基于A(yíng)RM核的單電源心電檢測模塊的實(shí)現

　　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。放大倍數設為8倍，由公式G=49.4kΩ/RG+1計算得到，其中RG是AD8221兩個(gè)RG管腳之間的電阻值。

　 　這個(gè)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(méi)有接地，而是和一個(gè)低通濾波器構成負反饋回 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(gè)合適 的箝位電壓。ADuC7020的AD轉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(wú)法進(jìn)行數據處理。后級濾波放大電路由一個(gè)增益較大的有源低通組成，增益可調。不同人的心電信號強弱不一樣，考慮到有衰減，一般將該增益設為150倍。系統的傳遞函數為：

　　這兩個(gè)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(mǎn)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，這樣系統和人體就共同構成了一個(gè)電壓并聯(lián)負反饋網(wǎng)絡(luò )，即通常所說(shuō)的右腿驅動(dòng)電路。由ADuC7020對處理后的心電信號進(jìn)行AD轉換，選擇定時(shí)器控制的ADC采樣模式。一次A/D轉換結束，觸發(fā)ADC中斷，在中斷服務(wù)程序中對數字信號進(jìn)行處理。

　　處理心電數字信號的是 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(diǎn)，我們通過(guò)一個(gè)關(guān)鍵滑動(dòng)時(shí) 間窗判斷信號峰、谷是否滿(mǎn)足要求，同時(shí)確認其是否在時(shí)間窗內。對信號幅值的閾值采用雙可變閾值法，即對波形設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(shí)間內有較大變化，則重新設置峰閾值和谷閾值。下面我們將對QRS復波定位和心律計算進(jìn)行討論。對起始一段時(shí)間的信號只進(jìn)行反相和濾波處理，這是 為了將倒置的心電信號恢復過(guò)來(lái)，并避免信號初期的波動(dòng)影響閾值。然后在一定的時(shí)期內，根據采樣得到的數據設置峰閾值Thpeak 和谷閾值THtrough，然后對QRS波進(jìn)行定位。最后，按以下步驟(見(jiàn)圖3)進(jìn)行數據處理。

圖3：數據處理的基本步驟。

　　讀取新采樣點(diǎn)Ni：

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

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

　　3)繼續采樣Ni+1，每采樣一次則n＋1。

　　4)判斷新的采樣點(diǎn)Ni+1是否小于谷閾值。如果不滿(mǎn)足，則回到第4)步。

　　5)如果滿(mǎn)足采樣點(diǎn)小于谷閾值Thtrough，則記錄該點(diǎn)的n值為troughtime1。

　　6判斷這兩次滿(mǎn)足幅值要求的信號點(diǎn)時(shí)刻troughtime1和peaktime1之差是否在時(shí)間窗內，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(mǎn)足，則這段信號被認為是一個(gè)QRS波群。Peaktime1就被定位為一個(gè)R波。

　　有了定位的R波，就可以在此基礎上按以下步驟統計心率：

1)找到第一個(gè)R波，并記錄n值為peaktime1；

2)找到第二個(gè)R波，并記錄n值為peaktime2；

3)按照以下公式計算心律。

　　實(shí)踐證明，采用這種算法計算得到的心律準確率高、計算簡(jiǎn)便、易于實(shí)現，并最終在PC機上觀(guān)察到心電信號波形和心律值。