便攜式心電記錄儀的開發(fā)與研究

王碩 秦川 馬攀

摘 要：本文圍繞心電信號(hào)采集技術(shù)這一主要問題，簡(jiǎn)要闡述了四代心電記錄設(shè)備的發(fā)展歷程，在以S3C2410芯片為核心的嵌入式芯片基礎(chǔ)上，主要從硬件方面分析了便攜式心電記錄儀的信號(hào)采集思路，提供了一種較為傳統(tǒng)的、結(jié)合了操作系統(tǒng)的電子心電記錄儀，是當(dāng)前較為成熟、常用的醫(yī)療技術(shù)之一。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng);心電記錄儀;電子

一、心電記錄儀系統(tǒng)要求

心電信號(hào)是人類最早研究并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)與臨床的生物電信號(hào)之一，對(duì)于心臟病患者發(fā)病時(shí)間不固定、病情具有長(zhǎng)久性的特點(diǎn)，一種便攜式的心電記錄儀提供的心電信息記錄具有重要的醫(yī)學(xué)價(jià)值，長(zhǎng)時(shí)間的心電記錄能記錄到普通心電圖檢測(cè)時(shí)患者不易出現(xiàn)的短暫異常心電活動(dòng)，為病情分析提供重要依據(jù);因此，心電信號(hào)檢測(cè)設(shè)備的可穿戴、便攜性能成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)衡量心電記錄設(shè)備的重要指標(biāo)。隨著大規(guī)模集成電路和微處理器的出現(xiàn)，目前的心電監(jiān)護(hù)儀已經(jīng)能監(jiān)測(cè)數(shù)十種參數(shù)。鑒于心電信號(hào)的難識(shí)別性以及心電監(jiān)護(hù)相關(guān)操作的專業(yè)性，以下將討論一種新型便攜式心電記錄儀的系統(tǒng)開發(fā)需求。

便攜式心電記錄儀系統(tǒng)集中了數(shù)據(jù)傳感、模擬信號(hào)/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、心電波形顯示，同時(shí)具備軟硬件同時(shí)輕量級(jí)、電池續(xù)航持久等性能優(yōu)勢(shì)，對(duì)儀器外形、芯片開發(fā)、代碼優(yōu)化提出新的要求。本文主要介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成和實(shí)現(xiàn)途徑、心電信號(hào)的處理特點(diǎn)，底層和軟件的開發(fā)會(huì)相對(duì)較少。

外觀界面由LCD顯示器、方向控制鍵、記錄、回放、菜單、刪除、停止按鍵組成，顯示器用來顯示心電波形和時(shí)間信息，記錄和回放功能用于存儲(chǔ)和回溯某個(gè)特定時(shí)間段內(nèi)的心電信號(hào)信息，刪除按鍵用于刪除一定時(shí)間內(nèi)的一段記錄，菜單激活系統(tǒng)主菜單，方向鍵控制菜單選擇。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從信號(hào)流動(dòng)與存儲(chǔ)的輸入輸出時(shí)序出發(fā)，保留必要的硬件結(jié)構(gòu)，在軟件結(jié)構(gòu)開發(fā)時(shí)，可轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)單的數(shù)字量控制思路，通過軟件平臺(tái)（嵌入式操作系統(tǒng)，如μC/OS-II）來實(shí)現(xiàn)各種人機(jī)交互和數(shù)據(jù)樣本的顯示和壓縮，安裝各種驅(qū)動(dòng)、開發(fā)各個(gè)任務(wù)的應(yīng)用程序。

硬件結(jié)構(gòu)由處理器核——A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部總線心電傳感器、外部時(shí)鐘、電池監(jiān)測(cè)、顯示器——顯示控制器、鍵盤、ROM、RAM、系統(tǒng)總線、蜂鳴器組成。整個(gè)系統(tǒng)的硬件圍繞S3C2410芯片的外圍組件，任務(wù)啟動(dòng)由鍵盤輸入命令行，顯示器作為命令和執(zhí)行結(jié)果的顯示部分，可輸出數(shù)字化圖像、心電波形圖、主菜單等功能信息;RTC控制整個(gè)系統(tǒng)的功能計(jì)時(shí)和時(shí)間控制。

三、心電信號(hào)的特征與拾取

心電（electrocardiogram，ECG）監(jiān)護(hù)是實(shí)現(xiàn)心血管疾病早期檢測(cè)的有效手段，醫(yī)生根據(jù)所記錄的心電圖波形的形態(tài)、波幅大小以及各波之間的相對(duì)時(shí)間關(guān)系，再與正常心電圖相比較，便能診斷出心臟疾病。心臟周圍的液體具有導(dǎo)電性，心肌細(xì)胞電位變化的綜合可以通過這些導(dǎo)電的細(xì)胞集中反映到人體體表，受身體各部分組織不同、與心臟距離各不相同的影響，人體各部位產(chǎn)生的微小電流大小有所不同，心臟活動(dòng)過程中，起搏點(diǎn)、心房、心室相繼活動(dòng)擴(kuò)張，產(chǎn)生生物電信號(hào)的變化，這就是我們常說的心電信號(hào)。人體心電信號(hào)是非常微弱的生理低頻電信號(hào)，通常最大的幅值不超過5mV，信號(hào)頻率在0.05～100Hz之間。

心電設(shè)備從最初的心電圖機(jī)到目前方興未艾的穿戴式心電，大致經(jīng)歷了4代變化，分別是第一代：心電圖機(jī);第二代：心電Holter;第三代：心電手機(jī);第四代：心電智能衣。心電圖機(jī)一般采用差動(dòng)式放大電路，利用心臟運(yùn)動(dòng)電流的電壓滯留現(xiàn)象采集心電信號(hào)并進(jìn)行放大和顯示;動(dòng)態(tài)心電圖（Holter監(jiān)測(cè)）是一種可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)記錄并編集分析心臟在活動(dòng)和安靜狀態(tài)下心電圖變化的方法，相比一代的心電圖機(jī)單次只能做十幾次的心電活動(dòng)監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)心電圖對(duì)患者的限制更少，而能達(dá)到更好的臨床效果，由患者隨身攜帶，更能客觀地判斷出患者一天當(dāng)中真實(shí)的心率情況并進(jìn)行臨床診斷，目前動(dòng)態(tài)心電圖成本較低，臨床效果好，應(yīng)用相對(duì)廣泛，本文中主要介紹的就是一種基于操作系統(tǒng)的便攜式心電記錄儀的開發(fā)和背景。心電手機(jī)是通過藍(lán)牙協(xié)議與SPI通訊，在TI公司開發(fā)設(shè)計(jì)的ADS1298芯片基礎(chǔ)上采集心電信息，并具備了與心電Holter相仿的波形繪制、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)的前提下，更好地應(yīng)用了安卓軟件設(shè)計(jì)。目前智能心電穿戴設(shè)備普遍采用Ag/AgCl濕性電極，價(jià)格便宜，通過導(dǎo)電膏與皮膚接觸良好，可獲取穩(wěn)定的信號(hào)波形，AliveCor公司、蘋果公司目前的穿戴式心電設(shè)備試驗(yàn)大多處于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，其應(yīng)用價(jià)值還需要大量臨床實(shí)驗(yàn)。

正常的心電信號(hào)為微弱的電壓信號(hào)，其計(jì)量單位為毫伏，因此需設(shè)放大電路放大信號(hào)、濾波電路濾除噪聲，在A/D轉(zhuǎn)換電路之前，兩級(jí)放大電路放大倍數(shù)1000左右，放大后心電信號(hào)單位級(jí)別達(dá)到伏級(jí)，一級(jí)信號(hào)放大器采用AD620芯片，放大倍數(shù)為8，一級(jí)高通濾波器除直流分量，二階有源低通濾波器完成低通濾波，并兼具放大功能;信號(hào)放大電路核心芯片選用TL064，通過調(diào)節(jié)電位器使放大倍數(shù)大約達(dá)到125倍，放大并濾波后的信號(hào)輸出AECG連接到S3C2410芯片的AIN7輸入引腳上（A/D轉(zhuǎn)換輸入引腳之一），實(shí)現(xiàn)了心電信號(hào)的采集。

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