一種基于ARM的便攜式心率監(jiān)測儀的設計*

鄭 誠，余珊南，祝永華，徐 進

（衢州學院 電氣與信息工程學院，浙江 衢州 324000）

目前，社會人群正不斷向著老齡化的趨勢發(fā)展，心血管疾病發(fā)病率也逐年上升。心臟病的發(fā)作往往是隨機的、短暫的，稍縱即逝，患者難以及時趕到醫(yī)院進行心電檢查，從而影響到病因的及時診斷。傳統(tǒng)心電圖或動態(tài)心電圖都是一種回顧性的被動檢查，有時很難及時捕捉到有效心電圖，而且體積較大，對病人來說，實時監(jiān)護基本沒有可能。因此，研發(fā)一種可以實時檢測、儲存心率的便攜式心率監(jiān)測儀有著重要的意義。監(jiān)測儀可以隨身攜帶，并對病人進行心率的實時監(jiān)控、記錄，以便有突發(fā)狀況產(chǎn)生時能提供讓醫(yī)生能更快更好診斷病癥的依據(jù)。

本便攜式心率監(jiān)測儀主要由信號采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理3部分組成。心電信號采集部分由信號采集，濾波、信號放大和A/D轉(zhuǎn)換幾個部分組成。采集到微弱的心電信號后，通過濾波、放大得到有診斷價值的心電信號波形。然后將心電信號通過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入微處理器進行處理。信號采集部分主要功能是信號的采集、濾波、放大，應去除各種干擾的影響，如工頻干擾和肌電干擾等。數(shù)據(jù)處理模塊主要用來處理接收到的數(shù)據(jù)，然后按照一定的算法將其顯示在液晶屏上，形成了良好的人機界面。而數(shù)據(jù)儲存主要用于儲存心跳的波形數(shù)據(jù)，將心跳的波形儲存到SD卡中，并且可以連接到電腦上對心跳的波形進行分析，起到病癥的診斷作用。

1 儀器設計要求

在心電信號的監(jiān)測過程中，由于實際工作情況并非理想狀態(tài)，監(jiān)測信號中往往含有很強的背景噪聲，這些背景噪聲包括工頻噪聲、肌電噪聲、呼吸波噪聲、人體動作和電極極化等引起的各種隨機噪聲，心電信號存在的噪聲降低了診斷的準確性。其中，對信號影響最大的是醫(yī)療儀器設備電源50 Hz工頻干擾噪聲。在許多情況下，其幅度之大以至于可能影響到系統(tǒng)的正常工作和醫(yī)生對疾病的準確診斷。為了能準確去除外界干擾，得到準確的心跳波形，整個系統(tǒng)應做到較大的共模抑制比、較大的放大倍數(shù)和合理的帶通頻率，低功耗的工作也是要達到的目標之一。

2 儀器硬件設計

2.1 右腿驅(qū)動電路

右腿驅(qū)動電路通常用于生物信號放大器，以減少共模干擾。心電圖（生物信號放大器等）或肌電電路所發(fā)出的電子信號十分微小，通常只有幾微伏。而由于病人的身體也可以作為天線能受到電磁干擾，特別是50 Hz的工頻干擾，這種干擾可能會掩蓋生物信號，使得信號難以測量。因此，可以通過添加右腿驅(qū)動電路用來消除干擾噪聲。右腿驅(qū)動主要通過運算放大器反向放大來抑制人體帶來的較大的工頻干擾，只要運放的開環(huán)增益足夠大，就能基本使人體電位保持零位。

2.2 前置放大電路

人體心電信號幅值小，頻率低，不穩(wěn)定，隨機性強，易受干擾，所以對心電放大電路的設計要求較為嚴格。選擇運算放大器時，必須從增益、頻率響應、共模抑制比、輸入阻抗、噪聲和漂移等方面綜合考慮。前置放大電路有較高的輸入阻抗、適當?shù)脑鲆婧洼^高的共模抑制比，可以有效抑制人體的共模電壓和人體的各種活動帶來的干擾。

信號采集后，通過儀用放大器進行一級放大。設計采用的儀用放大器為B-B公司的精密儀用放大器INA118。INA118通過在腳1和腳8之間外接電阻 Rg來實現(xiàn)不同的增益，該增益可從1～1 000不等，電阻Rg的大小可由下式?jīng)Q定：G=（50 kΩ/Rg）+1。 其中，G 為增益，增益取在10左右，防止輸出過大，影響電路穩(wěn)定；Rg取 2.8 kΩ；且此時共模抑制比在100 dB左右，可以有效抑制50 Hz工頻電帶來的影響。

在信號進入INA118儀用放大器之前，先通過較大的電阻形成較大的阻抗，減小信號的失真，然后通過電壓跟隨增強心電信號的穩(wěn)定和輸出能力，再將處理過的心電信號送入儀用放大器。前級放大及右腿驅(qū)動電路如圖1所示。

為了增強信號的準確性，信號的輸入主要采用目前臨床上廣泛采用的銀-氯化銀電極，該電極具有電位穩(wěn)定、可靠性好、低漂移和低噪聲的優(yōu)點，而且使用方便，無殘留無污染。左手、右手、右腿分別通過電極連接到帶有屏蔽線的導線，這樣可進一步去除外部干擾對心電信號的影響。

2.3 帶通濾波電路

常規(guī)心電信號的頻帶范圍為 0.05 Hz～100 Hz，在此頻帶范圍內(nèi)包含了心電信號的主要能量部分。正常心電信號為毫伏級信號，對于干擾環(huán)境而言屬于微弱小信號。因此，系統(tǒng)設計了帶通頻率為0.05 Hz～150 Hz的帶通濾波電路，將心電信號的有用成分從采集到的信號中分離出。

圖1 前級放大及右腿驅(qū)動電路圖

本設計選取一個10 μF的電容和一個3 MΩ的電阻構(gòu)成一個一階無源高通濾波，主要濾除0.05 Hz以下的波形，去除一部分干擾。

選取一個4.7 kΩ的電阻和一個0.22 μF的電容構(gòu)成一個一階低通濾波，主要濾除150 Hz以上的頻率。

高通濾波和低通濾波形成一個帶通濾波，范圍較廣，可以濾除大部分的高低頻干擾，通過帶通濾波后的心電信號已經(jīng)可以較好地觀察到了。

2.4 后級放大電路

經(jīng)過濾波后的心電信號雖然能被較好地觀察到，但是還不能被微處理器很好地識別，于是還需進行后級多次放大。運放采用OPA2604高精度雙運放，主要采用多次反向放大的方法放大心電信號。

先通過一次電壓跟隨增強輸出能力，對前級電路呈高阻態(tài)狀態(tài)，對后級電路呈低阻態(tài)，從而形成前后級電路的隔離。放大采用反向放大，多次進行放大倍數(shù)較小的放大，這樣就能出來一個較為清晰的心電波形了。帶通濾+后級放大+加法電路圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)程序設計

主程序由多個模塊組成，多個模塊按一定的時序構(gòu)成了整個監(jiān)測儀的主程序，流程如圖3所示。

本系統(tǒng)技術(shù)指標為：（1）導聯(lián)：標準 II導聯(lián)；（2）共模抑制比：大于 100 dB；（3）放大倍數(shù)：可調(diào)，500～2 000倍；（4）通頻段：0.05～150 Hz；（5）供電：直流 5 V，外部供電；（6）工作環(huán)境溫度：0～50°C；（7）連續(xù)工作時間：24小時以上；（8）支持 SD/MMC卡存儲。

4 系統(tǒng)整體性能及實用分析

系統(tǒng)通過實機測試和示波器顯示測試兩個方面來測試監(jiān)測儀是否能很好地工作、放大和顯示波形。實機測試和示波器顯示結(jié)果分別如圖4、圖5所示。通過測試發(fā)現(xiàn)，在實機上基本能看出和示波器上一樣的波形，有較為滿意的顯示效果，并且人在運動時對波形干擾不大，可實現(xiàn)隨身攜帶、隨時測量。數(shù)據(jù)儲存也能完成，無數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象?？蛇B續(xù)長時間檢測、儲存，達到了系統(tǒng)對心跳波形的長時間監(jiān)控、顯示和儲存的要求。

圖2 帶通濾波+后級放大+加法電路

圖3 系統(tǒng)主程序流程

圖4 實機測試圖

圖5 示波器顯示實測圖

本設計針對便攜式心率監(jiān)測儀對個人和家庭應用中的重要意義，設計提出了一種低功耗、便攜式的心率監(jiān)測儀，能夠完成心率的監(jiān)測，儲存功能。

本文設計了便攜式心電儀的數(shù)據(jù)采集部分，設計了相關(guān)的濾波電路，有效抑制了心電檢測中的干擾和噪聲，增強了心電信號的有用成分。在模擬信號處理中，采用右腿驅(qū)動電路及帶通濾波器，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。數(shù)據(jù)處理部分將A/D轉(zhuǎn)換的心電數(shù)據(jù)實時顯示在LCD上，并存儲到SD卡中。采用NXP公司基于ARM Cortex-M3核的微處理器LPC1768，因為ARM能兼顧到高性能、低功耗、低價格及小的芯片尺寸。本設計在元件選擇和設計中充分考慮低功耗的要求。

本文設計的便攜式心電儀基本達到了預期目標，用示波器觀察數(shù)據(jù)采集部分各個階段的波形，證明模擬電路能完成相應功能。通過整機調(diào)試，系統(tǒng)運行良好，心電信號波形無失真。

但是該設計仍有許多需要提高的地方。系統(tǒng)的抗干擾能力應該進一步提高，而信號采集和放大部分的功耗還有待降低。降低了功耗，系統(tǒng)的性能會更進一步。

系統(tǒng)中未加入數(shù)據(jù)分析的部分。未來還會加入數(shù)據(jù)分析的程序，將采集到的數(shù)據(jù)與標準的心電信號進行對比、分析，來判斷心電波形的好壞，做到早發(fā)現(xiàn)、早提醒，減少了病人的風險。

還可結(jié)合無線網(wǎng)絡，將采集到的數(shù)據(jù)直接提交到醫(yī)院供醫(yī)生分析和對重癥病人實時監(jiān)護，大大增加了病人的安全性，這也是未來心率檢測儀的一種發(fā)展趨勢。

[1] 王桂蓮.心電圖電極[J].數(shù)理醫(yī)藥學雜志，2007，20（4）：541-543.

[2]彭飛武，熊平，蔡曉珠，等.論心電信號檢測中的噪聲與干擾及其消除方法[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2007，28（9）：72-74.

[3]徐靈飛，向平.基于 C8051F021的便攜式心電監(jiān)視[J].微型機與應用，2005（2）：36-38.

[4]楊昌金王濤.精密低功耗儀表放大器INA118及其應用，國外電子元器件，2000（6）：14-15.