基于ADAS1000的18導(dǎo)聯(lián)心電儀的設(shè)計

劉鴻石，陳 鑫，張賀，王偉嬌，千承輝

（吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春　130021）

基于ADAS1000的18導(dǎo)聯(lián)心電儀的設(shè)計

劉鴻石，陳 鑫，張賀，王偉嬌，千承輝

（吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春130021）

為了實現(xiàn)同步同時觀察左、右心室正后壁的情況，解決動態(tài)心電圖改變長時間同步監(jiān)測難問題，本文介紹了一種18導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)測系統(tǒng)。心電信號經(jīng)過調(diào)理電路送入心電圖（ECG）模擬前端ADAS1000芯片，MSP430控制器經(jīng)SPI接口實現(xiàn)與心電圖模擬前端的通訊，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，在上位機MATLAB軟件上顯示相應(yīng)的波形?；贏DAS1000的18導(dǎo)聯(lián)心電儀的導(dǎo)聯(lián)功耗不大于15 mW，且導(dǎo)聯(lián)同時工作的功耗不大于100 mW，實現(xiàn)了全天24小時的實時監(jiān)測，以200 Hz的采樣頻率檢測出不同人群，不同情況下的心電信號波形，獲得全面的動態(tài)心電資料且成本低廉，在冠心病、心肌缺血、心律失常診斷中具有一定的實用和市場價值。

18導(dǎo)聯(lián)；心臟?。恍碾娦盘?；ECG模擬前端；SPI接口

心臟作為人體最為重要的一個器官［1］，促進人體的血液循環(huán)［2］，保證人體的正常活動，因此監(jiān)測心臟的健康狀況對人類就顯得至關(guān)重要。心電信號是一種典型的生物電信號，能夠客觀的從多角度、多層面反映心臟的工作狀態(tài)信息，具有一定的實用價值。

早在20世紀60年代，心電儀便由美國物理學家Holter首創(chuàng)。之后在20世紀70年代，由美利堅合眾國引進該技術(shù)到臨床應(yīng)用，并在西方國家普及開來，我國則是在80年代末引入此技術(shù)。近年來，該項技術(shù)已經(jīng)在我國各地進行應(yīng)用，是一種高效、準確的早期心血管疾病檢測方法。但是，由于傳統(tǒng)的心電監(jiān)護儀系統(tǒng)體積大、功耗大、價格高等缺陷，不適合個人使用［3-5］，所以該項技術(shù)未能普及到家庭和個人，具有一定的局限性。目前，市場上常見的心電儀均為12導(dǎo)聯(lián)心電儀，雖然12導(dǎo)聯(lián)動態(tài)心電監(jiān)護儀已經(jīng)很好地解決了心肌前壁、側(cè)壁、下壁和間壁ST波、T波的改變觀察等問題，但想全面觀察心臟心電圖情況，只有能夠同步描記了18導(dǎo)聯(lián)心電圖信號的儀器才能解決此問題。通過運用18導(dǎo)聯(lián)心電圖同步分析，可以有效檢測到常規(guī)十二導(dǎo)聯(lián)難以檢查的左室正后壁和右心室情況，基本解決了動態(tài)心電圖改變的長時間同步監(jiān)測難問題。因此，研究并設(shè)計一臺18導(dǎo)聯(lián)心電儀就顯得非常重要。

1　測量原理

本文介紹的基于ADAS1000的18導(dǎo)聯(lián)心電儀系統(tǒng)主要包括電源穩(wěn)壓模塊、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊和主控制器等幾個部分。

因為心電波形（ECG）主要由P波、T波與 QRS波構(gòu)成［5］且采集到的心電信號比較弱［6］，不同年齡階段的人的心電信號強度不同，同時采集到的心電信號中摻雜著肌電干擾、工頻干擾等。所以，需要搭建信號調(diào)理電路。

心電信號經(jīng)過前端調(diào)理電路對心電信號進行濾波。將經(jīng)過前端處理后的信號，送入心電圖（ECG）模擬前端ADAS1000。該模擬前端芯片可以測量心電信號、起搏信號、導(dǎo)聯(lián)連接/脫落等情況［7］，并且將測得信號以數(shù)據(jù)幀的形式輸出。

MSP430控制器通過SPI接口實現(xiàn)與心電圖模擬前端的通訊，將接收到的心電數(shù)據(jù)（ECG）進行識別、分析處理，最終顯示在MATLAB軟件界面上。

2　硬件模塊設(shè)計

系統(tǒng)主要包括電源穩(wěn)壓模塊、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊和主控制器等幾個部分，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

2.1電源穩(wěn)壓模塊

系統(tǒng)正常工作需要兩個供電電源，分別是3.3 V電源和5 V電源。其中，3.3 V電源給ECG模擬前端供電，5 V給其他模塊供電。

ADI公司生產(chǎn)的小型升壓降壓穩(wěn)壓器ADP2503的輸入電壓范圍為2.3～5.5 V，輸出電壓的范圍為2.8～5 V，該電路提供給ADP2503的輸入信號為4.8～5.3 V，可以做到在線路和負載之間實現(xiàn)無毛刺的模式轉(zhuǎn)換，所以ADP2503輸出為穩(wěn)定的5 V電壓信號，再通過超低噪聲、低壓差線性調(diào)節(jié)器ADP151實現(xiàn)3.3V±5%穩(wěn)壓，為ECG模擬前端供電。

2.2調(diào)理電路

因為采集到的心電信號微弱，且信號還夾雜著由于各種客觀因素引起的噪聲，如：肌電干擾、工頻干擾以及由于電極接觸不良所引起的基線漂移等，因此在將心電信號輸入ECG模擬前端之前要將信號進行濾波處理。

本系統(tǒng)采用無源二階濾波電路。前級濾波電路主要在于濾除高頻干擾信號，而后一級濾波電路主要為了濾除心電信號以外的雜波。

由于心電信號的頻率范圍在150 Hz范圍內(nèi)，所以設(shè)定濾波器的前級濾波電路截止頻率為1.5 MHz，來濾除高頻干擾信號；后級濾波電路截止頻率為150 Hz，以濾除剩余的雜波信號，保留所要采集的心電信號，以此來確保采集的心電信號的準確。

2.3數(shù)據(jù)采集模塊與主控制器

要實現(xiàn)的是18導(dǎo)聯(lián)的心電采集系統(tǒng)設(shè)計，由于心電信號模擬前端是5電極加一個右腿驅(qū)動，18導(dǎo)聯(lián)則需要3個芯片級聯(lián)實現(xiàn)，兩個從芯片與主芯片的區(qū)別在于，從芯片沒有右腿驅(qū)動電路、呼吸信號采集通道及調(diào)理電路，將主芯片的CM_OUT和RLD_SJ管腳分別與兩個從芯片的CM_IN和RLD_SJ管腳連接。利用三片ADAS1000級聯(lián)實現(xiàn)18導(dǎo)聯(lián)采集系統(tǒng)的線路設(shè)計。

18導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)護系統(tǒng)選用低功耗的MSP430F449單片機為主控單元，MSP430F449通過SPI接口與ECG模擬前端進行通信，并通過控制芯片的片選信號進而有序的采集各個通道的心電數(shù)據(jù)。三片級聯(lián)與主控制器的連接框圖如圖2所示。

圖2　ADAS1000級聯(lián)框圖

3　18導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計

18導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)算法設(shè)計分為干擾消除算法和心電信號QRS波識別算法兩部分。

心電信號是一種非常復(fù)雜且弱的生物電信號，信噪比低，采集心電信號時，會受到各種噪聲的干擾，其中最為主要的是工頻干擾和基線漂移干擾。采用平滑濾波能夠有效的消除工頻干擾，基頻干擾則可以采用滑動平均濾波的方法進行處理。此外，QRS復(fù)合波是在心電信號波形中是變化最大的區(qū)域，，QRS波的波形上升、下降斜率在心電信號圖中有著顯著不同，采用差分閾值法可以有效識別出QRS波形。

3.1干擾消除算法

平滑濾波是數(shù)字濾波方法中較早被采用的方法［8］，本系統(tǒng)采用平滑濾波中的算法來消除工頻干擾，用一個特定長度的移動窗口，將窗口的特定點的值用窗口中各點的平均值代替，本文把窗口長度設(shè)為10.算法如公式（1）所示。

其中x（n）為帶有工頻的心電信號，y1（n）為平滑濾波后的心電信號，N是窗長度，N=10。

基線漂移干擾消除是采用滑動平均濾波的算法，滑動平均濾波算法是取窗內(nèi)N個數(shù)據(jù)的平均值，不斷逐個滑動的取M個相鄰數(shù)據(jù)做平均運算，本文將濾除工頻干擾的信號y1再進行滑動平均濾波，以濾除基線漂移干擾。算法如公式（2）所示。

其中y1（n）為帶有基線漂移干擾的平滑濾波后的心電信，y2（n）為濾波后的數(shù)據(jù)，其中，M=200。

3.2差分閾值法

因為QRS復(fù)合波是在心電信號波形中是變化最大的區(qū)域，，因此QRS波的波形上升、下降斜率在心電信號圖中有著顯著不同。R波的上升、下降沿是心電波形的斜率變化最顯著的地方，其中的二階導(dǎo)數(shù)的極值點既是R點位置。對處理后的信號分別進行一階差分和二階差分，所得的兩組新序列與由實驗后得到的閾值Th相結(jié)合，以此判斷QRS波的起點，并且利用幅度閾值與窗口，以此來判斷QRS波的頂點。其算法流程圖如圖3所示。

圖3　差分閾值算法流程

4　測試方法及結(jié)果

由貼在人體的電極引出導(dǎo)聯(lián)，在每一個導(dǎo)聯(lián)上加上一個二階低通濾波器，濾除生物干擾和工頻干擾等干擾信號。然后再送入ECG模擬前端芯片進行處理，ECG模擬前端將送來的信號進行采集、運算和放大。將處理后的數(shù)據(jù)送與MSP430主控制器進行一系列的運算，數(shù)據(jù)將以txt格式被存入SD卡中。截取某時刻一部分心電信號數(shù)據(jù)用MATLAB軟件讀取測試結(jié)果如圖4。

圖4　某時刻心電信號發(fā)生器輸出波形

5　結(jié)　論

近年來，人們對心臟活動狀態(tài)的監(jiān)測越來越重視，針對現(xiàn)存的心電儀的體積龐大、監(jiān)測不全面的缺點，本課題設(shè)計出了18導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)護儀。18導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)護儀完成了多電源穩(wěn)壓電路的設(shè)計、輸入信號的濾波預(yù)處理、多片ECG模擬前端芯片級聯(lián)、SPI通訊接口的設(shè)計，并且利用控制器控制多片ADAS1000實現(xiàn)18導(dǎo)聯(lián)心電信號的數(shù)據(jù)采集和算法處理，實現(xiàn)在人體實測產(chǎn)生的18個導(dǎo)聯(lián)任意一種情況（正常、起搏、呼吸、心律不齊等）下的18導(dǎo)聯(lián)心電信號的監(jiān)測及顯示。我們通過測試結(jié)果的比較分析，查出了病變的部位。這在心電信號監(jiān)測方面具有現(xiàn)實意義。

［1］杜雷雷.高性能心電信號采集模塊的搭建與應(yīng)用驗證［D］.深圳：中國科學院大學深圳先進技術(shù)研究所，2013.

［2］孫文鐸.12導(dǎo)聯(lián)心電信號采集及分析系統(tǒng)的研究［D］.吉林：吉林大學通信與信息系統(tǒng)，2006.

［3］王余濤.基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式心電監(jiān)護系統(tǒng)的研制［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學電子與信息工程學院，2010.

［4］陳京水，李業(yè)勤.基于MSP430動態(tài)心電存儲系統(tǒng)的設(shè)計［J］.中國醫(yī)學裝備，2010，7（8）：12-16.

［5］王大雄.嵌入式便攜心電監(jiān)護儀的功耗降低方法研究［J］.工程設(shè)計學報，2004，11（2）：99-102.

［6］劉麟童，劉玉珍.便攜式心電儀中模擬電路的設(shè)計［J］.微計算機信息，2010，26（5-2）：175-176.

［7］李明駿.醫(yī)療電子在新技術(shù)推動下向多功能方向發(fā)展［J］.集成電路應(yīng)用，2011（4）：16-20.

［8］崔曉琳.12導(dǎo)聯(lián)心電信號同步采集系統(tǒng)［D］.北京：北京交通大學計算機與信息技術(shù)學院，2008.

The design of eighteen leads'electrocardiogram equipment based on ADAS1000

LIU Hong-shi，CHEN Xin，ZHANG He，WANG Wei-jiao，QIAN Cheng-hui
（College of Instrument Science and Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130021，China）

In order to observe the state of the posterior wall in the right and left ventricles in the circumstances of synchronization，and solve the problem that it is difficult to monitor the dynamic electrocardiogram（ECG）changes for a long time and at the same time caused by the ischemia，damage and necrosis in left ventricle back wall and right ventricle myocardium，topic of this paper is to design a eighteen leads'acquisition system for monitoring electrocardiogram changes. ECG signal through conditioning circuit into the electrocardiogram（ECG）ADAS1000 analog front end chip，MSP430 controller with SPI interface and ECG analog front end of communication，and the data were analyzed，the corresponding waveforms are displayed on the PC MATLAB software.18 lead ECG lead power based on ADAS1000 is not more than 15mW，power consumption and lead to work at the same time is not more than 100mW，to achieve real-time monitoring for 24 hours a day，with the sampling frequency of 200 Hz detected in different populations，ECG waveforms under different conditions，obtain the comprehensive dynamic ECG data and low cost，has a certain the utility and market value in coronary heart disease，myocardial ischemia，arrhythmia diagnosis.

eighteen leads；heart disease；ECG signal；ECG analog front end；the SPI interface

TN7

A

1674－6236（2016）06-0012-03

2015-04-27稿件編號：201504284

國家級大學生創(chuàng)新實驗計劃基金項目（2014A65286）；吉林省科技廳科技發(fā)展計劃項目（20100350）

劉鴻石（1963—），男，浙江江山人，高級工程師。研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用，信息安全技術(shù)及應(yīng)用。