基于DSP的EASI十二導聯(lián)多功能Holter系統設計方案

心血管疾病是當今醫學(xué)上發(fā)病率和死亡率最高的疾病之一，據統計，全球每年有超過(guò)1 700萬(wàn)人死于心臟疾病。在現代醫學(xué)中，心電圖ECG(Electrocardiograph)是診斷心電疾病的重要依據。常規的靜態(tài)心電圖只能分析病人較短時(shí)間的靜態(tài)心電信息，而動(dòng)態(tài)心電圖則能反映長(cháng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)心電信息，在臨床醫學(xué)診斷中具有重要作用。1961年美國Norman J.Holter最先把動(dòng)態(tài)心電圖記錄儀投入臨床使用，因此常把記錄心臟病病人動(dòng)態(tài)心電圖的儀器稱(chēng)為Holter。

傳統基于單片機的Holter能實(shí)現心電信號的顯示、傳輸及簡(jiǎn)單的判病報警，但受限于單片機的運算速度，難以采用檢測準確但耗費資源相對較多的算法實(shí)現對心電數據的在線(xiàn)分析。本文以TI公司的TMS320VC5509A為處理系統核心，搭配具有高共模抑制比的EASI十二導聯(lián)心電信號采集方案，實(shí)現一個(gè)具有實(shí)時(shí)檢測、無(wú)線(xiàn)傳輸和24小時(shí)心電數據記錄功能的多功能Holter系統。該系統可以方便醫生實(shí)時(shí)監測病人的心電信息以應對疾病的突發(fā)狀況，這將是新一代“數字醫療社區/醫院”在遠程醫療方面的重要發(fā)展方向。

1 EASI十二導聯(lián)系統

EASI十二導聯(lián)系統是臨床醫學(xué)診斷中常用的心電導聯(lián)系統。EASI心電圖是一種衍生的十二導聯(lián)心電圖，最大優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)5個(gè)心電電極產(chǎn)生三路雙極導聯(lián)數據，并推導出極近似標準十二導聯(lián)的心電數據。此導聯(lián)系統由5個(gè)電極E（胸骨下部平第5 肋間）、A（左腋中線(xiàn)平E點(diǎn)位置）、I（右腋中線(xiàn)平E點(diǎn)位置）、S（胸骨柄）和RL（右腿驅動(dòng)電極，一般置放右腹）組成[1]。電極貼放位置如圖1所示。

EASI十二導聯(lián)系統可以通過(guò)數學(xué)公式：Ld=a(A-I)+b(E-S)+c(A-S)轉化后得出十二導聯(lián)心電信息。其中A-I、E-S、A-S為三路雙極導聯(lián)數據，能分別反映心電向量在冠狀面、矢狀面和額狀面的心電變化，a、b、c為經(jīng)過(guò)大樣本研究后得出的精確相關(guān)系數[2]。經(jīng)過(guò)大量的臨床研究證實(shí)，通過(guò)EASI十二導聯(lián)系統獲得的心電信息量非常接近標準的十二導聯(lián)心電圖[3]。

2 系統硬件設計

2.1 系統方案

系統框圖設計如圖2所示。

本Holter系統主要由EASI十二導聯(lián)心電采集電路、TMS320VC5509A、外圍大容量存儲器(如SD存儲卡)、液晶顯示模塊、 Zigbee模塊和電源管理部分組成。電極從人體體表獲取生物心電信號，低通濾波后接入帶通放大電路進(jìn)行兩級放大及A/D轉換，A/D轉換后的數據除了能直接存儲在MicroSD卡以便離線(xiàn)分析外，還可由TMS320VC5509A運行經(jīng)二次微分小波變換算法對心電信號進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，或者通過(guò)Zigbee 傳輸方式將心電信號傳輸到遠程監護中心進(jìn)行實(shí)時(shí)監護。

2.2 帶通放大電路

心電信號幅度一般在0.5 mV～4 mV，頻帶通常為0.05 Hz～100 Hz，頻帶范圍不寬，但50 Hz工頻干擾和人體其他信號（如肌電干擾、運動(dòng)基線(xiàn)漂移）幾乎都落在這個(gè)頻帶范圍內。人體體表阻抗比較大，容易吸取較多共模噪聲。為了使心電信號受到的干擾更小，本系統的心電放大電路采用兩級放大的架構，體表兩點(diǎn)的電位差為心電信號源，前級放大使用高輸入阻抗的儀表放大器INA326，采用差分輸入，把心電信號放大5倍；后級放大采用高精度運放OPA2335設計帶通放大電路，把0.5 Hz～106 Hz的信號放大200倍[4]。

2.3 右腿驅動(dòng)電路

右腿驅動(dòng)電路是專(zhuān)為克服50 Hz工頻共模干擾、提高共模抑制比（CMRR）而設計的，原理是采用以人體為相加點(diǎn)的共模電壓作并聯(lián)負反饋，其方法是提取前級放大電路中的共模電壓，經(jīng)驅動(dòng)電路倒相放大后再加回人體右腿上。本文使用的EASI導聯(lián)系統可以把RL電極接到右腹處。
2.4 TMS320VC5509A最小系統

Holter是便攜式設備，要求保證至少有24小時(shí)連續的醫學(xué)應用，同時(shí)要運行心電檢測等復雜算法。因而作為系統核心的DSP必須具備低功耗和高性能的特點(diǎn)。本文使用TMS320VC5509A作為系統運算和控制核心，系統配置DSP的McBSP接口與模數轉換芯片ADS8325 和CC2430 Zigbee模塊進(jìn)行通信，通過(guò)SD控制器與MicroSD卡連接，通過(guò)GPIO口與液晶模塊相連接，設置3個(gè)由按鍵控制的外部中斷，用于多功能切換。