心電數(shù)據(jù)床邊采集系統(tǒng)的開發(fā)研究

摘要：系統(tǒng)地介紹了心電數(shù)據(jù)床邊采集系統(tǒng)的開發(fā)研究，著重其中的若干關(guān)鍵技術(shù)：具有多路選擇功能的高性能前置放大電路，以51單片機(jī)為核心的軟、硬件結(jié)構(gòu)，具有12位分辨率的多通道A/D采樣，實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)壓縮算法等。
關(guān)鍵詞：放大器 多路選擇 單片機(jī) ECG信號(hào)壓縮

心電診斷較大程度地依賴于對(duì)心電數(shù)據(jù)的處理分析。傳統(tǒng)的12導(dǎo)聯(lián)心電放大系統(tǒng)中，體表心電信號(hào)由導(dǎo)聯(lián)緩沖電路輸入后由12路放大電路分別進(jìn)行放大，最后接入微機(jī)系統(tǒng)的12位A/D采樣板上。由于每一導(dǎo)聯(lián)的心電放大電路的通道結(jié)構(gòu)和組成元件完全相同，不同的只是輸入信號(hào)。因此這些結(jié)構(gòu)重復(fù)、功能相同的電路便利傳統(tǒng)的心電放大器體積龐大，再加上存放數(shù)據(jù)的微機(jī)系統(tǒng)，使得整個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置不容易攜帶，給那些行動(dòng)有障礙的病人帶來(lái)不便。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種便攜式的心電數(shù)據(jù)床邊采集裝置，借助于多路開關(guān)，只需一個(gè)放大器和16路A/D轉(zhuǎn)換，便可完成對(duì)多路信號(hào)的采集。擴(kuò)展的大容量存儲(chǔ)器，可以在病人床連把必需的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)。整個(gè)系統(tǒng)由一片80C32單片機(jī)控制，其可靠性高，使用方便，可滿足對(duì)采樣頻率的要求，方便客戶使用和維護(hù)。

該系統(tǒng)由兩大部分組成：（1）以模塊電路為主的放大電路；（2）以數(shù)字電路為主的采樣存儲(chǔ)電路。它在設(shè)計(jì)上存在兩個(gè)難點(diǎn)：1>16通道信號(hào)的采集時(shí)間不統(tǒng)一。16通道包括常規(guī)12導(dǎo)聯(lián)心電同步采集是目前較普遍的一種心電采集方法，它可以放大出多路的心電信號(hào)，能夠分析出相關(guān)信號(hào)間的細(xì)節(jié)；正交導(dǎo)聯(lián) 的信號(hào)可用于CMP（心室晚電位、心房晚電位[2]、希氏束電位）、VCG（心向量）信號(hào)的分析；整形波可用來(lái)進(jìn)行心率變異性的分析。分析信號(hào)類別不同，其采集時(shí)間也不同：12道常規(guī)導(dǎo)聯(lián)波形要求每導(dǎo)采集8個(gè)波形；3道正交導(dǎo)聯(lián)要求每導(dǎo)采集300個(gè)波形；整形波要求存儲(chǔ)540個(gè)R-R間期。因此要在軟件中對(duì)各段采集時(shí)間加以控制。2>數(shù)據(jù)量大。政黨成年人的心率在60~100次/分，取60次/分計(jì)算，上述三段波形采集的總數(shù)據(jù)量約為2M字節(jié)（以1kHz采樣頻率，12位分辨率）。因此需要適當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)壓縮，使數(shù)據(jù)量壓縮到1M字節(jié)，同時(shí)要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

1 放大系統(tǒng)

圖1所示放大系統(tǒng)主要由導(dǎo)聯(lián)部分、開關(guān)部分、放大部分和濾波部分構(gòu)成。從人體引出的微弱心電位號(hào)[1]通過(guò)導(dǎo)聯(lián)電路形成待放大的心電信號(hào)（如I、aVR、V1等）的組合，由多路開關(guān)對(duì)16路信號(hào)輪流切換，分別得到一對(duì)時(shí)分復(fù)用的信號(hào)，送至放大電路進(jìn)行差分放大。放大后的信號(hào)再由一個(gè)多路開關(guān)還原成16路信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻的開關(guān)信號(hào)即得到16路連續(xù)的放大信號(hào)。此時(shí)的信號(hào)連到單片機(jī)采樣部分進(jìn)行采樣，或者連到示波器上對(duì)波形進(jìn)行監(jiān)視。放大部分采用多路開關(guān)技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)分放大，只用一組放大器即可，大大減小了放大電路和整個(gè)系統(tǒng)的體積。

放大電路的一些設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

電路放大倍數(shù)1000、2000、3000可調(diào)，共模抑制比CMRR≥100dB,輸入電壓≥2MΩ，短路噪聲≤3uV，多路信號(hào)間有高隔離性[1]。

1.1 導(dǎo)聯(lián)部分

導(dǎo)聯(lián)部分主要由運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成，它具有高輸入阻抗、低溫漂、失調(diào)電壓調(diào)零電路，可以通過(guò)調(diào)節(jié)使放大電路的基線為零電位。圖2是心電信號(hào)導(dǎo)聯(lián)I的輸入電路，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器Rw,可以使得兩個(gè)導(dǎo)聯(lián)電路的輸入電阻平衡，提高放大電路的共模抑制比。

1.2 開關(guān)部分

開關(guān)部分選用兩片16選1的多路開關(guān)Max336，其導(dǎo)通電阻小，各通道間具有高隔離度，由4位地址信號(hào)選擇導(dǎo)通的輸入信號(hào)。前端開關(guān)由兩片Max336構(gòu)成，輪流切換輸入的心電信號(hào)，開關(guān)的切換頻率是24kHz。后端開關(guān)則將放大后的信號(hào)還原成16路信號(hào)，前后開關(guān)的地址信號(hào)一致，工作在同步方式下，保證同一時(shí)刻對(duì)某一路信號(hào)的放大與還原。

16路開關(guān)的地址信號(hào)由時(shí)鐘電路提供，NE555芯片構(gòu)成24kHz的振蕩器，然后通過(guò)16進(jìn)制的計(jì)數(shù)器74LS161循環(huán)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值連到Max336的地址輸入端。

1.3 放大部分

放大電路由AD620構(gòu)成，AD620內(nèi)部的核心是三運(yùn)放電路，有較高的共模抑制經(jīng)CMRR，溫度穩(wěn)定性好，放大頻帶寬，噪聲系數(shù)小。AD620只要外接一個(gè)電阻就可以設(shè)置1~3000范圍的增益，而且調(diào)節(jié)方便。放大電路如圖3所示。

1.4 濾波部分

后端開關(guān)還原后的信號(hào)是高頻且離散的，通過(guò)低通濾波器即可恢復(fù)成連續(xù)的放大信號(hào)，低通濾波器的截止頻率是1kHz。在HRV信號(hào)的輸出端再加上整形電路，對(duì)I導(dǎo)聯(lián)的信號(hào)進(jìn)行微分整形等處理，即可得到用于HRV采樣分析的信號(hào)。

2 采樣存儲(chǔ)
采樣存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其內(nèi)部電路包括四個(gè)主要的功能塊：12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，控制處理模塊（80C32），存儲(chǔ)模塊及微機(jī)的串行接口通訊模塊。

2.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊

選用2片Maxim的MAX197作為16路信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器。MAX197是8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器，采用12位分辨率可以進(jìn)行高頻心電圖[1]的分析研究。該元件使用單一±5V供電，內(nèi)部有4.096V的參考電壓，輸入范圍±10V，±5V，+10V可選，采樣速率可達(dá)100ksps，使用簡(jiǎn)單靈活。而且它有8+4的并行接口，方便與單片機(jī)相連。經(jīng)過(guò)放大并且濾波后的16路信號(hào)分別接到2片MAX197的16個(gè)輸入通道分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

2.2 控制處理模塊

控制處理系統(tǒng)的核心以Intel公司的單片機(jī)[3]80C32以及外接程序存儲(chǔ)器8K的EPROM組成。它可靠性好，功能強(qiáng)。片內(nèi)有256個(gè)字節(jié)的RAM，方便數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)及壓縮計(jì)算。在軟件中，利用2個(gè)16位的定時(shí)器，先進(jìn)行12道常規(guī)導(dǎo)聯(lián)的同步采樣。然后是3道正交導(dǎo)聯(lián)的同步采樣，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)540個(gè)RR期間的計(jì)算與存儲(chǔ)（下文中分別用A，B，C段采樣表示）。

2.3 存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)模塊由兩片AMD公司的512K字節(jié)的ELASH閃爍存儲(chǔ)器AM29F040組成，每片內(nèi)部都由8個(gè)64K字節(jié)的區(qū)段組成，任一區(qū)段可擦除或保護(hù)。兩片總?cè)萘繛?M字節(jié)，需20根地址線對(duì)其進(jìn)行尋址，采用單片機(jī)的I/O口進(jìn)行高位地址的擴(kuò)展。模塊之間電氣結(jié)構(gòu)獨(dú)立，通過(guò)譯碼器構(gòu)成片選。采用閃存，不但存儲(chǔ)容量大，而且可以降低功耗。

2.4 數(shù)據(jù)串行通訊

MAX233是+5V供電的RS232收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)用戶板與微機(jī)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)串行通訊。它無(wú)需外接電容，節(jié)省空間。其一端連接單片機(jī)的RXD、TXD，另一端通過(guò)9針連接器與微機(jī)串行口相接。把在病人床連采集的數(shù)據(jù)拿回分析室，與微機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊后，在微機(jī)上按照壓縮的格式進(jìn)行反壓縮形成原始數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)便是日后用來(lái)進(jìn)行分析診斷的基礎(chǔ)。

2.5 軟件編程

單片機(jī)的控制軟件[4]主要包括分時(shí)采樣、數(shù)據(jù)壓縮以及對(duì)閃爍存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)控制。其中，分時(shí)采樣放在前后，通過(guò)定時(shí)控制各段采集的時(shí)間長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)壓縮及存儲(chǔ)控制放在后臺(tái)，采用中斷完成。定時(shí)器0用于1kHz頻率定時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，定時(shí)器1用于控制分段采樣，由于定時(shí)間長(zhǎng)要配合軟件計(jì)數(shù)器CONT一起使用。流程圖見圖5。

關(guān)于ECG心電數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)壓縮，我們采用的是一種算法簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度較快的“偽壓縮算法”?？紤]到心電信號(hào)頻率較低，相鄰兩點(diǎn)之間的差值不大，我們只存儲(chǔ)兩點(diǎn)間的幅度差，就可以很方便地減少存儲(chǔ)器的開銷。假設(shè)采集的數(shù)字信號(hào)序列為an(n=0～∞)，對(duì)其進(jìn)行一次差分處理：

bo=a0;ba=an-an-1(n=1～∞)

存入存儲(chǔ)芯片的是序列bn,它的值用一個(gè)字節(jié)就可以表示，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)壓縮。在數(shù)據(jù)與微機(jī)通訊后，通過(guò)“反壓縮”，便可恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)主要完成的是對(duì)多路心電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)多路開關(guān)及高容量的內(nèi)存，簡(jiǎn)化了放大電路的重復(fù)部件，大大縮小了體積（放大板25cmX15cm，采樣存儲(chǔ)板15cmX8cm），從而實(shí)現(xiàn)了床邊數(shù)據(jù)采集的功能。所采集數(shù)據(jù)的格式（指恢復(fù)后的原始數(shù)據(jù)）均為1kHz采樣頻率，12位分辨率，它與本實(shí)驗(yàn)室自行開發(fā)的心電工作站（用于心電波形分析診斷的軟件）能配套使用。