便攜式家庭心電檢測診斷儀的研制

1、引言

隨著(zhù)人民生活水平的提高以及社會(huì )老齡化程度的加深，心腦血管疾病的發(fā)病率呈上升趨勢，已成為威脅人類(lèi)身體健康的殺手之一。因為心臟病的發(fā)作具有突發(fā)性和隨機性，為患者提供普及性心電圖機以成為發(fā)展的必然趨勢。隨著(zhù)電子科技的不斷發(fā)展，生命科學(xué)和信息科學(xué)的結合越來(lái)越緊密，許多研究人員都投身于人類(lèi)的健康事業(yè)發(fā)展中。Holter的出現，使心電圖機進(jìn)入家庭變成了可能，但基于心電工作站的模式，使個(gè)別地區的患者因醫院分析診斷系統的不健全，而變得不適用[1]；基于嵌入式及DSP的心電監護儀功能強大，但又因芯片價(jià)格的高昂而有悖于我國基本國情，不利于家庭的普及[2]。因此，一種性能優(yōu)良，帶有自動(dòng)檢測診斷功能，而又符合我國人均收入水平不高這一國情的心電圖機的研制顯得尤其重要?；谶@一目的，我們已經(jīng)研制了基于80C196KB單片機的家庭便攜式心電監測診斷機，該機器可以對病人進(jìn)行心電信號的實(shí)時(shí)采集和分析，并通過(guò)液晶實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，檢測診斷使得機器更容易在一般家庭中普及；對于有經(jīng)驗的患者，機器還可以在凍結波形后，對波形實(shí)際測量，可以準確地了解心電波形異常的嚴重程度，從而為患者提供了更多有用的信息。

2、心電檢測診斷儀的系統設計

眾所周知，心電信號是一種非常弱且頻率較低的信號[3]，一般幅值在0.05～4mV，頻率在0.05～100Hz。在檢測過(guò)程中，電極與人體間的極化電壓、50Hz工頻干擾、儀器內部噪聲和環(huán)境電磁場(chǎng)的干擾對心電信號造成很大的干擾，給信號的完整、不失真的采集帶來(lái)了很大的困難。為此，我們在進(jìn)行模擬電路設計的時(shí)候，充分考慮到干擾問(wèn)題，采用了功耗低、精度高、電源抑制比很高的放大器，從信號的采集和傳輸、濾波處理過(guò)程中，盡可能避免外界干擾和電源干擾。由于我們所設計的心電圖機適用于家庭使用，心電波形則利用LCD直接顯示，其中還包括心率，時(shí)間等相應參數，并在異常波形處自動(dòng)報警，凍結波形，如果需要，還可以回放從這一時(shí)刻起前80s內的波形，以方便使用者自己進(jìn)行波形的測量和記錄。

2.1 系統硬件電路

出于電路功耗和成本考慮，系統采用單電源+5V供電，整個(gè)系統的原理框圖如圖1所示。

2.1.1 模擬部分電路

由于只有單電源供電，模擬部分取2.5V為虛地。信號通過(guò)前置放大、高通及低通濾波、50Hz濾波，主放大、右腿驅動(dòng)以及QRS波檢出器。電路中的放大器均采用AD公司生產(chǎn)的芯片，以保證機器的穩定性和高性能。在前置放大電路中，采用了儀表放大器AD627A，除了在功耗方面表現突出，在性能方面也滿(mǎn)足了監測的需要，同時(shí)為信號提供了20倍的放大。在濾波電路中，采用運算放大器OP491構成截至頻率為0.05Hz的一階高通濾波器和截至頻率為100Hz二階低通濾波器。50Hz工頻濾波沒(méi)有采用傳統典型的對稱(chēng)性雙T阻容有源陷波器，而是采用了一種新型有源陷波器設計[4]。該濾波器利用兩個(gè)電位器可分別調整中心頻率和品質(zhì)因數，同時(shí)降低了對元器件的要求，且能達到高精度的陷波效果，極大地方便了我們對電路的調試。該原理圖如圖２所示。QRS波檢出器包括帶通濾波器、全波整波電路、峰值檢測器和比較器構成[5]。第一級是一個(gè)中心頻率為17Hz，Q值為5，增益為8的二階帶通濾波器，以提升QRS波的基波與二次諧波，抑制T波、P波、肌電、工頻及基線(xiàn)波動(dòng)；第二級全波整流電路將濾波后的雙向波形整流為負向波形，消除極性對檢測的影響；第三級為峰值檢測器，利用R7、R8的分壓，取QRS波峰值的約65%作為閾值。第四級為比較器，當正相輸入端的電壓高于負相輸入端時(shí)，則產(chǎn)生一個(gè)+5V的脈沖，供后續電路使用。該原理圖如圖３所示。

2.1.2 數字部分電路

數字電路部分基于80C196KB單片機為核心進(jìn)行設計的。心電信號采集到后，通過(guò)前面介紹的模擬電路部分進(jìn)行預處理，然后（預處理過(guò)的信號）經(jīng)過(guò)80C196KB的ACH4口（A/D轉換口）輸入完成A/D轉換，實(shí)現波形顯示和分析。其中數據采樣率為200Hz，ACH5、ACH6和ACH7模擬輸入口作為數字口使用，完成鍵盤(pán)接口電路設計，實(shí)現心率的上、下限設定、心電波形的凍結、光標移動(dòng)、報警系統的開(kāi)關(guān)功能設定等。高速輸入口HSI0作為R波檢出脈沖的輸入，完成心率計數、異常心電信號分析、診斷等功能，并最終通過(guò)液晶顯示出來(lái)，再通過(guò)鍵盤(pán)實(shí)現人機對話(huà)，其中該液晶分辨率為320×240，由SED1335控制芯片進(jìn)行控制。

2.2 系統軟件設計

系統軟件設計是監護系統的重要組成部分之一，再好的硬件電路如果沒(méi)有良好的軟件支持，就如同沒(méi)有血肉的軀體，因此監護軟件的質(zhì)量直接影響著(zhù)監護儀的性能指標。本系統的監護軟件設計全部采用匯編語(yǔ)言編程實(shí)現。本系統監護軟件包括主程序、系統初始化子程序、液晶清屏子程序、寫(xiě)菜單子程序、報警子程序、軟件定時(shí)器中斷服務(wù)程序、A/D轉換子程序、HSI0中斷服務(wù)程序（分析、診斷子程序）、液晶列清屏子程序、液晶列顯示子程序、內部RAM清除子程序外部中斷服務(wù)程序（鍵盤(pán)掃描子程序）、寫(xiě)字段、移光標子程序等12部分組成。整個(gè)系統程序按照由頂向下、層層細化的模塊化設計技術(shù)。整個(gè)系統軟件采用了三個(gè)中斷，優(yōu)先級最高的是HSI0中斷（心電分析、診斷子程序），主要負責心率計算，異常波形分析、報警；優(yōu)先級最低的是外部中斷子程序，它完成鍵盤(pán)掃描、上下限心率們先設定等功能。其它的子程序主要是供主程序和這三個(gè)中斷程序調用，服務(wù)于它們，中斷程序和這些子程序相互協(xié)調，各司其職，共同完成本系統的軟件監護功能。下面將針對本系統的監護軟件的主要部分做一個(gè)介紹。

2.2.1 監護系統主程序

監護系統主程序是整個(gè)系統軟件的精髓，它的設計好壞直接影響著(zhù)整個(gè)子系統程序的工作效率和工作性能，它包括對一些專(zhuān)用寄存器賦初值。例如堆棧的設定、I/O控制寄存器、A/D命令寄存器、中斷屏蔽寄存器、中斷掛號寄存器的預置和初始化。由于整個(gè)系統軟件是采用中斷方式進(jìn)行設計的，所以主程序顯得清楚明了，主程序框圖如圖4所示。

2.2.2 軟件定時(shí)器服務(wù)中斷子程序

軟件定時(shí)器中斷子程序主要完成心電波形的顯示和滾動(dòng)。它包括預置完成本次顯示所需要的時(shí)間值設定（時(shí)間值的設定與A/D轉換得采樣率有關(guān)，本系統的采樣率為200Hz）、調用A/D轉換子程序、列清除子程序、列顯示子程序、延時(shí)子程序、報警子程序、移動(dòng)光標子程序等。其中A/D轉換子程序包括平滑數字濾波部分，主要用于進(jìn)一步濾除毛刺，提高了機器的性能。

2.2.3 軟件定時(shí)器服務(wù)中斷子程序

軟件定時(shí)器中斷子程序主要完成心電波形的顯示和滾動(dòng)。它包括預置完成本次顯示所需要的時(shí)間值設定（時(shí)間值的設定與A/D轉換得采樣率有關(guān)，本系統的采樣率為200Hz）、調用A/D轉換子程序、列清除子程序、列顯示子程序、延時(shí)子程序、報警子程序、移動(dòng)光標子程序等。其中A/D轉換子程序包括平滑數字濾波部分。

2.2.4 軟件定時(shí)器服務(wù)中斷子程序

軟件定時(shí)器中斷子程序主要完成心電波形的顯示和滾動(dòng)。它包括預置完成本次顯示所需要的時(shí)間值設定（時(shí)間值的設定與A/D轉換的采樣率有關(guān)，本系統的采樣率為200Hz）、調用A/D轉換子程序、列清除子程序、列顯示子程序、延時(shí)子程序、報警子程序、移動(dòng)光標子程序等。其中A/D轉換子程序包括平滑數字濾波部分。

2.2.5 HSI0中斷服務(wù)程序

HSI0中斷服務(wù)程序主要是完成心率、顯示、異常心電分析與診斷?，F把這種方法介紹如下：軟件定時(shí)器每次完成一個(gè)心電波形點(diǎn)顯示時(shí)（液晶點(diǎn)數值）。利用軟件將其計數一次。當高速輸入口HSI0出現一個(gè)R波脈沖時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生一次中斷。兩次中斷之間21H寄存器的值之差即為一個(gè)R波脈沖周期液晶屏顯示出的點(diǎn)數，而液晶顯示點(diǎn)數的速度即掃描速度是固定的，當選用25mm/s，將其換算成每秒鐘所顯示的點(diǎn)數，本監護軟件的心率值采用8個(gè)瞬時(shí)心率值進(jìn)行平均，并且每來(lái)一個(gè)瞬時(shí)心率值，平均計算一次，從而計算出心率值比較可靠、穩定，誤差約小于±1。

2.2.6 報警系統

報警系統子程序為系統提供心電波形發(fā)生異常，心動(dòng)過(guò)速（心率超過(guò)設置的上限值）或過(guò)緩（心率低于設置的下限值）、停搏、早搏、漏搏時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行聲音報警，以便患者及時(shí)了解正在監護的病人的病情狀況，有助于醫務(wù)人員的進(jìn)一步治療。

3、小結

本儀器已經(jīng)通過(guò)測試，功能強大而實(shí)用，能很穩定的長(cháng)時(shí)間工作，體積小，能隨身攜帶，成本低廉，適合于有心臟病患者的家庭，對我國目前的健康事業(yè)有推動(dòng)作用。

參考文獻

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[4] 姜宗義，龔衛寧，儲得寶，等。一種新型有源濾波器設計。中國生物醫學(xué)工程學(xué)報，1997,16（4）：323.

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[6] Webster JG. An intelligent monitor for ambulatory ECG’s. Biomed Sci Intrum,1978,14:55.

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