專(zhuān)為健康監控設計的家用holter監護儀方案實(shí)現

1 前言

前年，當我購買(mǎi)自己的第一臺筆記本電腦時(shí)，也算是煞費苦心，終于選中了一款自己覺(jué)得還可以，而且比較主流的機器?？墒且荒旰螽斘以俅翁と腚娔X商城時(shí)，忽然發(fā)現通過(guò)一年來(lái)對筆記本電腦的使用，我非但沒(méi)有更加熟悉筆記本，反而變得更生疏了?？犷５奶幚砥饕呀?jīng)不再是宣傳的賣(mài)點(diǎn)，DDRII的內存也很少出現，主頻高出了我的預想……所有我了解的性能參數都仿佛來(lái)到了另一個(gè)時(shí)代。我不得不感嘆自己真的OUT了。記得大學(xué)第一節C語(yǔ)言課上老師說(shuō)：“內存——我們心中永遠的痛!”覺(jué)得很是有道理。然而，當我年前再次把目光投向電腦市場(chǎng)時(shí)，卻發(fā)現情況似乎有了很大的改觀(guān)。內存好像已經(jīng)不再是很大的瓶頸。受摩爾率指導的電子產(chǎn)品的更新速度簡(jiǎn)直到了讓我無(wú)法理解的地步。我曾看到有人說(shuō)：與其說(shuō)是摩爾率在起作用，倒不如說(shuō)是科技進(jìn)步和市場(chǎng)需求在起作用。不過(guò)對我來(lái)說(shuō)，無(wú)論是什么在起作用，這個(gè)世界的節奏都已經(jīng)快到讓我很難靜下來(lái)思考的速度。

但是一旦靜下來(lái)思考，會(huì )想到什么呢?周?chē)械臇|西都在不停的發(fā)展。從綠皮火車(chē)到高鐵，從菜價(jià)到房?jì)r(jià)，從農村到城市……雖然周?chē)芏嗳硕荚诹R罵咧咧的抱怨，但很少有人會(huì )覺(jué)得現在的日子不如一前。也就是說(shuō)，無(wú)論生活、環(huán)境給了我們多大的壓力，我們還是在邁著(zhù)前進(jìn)的步子。然而前進(jìn)的路上，又有誰(shuí)和我們一道風(fēng)雨兼程呢?

人類(lèi)對于科技的應用雖然為自己開(kāi)辟一條難得的前進(jìn)之路，但同時(shí)也告知了我們的同伴應當何去何從。并不是所有的同伴都可以風(fēng)雨同舟，因為有同伴躲在陰暗的角落里，在伺機向人類(lèi)發(fā)起進(jìn)攻。當然，被我們經(jīng)常說(shuō)道的生老病死中的病，便是在等候著(zhù)專(zhuān)屬于它的時(shí)機。而人類(lèi)個(gè)體的生命大多也是在它的陪伴下，走向終點(diǎn)。

疾病的迅速發(fā)展，不僅緣于它驚人的繁衍速度，還在于人類(lèi)科學(xué)技術(shù)發(fā)展對其的指引。當我觀(guān)察人類(lèi)與疾病的抗爭時(shí)，想到的卻是，當我還是一個(gè)孩子的時(shí)候，當我想要做的是大人們所不愿接受的事情時(shí)，大人們幾乎總是窮盡辦法來(lái)阻止我的行動(dòng)，當然更多的是呵斥。但不管怎么說(shuō)，在大人們的指引之下，最終我還是在向一個(gè)對的方向前進(jìn)。人類(lèi)與疾病之間的斗爭，大人對小孩的指引，這兩者在某種程度上的相似，讓我萌生了一種想法：疾病是否就是那個(gè)在科技指引之下的孩子。

疾病的不斷發(fā)展，也從另一個(gè)角度不不斷督促著(zhù)人類(lèi)對自身的認知。這應該就是禍福相依的一種具體表現形式吧。正如人們由表及里，有外觀(guān)而內涵的認知規律一樣，疾病的發(fā)展抑或說(shuō)前進(jìn)方向也是如此?？萍嫉陌l(fā)展使得原來(lái)極其棘手的疾病失去了它原有的恐怖外衣，但隨之而來(lái)的卻是以前從沒(méi)有出現過(guò)的難題。但無(wú)論怎樣這些我們都不能回避，因為這里的每一次戰斗都是關(guān)乎生死的抗爭。

所有人，正如在戰火席卷的國度中的人民一樣，無(wú)論愿意與否，他總會(huì )卷入與疾病抗爭的之中。而我們在這場(chǎng)抗爭中能做些什么呢?是像平民一樣任人魚(yú)肉，還是像極端的武裝分子一樣盲目抵抗。當然這并不是一個(gè)只有A、B選項的選擇題，我們可以窮盡所能給出自己滿(mǎn)意的答案。雖然，人類(lèi)總是以自己的生生不息來(lái)證明自己的勝利。但是正如我開(kāi)始所描述的情況一樣，疾病的進(jìn)化速度也快的驚人。有時(shí)快到，甚至不給人類(lèi)以思考的機會(huì )。你會(huì )發(fā)現，過(guò)剩的不僅是CPU，還有病原體。

當我很長(cháng)時(shí)間之后，再次踏入醫院。卻發(fā)現原來(lái)可以通過(guò)注射藥劑治好的病癥，現在得改用輸液了。這讓我不得不承認，當今的世界，病菌的進(jìn)步速度已經(jīng)在我之上了。被世界遺棄，還是奮勇追擊，這的確是一個(gè)問(wèn)題。當然，面臨的問(wèn)題很多，但現在我又該做些什么?醫學(xué)對我來(lái)說(shuō)是個(gè)很遙遠的專(zhuān)業(yè)，但正如距離軍人這種職業(yè)很遙遠的平民，在面對國家安全這種問(wèn)題時(shí)總要做些什么一樣，似乎大家都應該出分力，而且還應當清楚“分”是“分內”的“分”。

現在，當我即將讀完四年大學(xué)時(shí)，從哪里來(lái)的問(wèn)題，我不必花費什么心思，但是往哪里去的問(wèn)題卻是不得不思考的。正如我前邊所描述的，周?chē)囊磺卸荚诎l(fā)展，當然也包括老百姓的生活水平。這里我不是一個(gè)政客，我只是在描述自己的見(jiàn)聞。這樣就會(huì )形成一個(gè)我所見(jiàn)聞的關(guān)系網(wǎng)絡(luò )：科技、發(fā)展、疾病、生活、專(zhuān)業(yè)……無(wú)論是從一個(gè)即將步入職場(chǎng)的儀器類(lèi)學(xué)生的角度，還是從一個(gè)具有社會(huì )責任心的公民的角度來(lái)看，醫療器械都將會(huì )是一個(gè)很有發(fā)展前景的行業(yè)，近來(lái)很多公司的產(chǎn)品動(dòng)向和一些活動(dòng)中的產(chǎn)品展示，也都肯定了這個(gè)判斷的正確性。如此看來(lái)，便捷的家用醫療儀器定然會(huì )走向千家萬(wàn)戶(hù)，事實(shí)也正是如此。

由于母親高血壓的緣故，幾年前，家里就購買(mǎi)了家用的電子血壓計，以便于母親能及時(shí)知道自己的血壓狀況。有段時(shí)間母親一度想要購買(mǎi)一款心電圖機，因為聽(tīng)說(shuō)通過(guò)心電圖可以更好的了解自己的健康情況，不過(guò)最終還是因為受限于獲取心電圖信息那些復雜方法難以學(xué)習，而只好作罷。這樣看來(lái)，一個(gè)家用holter監控器也確實(shí)有其施展的天地。

總體設計方案

1) 心電的特點(diǎn)：

1、微弱性。人體體表的心電信號很微弱，一般只有0.05-5mV。在測量中，對于如此微弱的信號，很難進(jìn)行直接記錄或處理，必須通過(guò)放大器適當放大，同時(shí)必須濾波處理。

2、低頻特性。人體心電信號的頻譜范圍在0.05-100Hz，其能量譜主要集中在0.5-35Hz，頻率是比較低的。

3、高阻抗特性。作為心電的信號源，人體源阻抗一般較大，可達幾千歐姆至幾萬(wàn)歐姆，這將給心電測量帶來(lái)誤差和失真。

4、不穩定性和隨機性。人體是在內部環(huán)境與外部環(huán)境相適應的條件下維持新陳代謝的，為適應外部環(huán)境的變化，人體內各種系統的活動(dòng)都會(huì )在相互影響中不斷調整，以便與外部環(huán)境保持平衡，同時(shí)遺傳等因素也會(huì )造成人體的個(gè)體差異性，這使得人體心電信號表現出不穩定性和隨機性。

2) 心電信號的干擾

1、工頻干擾。由于日常供電網(wǎng)絡(luò )的存在，50Hz工頻干擾是最常見(jiàn)的干擾，它是心電信號主要的干擾源之一。50Hz工頻干擾主要通過(guò)人體和測量系統輸入導線(xiàn)的電容藕合，以位移電流的形式引入，其強度足以淹沒(méi)心電信號。

2、電極極化電壓干擾。心電信號是通過(guò)緊貼在人體體表的電極提取的，而與電極接觸的是電解質(zhì)溶液(導電膏、汁液或組織液等)，這會(huì )形成一個(gè)金屬與電解質(zhì)溶液的界面。由于電化學(xué)的作用，在二者之間會(huì )產(chǎn)生一定的電位差，稱(chēng)為極化電壓。極化電壓的幅度一般較高，在幾毫伏到幾百毫伏之間。當兩個(gè)電極的狀態(tài)不能保持對稱(chēng)時(shí)，極化電壓就會(huì )產(chǎn)生干擾，特別是在電極與皮膚接觸不良以致脫落的情況下更為嚴重，而且電極在皮膚表面的移動(dòng)也會(huì )引起電位差變化。

3、肌電信號干擾。肌肉的興奮與收縮會(huì )引起生物電變化，而這些生物電將在人體表面產(chǎn)生一定的電位差。由于心電信號必須通過(guò)貼在人體表面的電極進(jìn)行提取，因此同時(shí)肌電干擾信號也會(huì )被提取出來(lái)。肌電干擾信號是一種快速變化的電壓信號，其頻率范圍為20-5000Hz。

4、測量設備自身產(chǎn)生的干擾。信號處理所采用的電子設備本身也會(huì )產(chǎn)生噪聲，這種干擾一般都是高頻干擾，用低通濾波器就可濾除。

5、高頻電磁場(chǎng)干擾。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的發(fā)展，各種頻段的無(wú)線(xiàn)電廣播、電視發(fā)射臺、通訊設備、雷達等電子設備的工作使空間存在著(zhù)大量的電磁波。這些高頻電磁干擾可通過(guò)測量系統與人體連接的導線(xiàn)引入，并引起測量結果的不穩定，嚴重時(shí)會(huì )使測量系統不能正常工作，必須加以消除。

3) 電極的選取

電極是來(lái)攝取人體內各種生物電現象的金屬導體，也稱(chēng)作導引電極。它的阻抗，極化特性、穩定性等對測量的精確度影響很大。

1、金屬平板電極。金屬平板電極是測量心電圖時(shí)常用的一種肢體電極，它是一塊鎳銀合金或銅質(zhì)鍍銀制成的凹形金屬板，這種電極比較簡(jiǎn)單，其抗腐蝕性能、抗干擾和抗噪聲能力較差，在微電流通過(guò)時(shí)容易產(chǎn)生極化，而且電位不穩定和電位隨時(shí)間漂移嚴重，信號失真也較大缺點(diǎn)。

2、吸附電極。吸附電極是用鍍銀金屬或鎳銀合制而成，呈圓筒形，其背部有一個(gè)通氣孔，與橡皮吸球相通，它是測量心電時(shí)作為胸部電極的一種常用電極。該電極不用扣帶而靠吸力將電極吸附在皮膚上，易于從胸廓上一個(gè)部位換到另一部位。使用時(shí)擠壓橡皮球，排出球內空氣，將電極放在所需部位，然后放松橡皮球，由于球內減壓，使電極吸附在皮膚上。但這種電極，由于只有圓筒底部的面積與皮膚接觸(即接觸面積小)，從而使得它的阻抗和對皮膚的壓力很大，因此，不適用于輸入阻抗低的放大器和不宜作長(cháng)時(shí)間監護之用。

3、圓盤(pán)電極。圓盤(pán)電極多數采用銀質(zhì)材料，其背面有一根導線(xiàn)。有的電極為了減輕基線(xiàn)漂移及移位偽差在其凹面處鍍上一層氯化銀。值得注意的是，該電極在使用一段時(shí)間后必須重新鍍上氯化銀。

4、懸浮電極。懸浮電極分為永久性和一次性使用的二種。其中永久性懸浮電極又叫作帽式電極，其結構是把鍍氯化銀或燒結的Ag-AgCI電極安裝在凹槽內，它與皮膚表面有一空隙。使用時(shí)，應在凹槽內涂滿(mǎn)導電膏，用中空的雙面膠布把電極貼在皮膚上。由于導電膏的性質(zhì)柔軟，它粘附著(zhù)皮膚，也粘附著(zhù)電極，當肌肉運動(dòng)時(shí)，電極導電膏和皮膚接觸處不易發(fā)生變化，起到接觸穩定的作用。一次性懸浮電極也叫作鈕扣式電極，其結構是將氯化銀電極固定在泡沫墊上，底部也吸附著(zhù)一個(gè)涂有導電膏的泡沫塑料圓盤(pán)，使用前，圓盤(pán)周?chē)秤幸粚颖Ｗo紙，封裝在金屬箔制成的箱袋內，用時(shí)取出，剝去保護紙，即可使用。

5、軟電極。為了克服由于各種硬質(zhì)電極與皮膚貼附不緊密而當人體有所活動(dòng)時(shí)，電極與體表之間的接觸可能會(huì )改變原來(lái)的狀態(tài)而引起意外的移位偽差，而生產(chǎn)出了軟電極。一種常見(jiàn)的軟電極是貼在膠布上的銀絲網(wǎng)電極。使用時(shí)，只需把銀絲網(wǎng)涂上導電膏后貼在所需的人體部位即可。另一種軟電極是在13um厚的，聚脂薄膜(Mylar)上鍍一層1um厚的氯化銀膜而制成的。整個(gè)電極的厚度僅為15um，質(zhì)地十分柔軟。它適用于檢測、監護早產(chǎn)兒心臟變化功能。

6、干電極。干電極是利用固態(tài)技術(shù)，將放大器與電極組裝在一起所示。使用時(shí)不必涂上導電膏而波形又不失真，但必須要一個(gè)輸入阻抗很高(Zsr>109Ω)的前置放大器相匹配。

出于對本設計方案的綜合考慮，使用平板電極。

4)總體設計方案

在了解了心電信號的特點(diǎn)之后，綜合考慮諸如：環(huán)境干擾、電極選擇、心電導聯(lián)體系、本設計的預期目標、以及USB Startkit & Etherner Startkit的優(yōu)勢，總體設計框圖如下：

硬件設計

心電信號輸入緩沖電路

心電信號從人體經(jīng)電極首先進(jìn)入緩沖電路，包括低通濾波和電壓跟隨兩部分。無(wú)源低通濾波的截止頻率為：

放大和右腿驅動(dòng)電路

由于心電信號具有微弱、低頻、不穩定、易受干擾等特點(diǎn)，使得心電信號的模擬放大環(huán)節非常關(guān)鍵，尤其是心電前置放大器直接跟被測信號相連，其設計和選擇直接影響整個(gè)測量系統的工作性能。這就要求所采用的放大器必須有低噪聲、低漂移、低失調參數、高共模抑制比、高輸入阻抗、非線(xiàn)性度小等特點(diǎn)。儀表放大器可以很好的滿(mǎn)足上述要求。

右腿信號采集電路專(zhuān)門(mén)用來(lái)消除由人體引入的共模干擾，又稱(chēng)右腿驅動(dòng)電路。該電路一般從前級放大電路的增益調節電阻處提取反饋信號，并將反饋信號輸入反向放大器的負端，放大后接到人體右腿。右腿驅動(dòng)電路可等效為以人體為相加點(diǎn)的共模電壓并聯(lián)負反饋放大電路，它可以大大降低人體共模電壓的影響，使共模干擾降低到1%以下，而不會(huì )損失心電信號中的有效信號。高通和低通濾波電路

50Hz陷波電路

導聯(lián)選擇

本設計采用模擬開(kāi)關(guān)CD4051控制導聯(lián)通道切換。

軟件設計

本設計中軟件部分主要分為兩部分：一部分是PIC32進(jìn)行信號采集和存儲部分，一部分是PC機信號處理部分。

信號采集和存儲流程圖