一種家用便攜式心電監(jiān)測儀的設(shè)計

丁有得，王倩，劉洋，鞏萍萍，佘錦雄

廣州醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系 (廣東廣州 511436)

心電信號可以在一定程度上反映人體的健康狀況。傳統(tǒng)心電監(jiān)測儀通常體積較大，使用費用高昂，只適用于醫(yī)院等大型醫(yī)療機構(gòu)。隨著生活水平的提高，人們對生命質(zhì)量的要求越來越高，實時關(guān)注個體健康狀態(tài)已經(jīng)成為日常需求。因此，設(shè)計研發(fā)一種便攜式、低功耗的心電監(jiān)測設(shè)備非常必要。

1 心電信號的特點及監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 心電信號的特點

心電是一種微弱的醫(yī)學(xué)生理信號，通常有較大的隨機性，很難通過某種確定的函數(shù)進(jìn)行描述。心電信號大多通過統(tǒng)計的方法進(jìn)行研究，其需要依靠眾多測量得到的結(jié)果尋找規(guī)律。心電等級通常為mV級，正常心電信號有95%以上的能量位于0.05～100 Hz，在存在干擾的境況下，大多有用的信號將被各種干擾信號所覆蓋[1-2]。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

心電信號來自于人體表面，其頻率較低，屬于微弱雙極性信號。電極產(chǎn)生的噪聲、工頻之間的干擾及肌電和呼吸波信號等都可能對其造成干擾，因此，進(jìn)行心電信號監(jiān)測時必須放大電路，監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備高增益、高輸入阻抗及高共模抑制比。而便攜式心電監(jiān)測儀，應(yīng)在保證監(jiān)測準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上盡量減小體積，并考慮低功耗設(shè)計、直流電源供電等。另外考慮到移動終端設(shè)備的普及，開發(fā)藍(lán)牙無線等無線通信傳輸接口，便于移動終端使用APP等查看監(jiān)測心電情況及在移動端APP等軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1便攜式心電監(jiān)測儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 便攜式心電監(jiān)測儀的設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用美國TI公司的16位超低功耗單片機MSP430FG439芯片，其采用低功耗設(shè)計，16位精簡指令集，1.8～3.6 V的供電電壓，指令周期為125 ns，在2.2 V電壓時，1 MHz晶振系統(tǒng)工作電流為225 μA。在硬件架構(gòu)上，提供了5種低功耗模式，可最大限度延長手持設(shè)備的電池壽命。該芯片外圍模擬電路十分豐富，因此非常適合于微型化、低功耗的產(chǎn)品設(shè)計。外圍電路主要包括前置放大電路(圖2)、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD驅(qū)動電路及無線通信模塊驅(qū)動電路。在前置放大電路中，首先通過2個運算放大器進(jìn)行緩沖，然后經(jīng)差分前置放大器放大7～10倍后又由二、三級電路放大及自動增益調(diào)節(jié)設(shè)置，使信號放大100～2 000倍。無線通信模塊主要采用NRF24L01+藍(lán)牙，傳輸速率高，功耗低，LCD采用128×64的點陣液晶模塊[3-4]。

圖2心電信號放大電路

心電信號有95%以上的能量集中于0.05～100 Hz，因此，必須通過濾波器過濾掉其他頻率的外因干擾。濾波器選擇常用的二階巴特沃茲低通濾波器，截止頻率設(shè)置為20 Hz。另外在眾多干擾因素中，50 Hz的工頻干擾對心電信號采集干擾最大，必須專門設(shè)計工頻干擾的陷波器。圖3是利用Matlab對設(shè)計的陷波器對工頻干擾進(jìn)行的濾波仿真。結(jié)果顯示，50 Hz工頻干擾信號受到了很好的抑制，符合設(shè)計預(yù)期要求。

圖3濾波效果對比

2.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要依托模塊化設(shè)計思路。系統(tǒng)程序流程見圖4。在此系統(tǒng)中，其涉及的模塊步驟主要有初始化與自學(xué)習(xí)、濾波處理、心律失常檢測、文件系統(tǒng)及波形顯示等。心電信號監(jiān)測系統(tǒng)接通電源后，首先進(jìn)入初始化，在此狀態(tài)下信號采集模塊還未開始工作。在管理界面中，用戶可以進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置與管理。當(dāng)進(jìn)行心電采集時，再打開采集模塊電路開關(guān)，這種方式可以減少系統(tǒng)產(chǎn)生的功耗。用戶在心電檢測啟動5～10 s時應(yīng)快速完成自學(xué)習(xí)，從而快速提取心率、R波幅值及RR間期變化等心電參數(shù)信息。

圖4系統(tǒng)程序流程

3 系統(tǒng)調(diào)試與仿真

完成信號采集工作后，系統(tǒng)先對信號進(jìn)行預(yù)處理，再通過計算差分閾值的極值點，找到心電信號中的特征點。硬件系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)在Matlab中結(jié)果顯示見圖5。從圖中可以看出，該系統(tǒng)降噪效果明顯，實驗結(jié)果可靠。

圖5心電信號實測

4 便攜式心電監(jiān)測儀與傳統(tǒng)心電監(jiān)測儀比較

傳統(tǒng)的心電監(jiān)測儀主要通過醫(yī)療機構(gòu)進(jìn)行心電檢查，因此在患者面臨突發(fā)病癥時，很難獲得及時、有效監(jiān)測。而家用便攜式心電監(jiān)測儀則具有很強的時效性，由于其輕小便捷，突發(fā)或頻發(fā)疾病的患者可隨身攜帶，實現(xiàn)了及時對健康狀況進(jìn)行監(jiān)測。

5 結(jié)論

我們設(shè)計的家用便攜式心電監(jiān)測儀輕小、便捷，能夠有效幫助人們及時監(jiān)測自己的心電變化，掌握健康狀況。該研究設(shè)計方案對未來家用新型便攜式、微型化、低功耗醫(yī)療設(shè)備研發(fā)具有一定的參考價值。