基于MSP430設計的微型家用心電圖機

一、概述

　　心血管疾病是一種較為普遍的疾病，隨著(zhù)生活節奏的加快，生活水平和健康意識的提高，人們需要隨時(shí)對心臟進(jìn)行健康監護并且能在比較危急的情況下進(jìn)行及時(shí)的診治；同時(shí)，如果長(cháng)期住在醫院里面進(jìn)行監護和治療，那樣花費高而且也給醫院帶來(lái)了不小的門(mén)診壓力。心電圖機是診斷心臟病的重要儀器之一，目前市場(chǎng)上有多種心電圖機，但是這些心電圖機都不太適合在家庭中使用。為此，一種能夠在家庭中應用、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的低功耗家用電圖機的設計方案應運而生。

　　總所周知，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的推進(jìn)、人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展進(jìn)步，全球醫療儀器的發(fā)展也是日新月異。21世紀的醫療行業(yè)主要呈現以下兩個(gè)特點(diǎn)：第一、未來(lái)的醫療世界，主要的代表產(chǎn)品是納米機械元件、隨身佩戴式化學(xué)感測器、居家保健應用醫療器材等。第二、信息與醫療技術(shù)緊密地結合在一起。家用心電圖機的設計正是順應這兩個(gè)大趨勢。另外，從這次SARS病毒爆發(fā)來(lái)看，可以預計，它將會(huì )推動(dòng)居家保健應用醫療器材的發(fā)展。因此，家用心電圖機在國內外都是一種新型產(chǎn)品，具有極大的市場(chǎng)發(fā)展潛力。

二、功能與基本原理

（一）總體設計

　　為了實(shí)現心臟的"健康監護"和"家庭門(mén)診"，該家用心電圖機具有以下基本功能：

　　利用液晶顯示系統實(shí)時(shí)顯示心電波形和工作菜單；

　　利用外部存儲器將需要存儲的心電信息保存以便日后作為診治參考；

　　利用打印機將心電圖打印存檔；

　　可整理保存用戶(hù)的記錄信息；

　　多種操作模式，自動(dòng)，手動(dòng)操作可以任意選擇；

　　可以方便的將從人體采集到的心電信號傳送到相關(guān)的醫療機構。

　　考慮到用戶(hù)實(shí)際使用的需要，家用心電圖機還必須滿(mǎn)足以下的特點(diǎn)：

　　抗干擾能力強；

　　體積小，重量輕，攜帶方便；

　　操作簡(jiǎn)單；

　　功耗低；

　　為了得到廣泛推廣使用，生產(chǎn)成本要低，必須有比較好的性能價(jià)比。
該家用心電圖機采用的是干電池供電，而干電池供電需要解決的一個(gè)基本矛盾是：低功耗要求系統采用比較低的時(shí)鐘頻率而與此同時(shí)要求系統對一些基本的操作能夠快速反應和啟動(dòng)，這就要求系統最少具備兩種高低不同的頻率，必要時(shí)兩種頻率可以切換使用。正因為MSP430 F135具有豐富靈活的時(shí)鐘模塊，所以本系統選取它來(lái)作為控制核心，與此同時(shí)還選用了與之配套的低功耗外部存儲器AT29LV1024和液晶顯示模塊LMS0192A。

　　德州儀器公司所提供的MSP430為高整合、高精度的單芯片系統，是目前工業(yè)界中具有最低功耗的flash 16-bits RISC微控制器。MSP430 F135具有強大的處理功能和豐富的外圍模塊，可方便地實(shí)現心電信號的采集、處理、存儲、打印以及傳輸。另外，將其作為系統的控制核心，可以極大地簡(jiǎn)化整個(gè)硬件電路和提高系統的性?xún)r(jià)比。

　　心電信號由電極或導聯(lián)線(xiàn)從人體采集，經(jīng)放大、濾波處理后進(jìn)入單片機進(jìn)行A/D轉換，送液晶顯示。如需存儲則按下存儲鍵后心電數據就會(huì )存儲到外部存儲器中，而且在需要回放、打印、傳輸時(shí)，可以直接從外部存儲器中調出使用，進(jìn)而實(shí)現各種功能?？梢灾苯永镁W(wǎng)絡(luò )或電話(huà)將家用心電圖機所監測的數據傳送到相關(guān)的醫療機構，經(jīng)過(guò)診斷、處理之后由醫療機構反饋回來(lái)，因而方便和高效地實(shí)現了"家庭門(mén)診"和"健康監測"，既節省了用戶(hù)開(kāi)支又相對減輕了醫院的門(mén)診壓力。本系統采用了圖1所示的電路結構。

（二）心電信號的檢測及采集

　　家用心電圖機所需檢測的心電信號幅值在0.05～4 mV，頻率在0.05～72Hz。而檢測中存在的主要干擾信號有電極板與人之間的極化電壓、50Hz工頻干擾、儀器內部噪聲和儀器周?chē)妶?chǎng)磁場(chǎng)電磁場(chǎng)的干擾等等。心電信號中50Hz工頻干擾可以利用自適應模板法消除，則心電圖機模擬部分可以采用如圖2所示的硬件結構。心電信號經(jīng)電極或導聯(lián)線(xiàn)采集后，先要進(jìn)行電壓放大。電壓放大器一般由兩級組成，前級采用負反饋差動(dòng)放大電路。系統中，采用TI公司的基于雙運放電路的微功耗儀表放大器INA321芯片作為心電信號的前級放大器，放大倍數為10倍。由于72Hz以上的干擾信號較強而0.05Hz以下的干擾信號相對較弱，所以在濾波電路中，采取先低通濾波取出72Hz以下的信號，然后接高通的方式，這樣就能濾除極化電壓信號得到心電信號。由于在前面的濾波電路中采用了RC高通濾波電路，該電路具有較高的輸出阻抗，所以后級放大采用了同相放大電路，放大倍數為20倍。

　　心電信號的最高幅值為4mV，經(jīng)過(guò)200倍的放大為0.8V，而A/DC的輸入范圍為0～2.5V，設計時(shí)取中間值1.25V為參考，所以放大后的心電信號疊加參考電壓1.25V后大小為(1.25