淺議基于DSP的心電信號檢測系統(tǒng)

摘要：心電信號是一種生物電信號，它是心臟的電活動在體表綜合的體現(xiàn)，因為心電信號從不同層次上反映了體內(nèi)心臟工作的狀態(tài)，所以在心臟疾病的診斷和治療中具有特別重大的參考意義。本文介紹了一種基于DSP的心電信號檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的時候主要是采用具有一定復(fù)雜性的可編程的邏輯器件。采用這種系統(tǒng)存在較多優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)便宜，且測量的精度高，功耗要求低，符合醫(yī)療儀器設(shè)計的相關(guān)要求。

關(guān)鍵詞：心電信號 可編程邏輯器件 數(shù)字信號處理器

中圖分類號：TH77 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0139-01

心電信號能被放置于體表的電極通過一定的聯(lián)接方式檢測出來，心電信號的檢測是心臟疾病臨床診斷的關(guān)鍵。隨著家庭保健意識的增強(qiáng)，心電檢測儀器逐漸開始進(jìn)入普通家庭。DSP技術(shù)的發(fā)展，也為心電檢測儀器的便攜化與小型化提供了技術(shù)保證。本文對基于DSP芯片的心電信號檢測系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。

1 人體心電信號的產(chǎn)生機(jī)理

心電綜合反映了眾多的心肌細(xì)胞的心電活動，心肌細(xì)胞受到刺激的過程導(dǎo)致了心電的產(chǎn)生。當(dāng)一端心肌細(xì)胞的細(xì)胞膜受到刺激，它對鈉、鉀等離子的通透性改變，導(dǎo)致膜內(nèi)外產(chǎn)生離子流動，并使心肌細(xì)胞復(fù)極化與除極化，這個過程中和尚處于靜止?fàn)顟B(tài)的鄰近細(xì)胞膜構(gòu)成一對電偶，這個變化過程可以被放置于體表的電極檢測出來，這就是心電信號的生成機(jī)制。

2 基于DSP的心電信號檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于DSP的心電信號檢測系統(tǒng)包括信號模擬與數(shù)字這兩部分，圖1為該系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖。心電信號檢測系統(tǒng)電路包括前端放大電路與右腿驅(qū)動電路、濾波電路、電平抬高電路與主放大電路等。心電信號檢測系統(tǒng)電路包括電源管理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、存儲器模塊電路、TMS320VC5509處理器模塊電路、液晶顯示接口電路、鍵盤模塊等。其處理過程如圖1所示：首先利用傳感器來將心電信號獲取，然后處理信號，包括濾波處理以及模擬放大。再通過DSP進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將心電的數(shù)字信號進(jìn)行處理得到平滑準(zhǔn)確的心電信號數(shù)據(jù)， 最后將經(jīng)過濾波的心電信號與計算機(jī)實時通信。本系統(tǒng)由復(fù)雜可編程邏輯器件作為外部控制電路， 控制LCD與多通道異步串行通信。

2.2 模擬部分

前置放大器在經(jīng)過電極收集的心電信號時，會將其初步進(jìn)行放大，一般放大十倍左右，當(dāng)干擾信號被抑制，再送往低通濾波器中，將0.05～100Hz之外的一些干擾信號濾除掉。而主放大器則可以將心電信號的電壓放大到約一百倍的范圍。

2.2.1 前置放大

前置放大作為最關(guān)鍵的一步， 直接影響整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集是否成功。前置放大器要求具有高共模抑制比、低漂移、高輸入阻抗、低噪聲等性能，通常采用差模輸入設(shè)計。

2.2.2 主放大電路以及帶通濾波

心電信號的頻率在0.05～100 Hz范圍內(nèi)，可采用LM324的2個運放設(shè)計成低通濾波電路與二階有源高通組合成帶通濾波。模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入要求為0～3.3V，而心電信號的幅度大概在0～5mV之間，這就需要把心電信號放大一千倍左右，由于前置放大了十倍，從理論計算，主運放將信號應(yīng)放大一百倍。

2.3 數(shù)字部分

數(shù)字部分主要任務(wù)是對心電模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以及信號處理，然后與計算機(jī)進(jìn)行通信，完成其存儲和顯示。

2.3.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換

該系統(tǒng)使用的TMS320VC5509模數(shù)轉(zhuǎn)換器是十位連續(xù)逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用戶通過其內(nèi)部可編程分頻器設(shè)置不同參數(shù)以產(chǎn)生不同的采樣率，該ADC在模擬輸入中采用的是十位的采樣位寬，同時具有四路的輸入，其心電信號的頻率在0.05～100Hz范圍內(nèi)，它能夠滿足采樣的要求，因此，得到的心電信號也很準(zhǔn)確。

2.3.2 設(shè)計復(fù)雜可編程邏輯器件控制電路

本系統(tǒng)對LCD及多通道的異步串行通信系統(tǒng)控制是和DSP一起實現(xiàn)的。該系統(tǒng)通過功能強(qiáng)大的復(fù)雜可編程邏輯器件擴(kuò)展了異步串行通信口，使DSP能與多臺主機(jī)進(jìn)行實時通訊。復(fù)雜可編程邏輯器件通過地址譯碼，選擇通信端口與串行通信功能，以特定的比特率同計算機(jī)進(jìn)行通信。

3 軟件部分

軟件部分采取的是模塊化編程方式， 主程序的主要功能是對各個子程序進(jìn)行組織、調(diào)用、協(xié)調(diào)工作。子程序包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊子程序、數(shù)字信號處理程序、系統(tǒng)初始化程序、LCD顯示程序、計算機(jī)應(yīng)用程序、鍵盤掃描程序等。系統(tǒng)充分利用了MATLAB的仿真功能，針對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。

4 測試結(jié)果和分析

利用DSP開發(fā)軟件，對比了數(shù)字濾波前后的心電信號仿真圖，通過對比我們發(fā)現(xiàn)， 雖然原始心電信號經(jīng)過了濾波設(shè)計， 但是受到噪聲的影響導(dǎo)致效果仍然比較差。由于設(shè)備的電氣特性以及電磁兼容等方面的原因，并因為模擬部分并沒有對50Hz工頻干擾進(jìn)行濾波，在經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣后的心電圖可識別性依然比較差，導(dǎo)致心電信號的主要波形受到影響。經(jīng)過多階帶通濾波后，可以得到十分平滑的心電圖像，能夠基本上消除掉信號中的一些毛刺，也消除了50Hz工頻的干擾。經(jīng)調(diào)試，本檢測系統(tǒng)成功過濾掉了各種干擾與噪聲，使心電圖放大了一千倍，得到的心電圖形完全符合醫(yī)學(xué)要求，并且在上位機(jī)顯示了一個健康的心電信號。

5 結(jié)語

目前，家庭保健是當(dāng)前社會發(fā)展的一大趨勢和熱點。基于DSP的心電信號檢測系統(tǒng)的設(shè)計也為心電檢測儀器的便攜化與小型化提供了技術(shù)保證，并提高了其經(jīng)濟(jì)性，相信心電信號檢測設(shè)備不久之后也將進(jìn)入普通家庭。

參考文獻(xiàn)

[1] 高秉新.心電向量圖圖譜[M].北京：北京醫(yī)科大學(xué)中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)聯(lián)合社，1995.