與該處的零點(diǎn)相抵消，形成了只有單頻率成分通過的窄帶帶通濾波器。

其中0 hz處的零極點(diǎn)抵消，用以消除0．5 hz以下的基線漂移；50 hz、100 hz、150 hz等處的零極點(diǎn)抵消，用以消除50 hz工頻及其諧波干擾。于是得到窄帶帶通濾波器的傳遞函數(shù)為：h^{1}_{2}(z)=frac{1 z^{ 100}}{1 z^{ 20}}。

同時(shí)為了防止該式在的幅頻響應(yīng)在50hz處有180 的相移，我們必須采用修正因子 1+z^{ 500}來修正。其結(jié)果如下：

采用高度集成的433mhz單片無線收發(fā)器nrf401。它具有功耗低(有待機(jī)模式)，體積小，外圍器件少與dsp連接方便的特性，使用pcb環(huán)形天線，最大發(fā)送功率可達(dá)+10dbm發(fā)射距離在1000米左右滿足社區(qū)范圍內(nèi)使用。外部硬件設(shè)計(jì)如圖7。

目前adsl上網(wǎng)在家庭中已經(jīng)普及而且使用的模式基本上都具有路由功能，這就為心電系統(tǒng)的客戶端internet接入提供了有利平臺(tái)。心電系統(tǒng)客戶端的adsl端接收設(shè)備與便攜數(shù)據(jù)采集儀使用相同的無線單片收發(fā)射頻芯片接收數(shù)據(jù)，因此在客戶端我們僅需要設(shè)計(jì)基于dsp的以太網(wǎng)接入技術(shù)即可。其internet接入方案如圖9。