心電數據床邊采集系統的開(kāi)發(fā)研究

摘要：系統地介紹了心電數據床邊采集系統的開(kāi)發(fā)研究，著(zhù)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單片機為核心的軟、硬件結構，具有12位分辨率的多通道A/D采樣，實(shí)時(shí)高效的數據壓縮算法等。
關(guān)鍵詞：放大器 多路選擇 單片機 ECG信號壓縮

心電診斷較大程度地依賴(lài)于對心電數據的處理分析。傳統的12導聯(lián)心電放大系統中，體表心電信號由導聯(lián)緩沖電路輸入后由12路放大電路分別進(jìn)行放大，最后接入微機系統的12位A/D采樣板上。由于每一導聯(lián)的心電放大電路的通道結構和組成元件完全相同，不同的只是輸入信號。因此這些結構重復、功能相同的電路便利傳統的心電放大器體積龐大，再加上存放數據的微機系統，使得整個(gè)數據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，我們設計了一種便攜式的心電數據床邊采集裝置，借助于多路開(kāi)關(guān)，只需一個(gè)放大器和16路A/D轉換，便可完成對多路信號的采集。擴展的大容量存儲器，可以在病人床連把必需的數據存儲下來(lái)。整個(gè)系統由一片80C32單片機控制，其可靠性高，使用方便，可滿(mǎn)足對采樣頻率的要求，方便客戶(hù)使用和維護。

該系統由兩大部分組成：（1）以模塊電路為主的放大電路；（2）以數字電路為主的采樣存儲電路。它在設計上存在兩個(gè)難點(diǎn)：1>16通道信號的采集時(shí)間不統一。16通道包括常規12導聯(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，能夠分析出相關(guān)信號間的細節；正交導聯(lián) 的信號可用于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。分析信號類(lèi)別不同，其采集時(shí)間也不同：12道常規導聯(lián)波形要求每導采集8個(gè)波形；3道正交導聯(lián)要求每導采集300個(gè)波形；整形波要求存儲540個(gè)R-R間期。因此要在軟件中對各段采集時(shí)間加以控制。2>數據量大。政黨成年人的心率在60~100次/分，取60次/分計算，上述三段波形采集的總數據量約為2M字節（以1kHz采樣頻率，12位分辨率）。因此需要適當的實(shí)時(shí)數據壓縮，使數據量壓縮到1M字節，同時(shí)要擴展數據存儲。

1 放大系統

圖1所示放大系統主要由導聯(lián)部分、開(kāi)關(guān)部分、放大部分和濾波部分構成。從人體引出的微弱心電位號[1]通過(guò)導聯(lián)電路形成待放大的心電信號（如I、aVR、V1等）的組合，由多路開(kāi)關(guān)對16路信號輪流切換，分別得到一對時(shí)分復用的信號，送至放大電路進(jìn)行差分放大。放大后的信號再由一個(gè)多路開(kāi)關(guān)還原成16路信號，最后經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻的開(kāi)關(guān)信號即得到16路連續的放大信號。此時(shí)的信號連到單片機采樣部分進(jìn)行采樣，或者連到示波器上對波形進(jìn)行監視。放大部分采用多路開(kāi)關(guān)技術(shù)對信號進(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)系統的體積。

放大電路的一些設計指標如下：

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

1.1 導聯(lián)部分

導聯(lián)部分主要由運算放大器OP07構成，它具有高輸入阻抗、低溫漂、失調電壓調零電路，可以通過(guò)調節使放大電路的基線(xiàn)為零電位。圖2是心電信號導聯(lián)I的輸入電路，調節滑動(dòng)變阻器Rw,可以使得兩個(gè)導聯(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(kāi)關(guān)部分

開(kāi)關(guān)部分選用兩片16選1的多路開(kāi)關(guān)Max336，其導通電阻小，各通道間具有高隔離度，由4位地址信號選擇導通的輸入信號。前端開(kāi)關(guān)由兩片Max336構成，輪流切換輸入的心電信號，開(kāi)關(guān)的切換頻率是24kHz。后端開(kāi)關(guān)則將放大后的信號還原成16路信號，前后開(kāi)關(guān)的地址信號一致，工作在同步方式下，保證同一時(shí)刻對某一路信號的放大與還原。

16路開(kāi)關(guān)的地址信號由時(shí)鐘電路提供，NE555芯片構成24kHz的振蕩器，然后通過(guò)16進(jìn)制的計數器74LS161循環(huán)計數，計數值連到Max336的地址輸入端。

1.3 放大部分

放大電路由AD620構成，AD620內部的核心是三運放電路，有較高的共模抑制經(jīng)CMRR，溫度穩定性好，放大頻帶寬，噪聲系數小。AD620只要外接一個(gè)電阻就可以設置1~3000范圍的增益，而且調節方便。放大電路如圖3所示。

1.4 濾波部分

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

2 采樣存儲
采樣存儲結構如圖4所示，其內部電路包括四個(gè)主要的功能塊：12位A/D轉換模塊，控制處理模塊（80C32），存儲模塊及微機的串行接口通訊模塊。

2.1 A/D轉換模塊

選用2片Maxim的MAX197作為16路信號的A/D轉換器。MAX197是8通道12位A/D轉換器，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，內部有4.096V的參考電壓，輸入范圍±10V，±5V，+10V可選，采樣速率可達100ksps，使用簡(jiǎn)單靈活。而且它有8+4的并行接口，方便與單片機相連。經(jīng)過(guò)放大并且濾波后的16路信號分別接到2片MAX197的16個(gè)輸入通道分別進(jìn)行A/D轉換。

2.2 控制處理模塊

控制處理系統的核心以Intel公司的單片機[3]80C32以及外接程序存儲器8K的EPROM組成。它可靠性好，功能強。片內有256個(gè)字節的RAM，方便數據的臨時(shí)存儲及壓縮計算。在軟件中，利用2個(gè)16位的定時(shí)器，先進(jìn)行12道常規導聯(lián)的同步采樣。然后是3道正交導聯(lián)的同步采樣，最后實(shí)現對540個(gè)RR期間的計算與存儲（下文中分別用A，B，C段采樣表示）。

2.3 存儲模塊

存儲模塊由兩片AMD公司的512K字節的ELASH閃爍存儲器AM29F040組成，每片內部都由8個(gè)64K字節的區段組成，任一區段可擦除或保護。兩片總容量為1M字節，需20根地址線(xiàn)對其進(jìn)行尋址，采用單片機的I/O口進(jìn)行高位地址的擴展。模塊之間電氣結構獨立，通過(guò)譯碼器構成片選。采用閃存，不但存儲容量大，而且可以降低功耗。

2.4 數據串行通訊

MAX233是+5V供電的RS232收發(fā)器，實(shí)現用戶(hù)板與微機系統之間的數據串行通訊。它無(wú)需外接電容，節省空間。其一端連接單片機的RXD、TXD，另一端通過(guò)9針連接器與微機串行口相接。把在病人床連采集的數據拿回分析室，與微機實(shí)現通訊后，在微機上按照壓縮的格式進(jìn)行反壓縮形成原始數據。這些數據便是日后用來(lái)進(jìn)行分析診斷的基礎。

2.5 軟件編程

單片機的控制軟件[4]主要包括分時(shí)采樣、數據壓縮以及對閃爍存儲器的存儲控制。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(cháng)度。數據壓縮及存儲控制放在后臺，采用中斷完成。定時(shí)器0用于1kHz頻率定時(shí)啟動(dòng)A/D轉換，定時(shí)器1用于控制分段采樣，由于定時(shí)間長(cháng)要配合軟件計數器CONT一起使用。流程圖見(jiàn)圖5。

關(guān)于ECG心電數據的實(shí)時(shí)壓縮，我們采用的是一種算法簡(jiǎn)單、運算速度較快的“偽壓縮算法”?？紤]到心電信號頻率較低，相鄰兩點(diǎn)之間的差值不大，我們只存儲兩點(diǎn)間的幅度差，就可以很方便地減少存儲器的開(kāi)銷(xiāo)。假設采集的數字信號序列為an(n=0～∞)，對其進(jìn)行一次差分處理：

bo=a0;ba=an-an-1(n=1～∞)

存入存儲芯片的是序列bn,它的值用一個(gè)字節就可以表示，從而實(shí)現了數據壓縮。在數據與微機通訊后，通過(guò)“反壓縮”，便可恢復原始數據。

本系統主要完成的是對多路心電信號的數據采集，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)及高容量的內存，簡(jiǎn)化了放大電路的重復部件，大大縮小了體積（放大板25cmX15cm，采樣存儲板15cmX8cm），從而實(shí)現了床邊數據采集的功能。所采集數據的格式（指恢復后的原始數據）均為1kHz采樣頻率，12位分辨率，它與本實(shí)驗室自行開(kāi)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。