個(gè)人健康系統(tǒng)心電數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

［陳沉　陸奕帆　簡(jiǎn)超峰］

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個(gè)人健康系統(tǒng)心電數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

［陳沉陸奕帆簡(jiǎn)超峰］

摘要隨著我國(guó)人口結(jié)構(gòu)和疾病模式的改變，傳統(tǒng)疾病治療模式已經(jīng)不能滿足人們的醫(yī)療需求，提出建立以預(yù)防保健治療為核心的個(gè)人健康系統(tǒng)。為滿足個(gè)人健康系統(tǒng)對(duì)心電生理數(shù)據(jù)的有效監(jiān)測(cè)，提出以前置放大電路、右腿驅(qū)動(dòng)電路、帶通濾波電路、主放大電路、電平抬升電路和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換相結(jié)合的心電數(shù)據(jù)采集方案，濾除心電信號(hào)中的共模電壓、50Hz工頻干擾和噪聲信號(hào)等的干擾，獲取較為純凈、真實(shí)、有效地心電數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療 個(gè)人健康系統(tǒng) 心血管 心電采集

陳沉

重慶郵電大學(xué)，信號(hào)與信息處理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

陸奕帆

重慶郵電大學(xué)，信號(hào)與信息處理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

簡(jiǎn)超峰

重慶郵電大學(xué)，信號(hào)與信息處理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

引言

醫(yī)療服務(wù)作為國(guó)家公共服務(wù)的重要組成部分，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)文化可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，個(gè)人健康問(wèn)題已經(jīng)成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)文化的不斷提高，大眾的生活方式發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變，對(duì)我國(guó)人口結(jié)構(gòu)、疾病模式也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)老年化進(jìn)程不斷加快，65歲及以上老人從1990年的6299萬(wàn)上升到2000年的8811萬(wàn)，占人口比例的6.96%，預(yù)計(jì)到2040年，老年人口占總?cè)丝诘谋壤龑?huì)超過(guò)20%；［1］主要的疾病模式已從傳染病和缺乏營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁苑莻魅静橹?，慢性病的高發(fā)人群已經(jīng)不局限在老年人群中，也漸漸出現(xiàn)低齡化的趨勢(shì)，越來(lái)越多的年輕人也被慢性病所困擾，給個(gè)人、家庭和社會(huì)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。［2］

由國(guó)家心血管病中心、中國(guó)心血管報(bào)告編寫(xiě)組于2015年8月發(fā)布的《中國(guó)心血管報(bào)告2014》顯示，中國(guó)心血管患病率和死亡率持續(xù)上升，已經(jīng)成為我國(guó)居民首位死因，構(gòu)成居民疾病死亡的40%以上，因此心血管疾病便成為我國(guó)最為危險(xiǎn)的慢性疾病。［3］我國(guó)針對(duì)心血管或心臟病多采用傳統(tǒng)的病發(fā)治療模式，往往一旦病發(fā)便會(huì)有致命的危險(xiǎn)，所以要建立預(yù)防保健為主的個(gè)人健康系統(tǒng)治療模式，在早期階段發(fā)現(xiàn)疾病，降低群眾患病率，為大眾減輕不必要的醫(yī)療負(fù)擔(dān)。

1　個(gè)人健康系統(tǒng)概念

個(gè)人健康系統(tǒng)是以患者數(shù)據(jù)為中心，融合無(wú)線通信、傳感器、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，圍繞“感、知、行”的醫(yī)療模式，旨在打造一個(gè)遠(yuǎn)程智能的疾病預(yù)防與護(hù)理系統(tǒng)?！案小本褪且袁F(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，利用多種傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種生理體征數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線智能終端傳送到醫(yī)療數(shù)據(jù)服務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、精確、便捷、及時(shí)、無(wú)創(chuàng)的人體常規(guī)生理數(shù)據(jù)的采集。“知”即是運(yùn)用遠(yuǎn)程醫(yī)療和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理服務(wù)平臺(tái)，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘和病理發(fā)現(xiàn)理論對(duì)個(gè)人的醫(yī)療歷史建模分析，同時(shí)結(jié)合專業(yè)醫(yī)護(hù)人員專業(yè)護(hù)理診斷，達(dá)到可靠、盡早、快速、高效的發(fā)現(xiàn)疾病隱患和預(yù)測(cè)健康風(fēng)險(xiǎn)。

2　心電數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)

個(gè)人健康系統(tǒng)由傳感器感知層、智能終端控制層和云計(jì)算服務(wù)層組成，傳感器感知層負(fù)責(zé)采集人體生理信息，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。隨著個(gè)人健康系統(tǒng)建設(shè)的不斷推進(jìn)和完善，鑒于我國(guó)心血管疾病的嚴(yán)重性，對(duì)心電生理數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為個(gè)人健康系統(tǒng)重點(diǎn)研究方向。

2.1心電數(shù)據(jù)采集方案

由于人體生理活動(dòng)處于一個(gè)不斷變化的過(guò)程中，人體產(chǎn)生的生理電信號(hào)相對(duì)比較復(fù)雜，具有信號(hào)幅值小、干擾噪聲大、頻率較低、隨機(jī)性大的特點(diǎn)。［4］而心臟作為人體最為重要的器官，為了獲取精準(zhǔn)的人體心電數(shù)據(jù)信息，不僅需要克服人體一般生理信號(hào)提取的困難，還需要解決在記錄ECG過(guò)程中受到的工頻干擾、電極接觸噪聲、呼吸引起的基線漂移、肌電干擾和電子設(shè)備干擾等的影響，因此提出心電數(shù)據(jù)采集方案，具體如圖1心電采集結(jié)構(gòu)框圖所示。

根據(jù)圖1所示，心電采集方案分為心電信號(hào)采集前端和心電信號(hào)處理后端兩部分構(gòu)成。心電信號(hào)采集前端由心電導(dǎo)聯(lián)電極、右腿驅(qū)動(dòng)電路、前置放大電路、帶通濾波電路、主放大電路和電平抬升電路組成，負(fù)責(zé)體表心電信號(hào)的采集和信號(hào)預(yù)處理；心電信號(hào)處理后端由A/D轉(zhuǎn)換器、ARM Cortex-M3處理器和數(shù)字信號(hào)處理電路組成，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的心電信號(hào)輸入到ARM Cortex-M3中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，得到純凈的數(shù)字化心電信號(hào)。

圖1　心電采集結(jié)構(gòu)框圖

2.2前置放大電路設(shè)計(jì)

人體心電信號(hào)經(jīng)由導(dǎo)聯(lián)電極檢測(cè)到后，進(jìn)入前置放大電路，前置放大電路對(duì)采集的心電信號(hào)進(jìn)行放大，獲取心電信號(hào)的差模電壓。［5］而在采集人體體表生理電壓時(shí)，體表的共模電壓會(huì)伴隨差模電壓一起被采集，并對(duì)有效地差模電壓產(chǎn)生干擾，因此前置放大電路應(yīng)該具有良好的共模抑制比。如圖2前置放大電路設(shè)計(jì)所示。

圖2　前置放大電路

如圖2中RA、LA代表采集的人體右左兩臂電位，RA、LA電信號(hào)分別通過(guò)電信號(hào)射極跟隨器U1A和U1B后輸入INA118放大器U3，使心電信號(hào)放大10倍。為了提高前置放大電路的共模抑制比，降低輸入信號(hào)的共模電壓，將U1A、U1B設(shè)計(jì)成電壓跟隨器，使RA、LA端的輸入電壓與跟隨器輸出電壓保持相對(duì)穩(wěn)定，加大前置放大電路輸入阻抗，進(jìn)而提高電路的共模抑制比，實(shí)現(xiàn)具有高共模抑制比的前置放大電路。

2.3右腿驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在心電信號(hào)采集過(guò)程中，導(dǎo)聯(lián)電極貼片容易與環(huán)境中的電力線、電容等產(chǎn)生共模位移電流，共模位移電流會(huì)跟隨心電信號(hào)進(jìn)入前置放大電路。為抵消共模位移電流帶來(lái)的影響，右腿驅(qū)動(dòng)電路用于提取前置放大電路中的共模位移電流，將共模位移電流反饋至人體體表，從而抵消采集過(guò)程中產(chǎn)生的共模位移電流帶來(lái)的影響。［6］如圖2.3所示右腿驅(qū)動(dòng)電路。

圖3所示，共模位移電流經(jīng)電壓跟隨器U2B的5號(hào)引腳接入右腿驅(qū)動(dòng)電路，U2B電壓跟隨器用于穩(wěn)定輸入的共模位移電流，同時(shí)U2A與C2、 R4組成浮地驅(qū)動(dòng)電路，將采集到的人體共模信號(hào)放大后反饋于人體右腿，使得人體相對(duì)于地面為零電位，進(jìn)而提高電路總體的共模抑制比，降低共模電壓，較好地抑制50Hz工頻干擾。為了預(yù)防人體與地面出現(xiàn)高電壓的偶然情況，需要使用大阻值電阻R4，起限流保護(hù)的作用，確保整個(gè)電路的穩(wěn)定、有效地運(yùn)行。

圖3　右腿驅(qū)動(dòng)電路

2.4帶通濾波電路設(shè)計(jì)

人體體表的初始心電信號(hào)頻率主要集中分布在0.03到100Hz之間，最大的心電信號(hào)幅值僅為1mV左右，［7］而在0.03～100Hz之外頻率的信號(hào)皆為噪聲信號(hào)，極其容易淹沒(méi)掉有效地心電信號(hào)，設(shè)計(jì)帶通濾波電路能夠較好的濾除噪聲信號(hào)，使得0.03～100Hz之外的信號(hào)大幅衰減，提高輸出信號(hào)的信噪比。具體帶通濾波電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

如圖4所示，輸入信號(hào)從左端接入帶通濾波電路，帶通濾波電路由一階有源高通濾波電路和一階有源低通濾波電路構(gòu)成。一階有源高通濾波電路由放大器U4A、R8 和C12組成，用于濾除頻率低于0.03Hz的信號(hào)，保留并輸出頻率高于0.03Hz的采集信號(hào)；U4B、C21、R9構(gòu)成一階有源低通濾波器，該低通濾波器使高于100Hz頻率的信號(hào)大大衰減，達(dá)到基本濾除高于100Hz頻率的信號(hào)，保留并輸出頻率低于100Hz的信號(hào)。因此帶通濾波電路運(yùn)用高通濾波電路和低通濾波電路，濾除0.03～100Hz頻率區(qū)間之外的噪聲信號(hào)，獲得較為純凈的心電模擬信號(hào)，確保心電信號(hào)的準(zhǔn)確、可靠。

圖4　帶通濾波電路

2.5主放大和電平提升電路設(shè)計(jì)

導(dǎo)聯(lián)電極采集的初始心電信號(hào)最高幅值只有1mV，前置放大器對(duì)信號(hào)的放大增益只有10倍左右，無(wú)法達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電平0～3.3V的要求，即需要將前置放大器的輸出信號(hào)再放大100左右才能正常驅(qū)動(dòng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行工作。［8］具體電路設(shè)計(jì)如圖5主放大電路和圖6電平提升電路所示。

圖5　主放大電路

圖6　電平提升電路

主放大電路的運(yùn)放芯片采用OPA2604，當(dāng)輸入信號(hào)從左端進(jìn)入，采用R13和R17可調(diào)電阻來(lái)調(diào)節(jié)放大的增益，使主放大電路輸出信號(hào)電壓在-0.5～1.5V之間，但仍未達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換的電壓要求，需將主放大電路輸出信號(hào)通過(guò)電平提升電路，進(jìn)行電平提升，正常進(jìn)行心電信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

3　心電采集功能測(cè)試

目前臨床采用的心電采集導(dǎo)聯(lián)方式有12種，整體分為三大類(lèi)：標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)、單極肢體導(dǎo)聯(lián)和胸前導(dǎo)聯(lián)。本次功能測(cè)試采用標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)類(lèi)別的標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ導(dǎo)聯(lián)，即導(dǎo)聯(lián)電極貼片正極貼左、右上肢，負(fù)極接右下肢。導(dǎo)聯(lián)電極貼片采集的心電信號(hào)經(jīng)過(guò)心電信號(hào)采集前端放大、濾波預(yù)處理后，將輸出信號(hào)傳入心電信號(hào)處理后端，ARM Cortex-M3處理器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號(hào)處理，并在LCD顯示屏上繪制實(shí)時(shí)心電圖。實(shí)時(shí)心電圖顯示效果如圖7心電圖所示。

圖7　實(shí)時(shí)心電圖

4　結(jié)論

本文基于我國(guó)傳統(tǒng)病發(fā)治療模式向預(yù)防保健治療模式轉(zhuǎn)變的背景下，個(gè)人健康系統(tǒng)建設(shè)的不斷深入，對(duì)人體生理數(shù)據(jù)采集要求和標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，本文針對(duì)人體重要生理指標(biāo)之一，心電數(shù)據(jù)采集過(guò)程中存在的信號(hào)干擾進(jìn)行研究分析，提出采用心電信號(hào)采集前端和心電信號(hào)處理后端相集合的心電數(shù)據(jù)采集方案，引入前置放大電路和右腿驅(qū)動(dòng)電路解決初始心電信號(hào)共模電壓干擾，運(yùn)用帶通濾波電路濾除0.03-100Hz頻率區(qū)間之外的噪聲信號(hào)，獲取有效地心電信號(hào)數(shù)據(jù)，再通過(guò)主放大電路、電平提升電路提高心電信號(hào)電壓增益，使心電信號(hào)電壓符合模數(shù)轉(zhuǎn)換電平要求，最后ARM Cortex-M3處理器對(duì)接收到的數(shù)字化心電數(shù)據(jù)繪制心電圖波形，成功在LCD顯示屏上顯示。

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DOI：10.3969/j.issn.1006-6403.2016.04.016

收稿日期：（2016-01-08）