基于ADS1298的便攜式心電采集卡的設(shè)計

何超文，馮智毅

廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院 醫(yī)療設(shè)備科，廣東 廣州 510150

引言

心電圖（Electrocardiogram，ECG）是反映心臟興奮的電活動過程，它對心臟基本功能及其病理研究方面，具有重要的診斷參考價值[1-3]。在臨床上，可輔助醫(yī)生做出準(zhǔn)確的診斷，比如診斷心率失常、心肌缺血、心肌炎及心包炎等[1-3]。隨著移動式醫(yī)療設(shè)備概念日漸升溫，便攜式設(shè)計是設(shè)備開發(fā)的一個新熱點。由此可見，便攜式心電檢測設(shè)備顯得尤為關(guān)鍵和具有市場發(fā)展前景。然而，目前的傳統(tǒng)心電檢測設(shè)備存在體積較大、便攜性差、價格昂貴、封閉式設(shè)計及擴(kuò)展性差等劣勢，不利于心電檢測的功能擴(kuò)展和基礎(chǔ)研究，為臨床使用者和科研學(xué)者帶來各種不便。隨著電子和計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，開發(fā)出更多便攜性高、使用靈活、成本低和性能多樣的設(shè)備成為可能，例如流動性體檢、家庭心電檢測跟蹤、遠(yuǎn)程心電診斷檢測等[4-5]。這類設(shè)備的特點是以ECG提取為核心，輔以特定功能需求的外圍設(shè)備，實現(xiàn)各類使用需求的衍生式設(shè)備。這類設(shè)備核心在于一個性能優(yōu)異及擴(kuò)展性高的心電采集模塊，并在外設(shè)電路設(shè)計方面做針對性考慮，可提升設(shè)備的設(shè)計效率。

針對上述需求，本文設(shè)計一種心電檢測的核心采集卡，可作為各類心電檢測特定需求的基礎(chǔ)平臺。該采集卡是選用單片機(jī)STM32作為主控，搭配醫(yī)療模擬前端芯片ADS1298構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集器，完成人體心電信號的數(shù)據(jù)采集。同時，本文以該采集卡完成一個心電采集測試，結(jié)果表明本采集卡可完成心電信號的采集與存儲，并具備便攜性高、低成本、使用方便及擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點。

1 心電采集卡框架

本文的心電采集卡采用模擬信號和數(shù)字信號分區(qū)混合設(shè)計方案[6]，其結(jié)構(gòu)框架框如圖1所示。心電采集卡主要由隔離電源、SD卡、單片機(jī)STM32和數(shù)據(jù)采集器組成，實現(xiàn)心電信號采集及存儲一體化和小型化。其中，信號通路主要是：電極所采集人體心電信號傳輸至數(shù)據(jù)采集器中完成信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并存儲于SD卡中。功能豐富的STM32可搭配不同特定功能需求的外圍設(shè)備，實現(xiàn)各樣衍生式心電檢測設(shè)備。

圖1 心電采集卡設(shè)計結(jié)構(gòu)框架

2 采集卡硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)控制器

單片機(jī)控制器選用市場上一款以意法半導(dǎo)體ST公司的STM32F103ZET6作為主控制器的最簡核心板，其基于Cortex-M3內(nèi)核的32位高速ARM微處理器，系統(tǒng)工作頻率高達(dá)72 MHz，內(nèi)置flash 512 KB和SRAM 64 KB，可存儲程度復(fù)雜的程序代碼和建立數(shù)據(jù)緩存空間[7-8]。其具有豐富的總線接口，如SPI、I2C、SDIO和USART等，可用于控制數(shù)據(jù)采集器和讀寫SD卡[8]。同時，STM32F103主控的數(shù)據(jù)總線及功能接口豐富，可搭配各種特定功能需要的外圍設(shè)備，可衍生出不同使用目的的心電采集設(shè)備。

2.2 數(shù)據(jù)采集器

為了更好地提取出心電信號和保護(hù)人體，本采集卡的數(shù)據(jù)采集器由預(yù)處理電路和醫(yī)療級模擬前端芯片ADS1298電路構(gòu)成。從電極引出的心電信號先經(jīng)過預(yù)處理電路調(diào)理后，再傳入ADS1298電路進(jìn)行信號放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換。

2.2.1 預(yù)處理電路

預(yù)處理電路圖如圖2所示，本數(shù)據(jù)采集器的所有通道均接有預(yù)處理電路，此電路由一階無源低通濾波和限幅電路組成，由RC元件組成100 Hz截止頻率的低通濾波[9-10]，用于實現(xiàn)信號采集的抗混疊和消除電路的高頻噪聲；限幅電路利用二極管單向?qū)ㄌ匦?，實現(xiàn)鉗位保護(hù)效果，防止電路的過高電壓對人造成傷害。

圖2 預(yù)處理電路

2.2.2 醫(yī)療模擬信號前端芯片

本數(shù)據(jù)采集器的主要功能由TI公司的醫(yī)療模擬前端芯片ADS1298實現(xiàn)，該芯片專為心電生理信號采集設(shè)計的，其特點是八通道，4 μVpp低噪聲，32 kHz高采樣率，24倍可編程增益PGA，115 dB高共模抑制比、低功耗0.5 mW/通道、內(nèi)置基準(zhǔn)電壓以及振蕩器等[11]。芯片內(nèi)部集成有醫(yī)療心電采集應(yīng)用所需的全部常規(guī)功能，如右腿驅(qū)動、電極掉落檢測和威爾遜中心終端等[11-15]。此外，該芯片集成SPI通信接口，傳輸速度高達(dá)4 MB/s，可實時準(zhǔn)確地傳送所采集的心電數(shù)據(jù)。SPI接口是一種高速的、全雙工及同步的通信總線，只占四根線，可節(jié)約管腳和使電路設(shè)計簡單。由于芯片ADS1298具有高度集成特性以及性能優(yōu)良，可簡化電路復(fù)雜度，減少PCB布局空間，提高心電采集卡的便攜性、穩(wěn)定性和抗干擾性。

本數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用電路如圖3所示，設(shè)計為數(shù)字時鐘采用芯片內(nèi)置時鐘振蕩器，參考電壓采用外部提供的+2.5 V及±2.5 V雙電源供電模式，采集器的模擬地和數(shù)字地經(jīng)零電阻接通，啟用內(nèi)置右腿驅(qū)動反饋至電極RLD，可抑制共模信號干擾[15-18]。芯片SPI的四引腳/CS、SCLK、DOUT、DIN和數(shù)據(jù)完成信號腳/DRDY分別接STM32的PC5、PA5、PA6、PA7、PC4引腳，可將心電數(shù)據(jù)有效快速傳輸至STM32中。

圖3 ADS1298功能簡化架構(gòu)

2.3 供電電源部分

結(jié)合本心電采集卡的便攜式開發(fā)目標(biāo)，采集卡的供電方式采取干電池供電。本電源部分結(jié)構(gòu)如圖4所示。干電池組的輸出電壓VCC先經(jīng)過DC-DC電源隔離芯片DCR010505再進(jìn)入之后的各電源芯片中[19]。其中，利用線性穩(wěn)壓芯片TPS73625和反向電荷泵芯片TPS60403對輸入電壓VCC進(jìn)行變換，為本采集卡提供±2.5 V模擬電壓AVDD/AVSS；利用電壓芯片REF3313可把輸入電壓降為+3.3 V，為本采集卡提供+3.3 V數(shù)字電壓DVDD。本干電池組由四節(jié)1.2 V、1300 mAh的鎳氫電池串聯(lián)提供，經(jīng)各芯片數(shù)據(jù)手冊理論計算可續(xù)航大約20 h。

此外，一個穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓是A/D高精度轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，因此本采集卡的基準(zhǔn)電壓由芯片REF5025和OPA350組成。電源芯片REF5025具有高精度0.05%、低溫漂3 ppm/℃的優(yōu)點，運放OPA350作用是緩沖基準(zhǔn)電壓，為A/D轉(zhuǎn)換提供一個高性能的+2.5 V參考電壓Vref。

圖4 供電電源框架

2.4 數(shù)據(jù)存儲器

本采集卡內(nèi)有一塊金士頓8 GB的SD記憶卡，其負(fù)責(zé)存儲所采集的心電信號原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集器所記錄的心電數(shù)據(jù)為24 bit格式，估計其可存儲約16 h長度的心電數(shù)據(jù)。本采集卡的STM32主控通過SDIO總線與SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫通信，讀寫速度高達(dá)18 MB/s。STM32內(nèi)核通過FATFS文件系統(tǒng)管理SD卡的讀寫數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)讀寫程序變得更加簡便規(guī)范[20]。

3 采集卡軟件設(shè)計

3.1 采集卡固化程序

本采集卡中SMT32固化程序采用Keil軟件作為開發(fā)環(huán)境，包括數(shù)據(jù)采集模塊、按鍵模塊、主控模塊及SD卡讀寫模塊。固化程序通過燒錄器下載至STM32中，斷電后重新上電也即可正常工作。其中，數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)通過STM32對芯片ADS1298進(jìn)行初始化、控制采集及數(shù)據(jù)調(diào)取的任務(wù)；按鍵模塊負(fù)責(zé)人機(jī)交互的選擇作用；主控模塊負(fù)責(zé)調(diào)度各子模塊間有條不紊的配合工作；SD卡模塊負(fù)責(zé)存儲心電信號原始數(shù)據(jù)，用作離線分析。

3.2 采集卡工作流程

本采集卡的工作流程如圖5所示，步驟為：①采集卡上電后，首先初始化采集卡所有系統(tǒng)參數(shù)；②啟動采集卡的外圍設(shè)備自檢，并初始化數(shù)據(jù)采集器，紅燈1亮，提示操作人可準(zhǔn)備開始心電記錄；③檢測開始按鍵是否按下，若是則燈2亮和燈1滅，數(shù)據(jù)采集器ADS1298開始采集人體心電數(shù)據(jù)，在STM32中斷進(jìn)程讀出數(shù)據(jù)；④單片機(jī)STM32將數(shù)據(jù)采集器ADS1298所采集的心電原始數(shù)據(jù)存儲于SD卡中，或傳輸至外圍設(shè)備中；⑤檢測停止按鍵是否按下，若沒有按下，則循環(huán)進(jìn)行步驟②、③和④；反之，則燈2滅燈1亮，指示心電信號采集結(jié)束。

4 采集卡測試

旨在驗證本心電采集卡所采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果的正確性、可靠性和穩(wěn)定性，對本采集卡進(jìn)行了準(zhǔn)確性及穩(wěn)定可重復(fù)性的驗證。本文設(shè)計了一個三導(dǎo)聯(lián)的心電信號采集測試，如圖6所示，數(shù)據(jù)采集器的通道正輸入端接左手，負(fù)輸入端接右手，右腿電路輸出端接右腿，。電極安置、測試操作和參數(shù)等均按常規(guī)ECG記錄要求[21]。

圖5 采集卡的工作流程

圖6 本采集卡實物及實際應(yīng)用

本采集卡在內(nèi)設(shè)的Micro SD卡中新建了一個ecg.txt文本文檔，用于存儲所采集的心電信號原始數(shù)據(jù)，如圖7所示，方便日后隨時離線分析研究數(shù)據(jù)。

對通過本采集卡所采集并存儲于SD卡內(nèi)的心電數(shù)據(jù)，利用軟件Matlab作離線數(shù)據(jù)處理，用plot工具重新畫出心電信號波形，如圖8a所示。由圖8a中可見，所采集的原始心電數(shù)據(jù)除了有心電信號基本成分，還混雜著工頻干擾等噪聲。如圖8b為經(jīng)過Matlab軟件的50 Hz陷波數(shù)字濾波處理后的心電信號波形，清晰可見心電信號基本成分波形，由此可得本心電采集卡能基本完成心電信號的采集和存儲。

圖7 存儲于SD卡的心電原始數(shù)據(jù)

圖8 同組數(shù)據(jù)的原始心電波形與50 Hz陷波處理后的心電波形對比

5 結(jié)論與展望

本文所提出的基于ADS1298的便攜式心電采集卡，選用單片機(jī)STM32作為主控，搭配醫(yī)療模擬前端芯片ADS1298構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集器，完成人體心電信的數(shù)據(jù)采集。以此采集卡為核心，輔以特定功能需求的外圍設(shè)備并通過合適的傳輸技術(shù)，可搭建各類衍生式心電檢測設(shè)備。經(jīng)測試結(jié)果表明，本心電采集卡不但滿足心電信號記錄的要求，并且具有便攜式高、低功耗、低成本、低噪聲及抗干擾強(qiáng)的特點。未來，本文可針對不同的特定使用目的，輔以不同功能的外圍設(shè)備，嘗試開發(fā)出各類心電檢測平臺，并考慮可于STM32中增加更多數(shù)字濾波處理，保證所采集的心電信號質(zhì)量，可提高采集成功性。