基于USB聲卡的便攜式心電檢測裝置的設計

何超文 馮智毅 廣州醫(yī)科大學附屬第三醫(yī)院 醫(yī)療設備科 （廣東 廣州 510150）

心電是反映心臟活動的電勢變化，對診斷心臟功能具有重要參考價值[1,2]。隨著便攜式醫(yī)療設備概念日漸升溫，便攜式心電檢測裝置具有不錯前景。然而，傳統(tǒng)心電檢測裝置存在便攜差、價格貴及擴展差等劣勢，為使用者和科研者帶來各種不便。隨著電子技術的發(fā)展，開發(fā)更多便攜性高、成本低和性能多樣的設備成為可能。

因此，本文提出一種基于USB聲卡的便攜式心電檢測裝置的設計方案，以便攜式計算機作為上位機，利用運放INA128作為信號調(diào)理模塊的核心，結合USB聲卡來完成心電信號的模-數(shù)轉換的數(shù)據(jù)采集的功能，可實現(xiàn)心電檢測的高性能和便攜的要求，具有操作方便及低成本的優(yōu)點。

1.系統(tǒng)框架

本裝置采用模擬和數(shù)字分區(qū)設計，如圖1所示主要由信號調(diào)理模塊、USB聲卡、電源模塊及便攜式計算機等4個部分構成。本裝置以便攜式計算機作為上位機，以聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，通過C#上位機程序控制聲卡實現(xiàn)信號的模-數(shù)轉換，并完成信號顯示及數(shù)據(jù)管理。此外，本裝置把調(diào)理模塊安裝于金屬屏蔽盒中，可減少工頻干擾。

圖1.本檢測裝置結構

2.硬件設計

2.1 USB聲卡

本裝置采用創(chuàng)新公司USB聲卡替代傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡，充分提高便攜性。本聲卡具有96kHz-24bits高精度采樣、USB高速傳輸?shù)忍攸c，利用聲卡LineIn端口完成心電信號模數(shù)轉換。聲卡具有體積小、低功耗及可移植性強等優(yōu)點。

2.2 信號調(diào)理模塊

為更好提取心電信號，從電極引出的心電信號先經(jīng)過信號調(diào)理模塊后，傳至聲卡LineIn 1端口完成模數(shù)轉換。本模塊電路如圖2所示，由前置放大電路、濾波電路、右腿驅動電路及后級放大電路構成。根據(jù)心電檢測的技術參數(shù)，本模塊實現(xiàn)了約800倍放大、0.05～100Hz帶通和50Hz陷波濾波，從而提高心電信噪比。

圖2.信號調(diào)理模塊電路

（1）前置放大電路

由于心電強度微弱，常淹沒在強噪聲中。本電路以運放INA128為前置放大主芯片，其具高輸入阻抗1010Ω，高共模抑制比高達130dB及低噪聲等優(yōu)點[3]。如圖2左上所示，記錄電極ACT和參考電極REF分別連接INA128的差分輸入端，心電先經(jīng)過預處理電路，利用二極管實現(xiàn)限幅鉗位保護，并用R-C實現(xiàn)采集抗混疊和消除高頻噪聲。信號預處理后至INA128放大，由芯片增益公式G=1+50 kΩ/RG，RG為兩個3.3 kΩ精密電阻串聯(lián)，增益約為8倍。

（2）右腿驅動電路

電生理信號采集常用右腿驅動技術減少人體共模信號，提高共模抑制比[4,5]。如圖2左下所示，用電阻搭建的平均網(wǎng)絡把人體共模電壓引出后，經(jīng)由運放OPA227組成的反向跟隨器和電極RLD反饋到人體中，形成共模電壓負反饋，從而減弱電極上共模電壓輸入[4,5]，提高共模抑制比。

（3）濾波電路

心電信號混有各種噪聲需被濾除，根據(jù)心電信號有效頻率為0.05～100Hz[6]，本電路用三片CMRR）構建陷波和帶通濾波[7]。通過設置運放外圍電阻電容參數(shù)，如圖3中間所示，實現(xiàn)0.05～100Hz帶通和50Hz陷波的濾波，有效濾除噪聲，更好提取心電。

（4）后級放大電路

本電路采用運放OPA227實現(xiàn)同相放大約100倍和100Hz的R-C低通濾波。結合前置放大，實現(xiàn)總放大約800倍，幅毫伏級幅度心電調(diào)理為伏特級，達到聲卡A/D轉換的較優(yōu)信號強度水平，使心電模數(shù)轉換后的數(shù)據(jù)數(shù)字量能更好地進行數(shù)字信號處理。

圖3.Visual C#上位機界面

2.3 便攜式計算機

便攜式計算機作為上位機，通過內(nèi)設的C#上位機程序控制USB聲卡，實現(xiàn)上下位機的數(shù)據(jù)傳輸、心電檢測顯示及數(shù)據(jù)管理功能。

2.4 電源電路

本電路采用計算機USB接口（5V、500mA）供電，滿足調(diào)理模塊的低功耗要求。本電路利用隔離芯片DCR010505、電壓芯片LP2989和TPS60403，輸出調(diào)理模塊所需的±5V。這種設計可避免干電池使用時間短、電壓轉換及充電的電路龐大問題，并可減少工頻噪聲干擾。

3.軟件設計

本裝置選用Visual C#作為編程平臺，采用多線程技術實現(xiàn)對USB聲卡的控制，實現(xiàn)信號采集顯示及數(shù)據(jù)管理。上位機界面如圖3所示，從功能看主要分為心電記錄及數(shù)據(jù)存儲兩個部分。

3.1 信號記錄模塊

本模塊負責完成上位機與聲卡間通訊，因兩者間需頻繁進行數(shù)據(jù)傳輸，則將微軟公司提供的DirectSound底層函數(shù)重新封裝為Record采集函數(shù)，結合USB高速傳輸，有效地接收聲卡所采集的心電數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)管理模塊

本模塊負責受試者信息建檔，可保存?zhèn)€人信息、記錄時間、檢測波形和原始心電數(shù)據(jù)，并可打印相關數(shù)據(jù)。

4.裝置測試

旨在驗證本裝置功能的可靠性，本文設計了一個三導聯(lián)心電信號記錄測試，按常規(guī)檢測步驟，電極ACT接LF，電極REF接RA，電極RLD接右腿。本裝置可在上位機中以txt文件存儲所采集的原始心電數(shù)據(jù)，方便離線分析。對通過本裝置所存儲的心電數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件作離線數(shù)據(jù)處理，用plot工具畫出心電波形，如圖4所示。由圖可見心電信號的主要成分波形，可證本裝置能基本完成心電信號的采集和存儲。

圖4.利用Matlab軟件繪制的原始心電波形

5.結論

本文所述的一種基于USB聲卡的便攜式心電檢測裝置，利用C#編程控制USB聲卡完成心電信號的數(shù)據(jù)采集，可靠地檢測心電信號。經(jīng)測試證明，本裝置既滿足心電檢測要求，又具有低成本、便攜性及低功耗的特點，為臨床使用和基礎科研提供一種操作便利的心電檢測裝置。

[1]關世平,許建萍,房鳳英,等.240例室性早搏的心電圖臨床意義及分析[J].中國初級衛(wèi)生保健,1995,6(12):47.

[2]NORRIS R M.Circumstances of out of hospital cardiac arrest in patients with ischaemic heart disease[J].Heart,2005,91(10):1537-1540.

[3]Texas Instruments.INA128 Data Sheet.January,2018.

[4]朱大緩,郭育華,汪公社.便攜式心電檢測放大電路設計[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2008,29(5)21-23.

[5]鄒波,柴繼紅.基于ARM處理器的心電血壓監(jiān)護儀的研制[J].醫(yī)療裝備,2005,18 (1):7-10.

[6]宋艷濤,朱彩兵,魏蘭蘭.高通濾波電路對心電波形ST段精確測量的影響研究[J].中國醫(yī)療器械雜志,2013,37(5):319-321.

[7]Texas Instruments.OPA227 Data Sheet.June, 2015.