便攜式家庭心電檢測診斷儀的研制

1、引言

隨著人民生活水平的提高以及社會老齡化程度的加深，心腦血管疾病的發(fā)病率呈上升趨勢，已成為威脅人類身體健康的殺手之一。因?yàn)樾呐K病的發(fā)作具有突發(fā)性和隨機(jī)性，為患者提供普及性心電圖機(jī)以成為發(fā)展的必然趨勢。隨著電子科技的不斷發(fā)展，生命科學(xué)和信息科學(xué)的結(jié)合越來越緊密，許多研究人員都投身于人類的健康事業(yè)發(fā)展中。Holter的出現(xiàn)，使心電圖機(jī)進(jìn)入家庭變成了可能，但基于心電工作站的模式，使個別地區(qū)的患者因醫(yī)院分析診斷系統(tǒng)的不健全，而變得不適用[1]；基于嵌入式及DSP的心電監(jiān)護(hù)儀功能強(qiáng)大，但又因芯片價格的高昂而有悖于我國基本國情，不利于家庭的普及[2]。因此，一種性能優(yōu)良，帶有自動檢測診斷功能，而又符合我國人均收入水平不高這一國情的心電圖機(jī)的研制顯得尤其重要。基于這一目的，我們已經(jīng)研制了基于80C196KB單片機(jī)的家庭便攜式心電監(jiān)測診斷機(jī)，該機(jī)器可以對病人進(jìn)行心電信號的實(shí)時采集和分析，并通過液晶實(shí)時顯示出來，檢測診斷使得機(jī)器更容易在一般家庭中普及；對于有經(jīng)驗(yàn)的患者，機(jī)器還可以在凍結(jié)波形后，對波形實(shí)際測量，可以準(zhǔn)確地了解心電波形異常的嚴(yán)重程度，從而為患者提供了更多有用的信息。

2、心電檢測診斷儀的系統(tǒng)設(shè)計

眾所周知，心電信號是一種非常弱且頻率較低的信號[3]，一般幅值在0.05～4mV，頻率在0.05～100Hz。在檢測過程中，電極與人體間的極化電壓、50Hz工頻干擾、儀器內(nèi)部噪聲和環(huán)境電磁場的干擾對心電信號造成很大的干擾，給信號的完整、不失真的采集帶來了很大的困難。為此，我們在進(jìn)行模擬電路設(shè)計的時候，充分考慮到干擾問題，采用了功耗低、精度高、電源抑制比很高的放大器，從信號的采集和傳輸、濾波處理過程中，盡可能避免外界干擾和電源干擾。由于我們所設(shè)計的心電圖機(jī)適用于家庭使用，心電波形則利用LCD直接顯示，其中還包括心率，時間等相應(yīng)參數(shù)，并在異常波形處自動報警，凍結(jié)波形，如果需要，還可以回放從這一時刻起前80s內(nèi)的波形，以方便使用者自己進(jìn)行波形的測量和記錄。

2.1 系統(tǒng)硬件電路

出于電路功耗和成本考慮，系統(tǒng)采用單電源+5V供電，整個系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

2.1.1 模擬部分電路

由于只有單電源供電，模擬部分取2.5V為虛地。信號通過前置放大、高通及低通濾波、50Hz濾波，主放大、右腿驅(qū)動以及QRS波檢出器。電路中的放大器均采用AD公司生產(chǎn)的芯片，以保證機(jī)器的穩(wěn)定性和高性能。在前置放大電路中，采用了儀表放大器AD627A，除了在功耗方面表現(xiàn)突出，在性能方面也滿足了監(jiān)測的需要，同時為信號提供了20倍的放大。在濾波電路中，采用運(yùn)算放大器OP491構(gòu)成截至頻率為0.05Hz的一階高通濾波器和截至頻率為100Hz二階低通濾波器。50Hz工頻濾波沒有采用傳統(tǒng)典型的對稱性雙T阻容有源陷波器，而是采用了一種新型有源陷波器設(shè)計[4]。該濾波器利用兩個電位器可分別調(diào)整中心頻率和品質(zhì)因數(shù)，同時降低了對元器件的要求，且能達(dá)到高精度的陷波效果，極大地方便了我們對電路的調(diào)試。該原理圖如圖２所示。QRS波檢出器包括帶通濾波器、全波整波電路、峰值檢測器和比較器構(gòu)成[5]。第一級是一個中心頻率為17Hz，Q值為5，增益為8的二階帶通濾波器，以提升QRS波的基波與二次諧波，抑制T波、P波、肌電、工頻及基線波動；第二級全波整流電路將濾波后的雙向波形整流為負(fù)向波形，消除極性對檢測的影響；第三級為峰值檢測器，利用R7、R8的分壓，取QRS波峰值的約65%作為閾值。第四級為比較器，當(dāng)正相輸入端的電壓高于負(fù)相輸入端時，則產(chǎn)生一個+5V的脈沖，供后續(xù)電路使用。該原理圖如圖３所示。

2.1.2 數(shù)字部分電路

數(shù)字電路部分基于80C196KB單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計的。心電信號采集到后，通過前面介紹的模擬電路部分進(jìn)行預(yù)處理，然后（預(yù)處理過的信號）經(jīng)過80C196KB的ACH4口（A/D轉(zhuǎn)換口）輸入完成A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)波形顯示和分析。其中數(shù)據(jù)采樣率為200Hz，ACH5、ACH6和ACH7模擬輸入口作為數(shù)字口使用，完成鍵盤接口電路設(shè)計，實(shí)現(xiàn)心率的上、下限設(shè)定、心電波形的凍結(jié)、光標(biāo)移動、報警系統(tǒng)的開關(guān)功能設(shè)定等。高速輸入口HSI0作為R波檢出脈沖的輸入，完成心率計數(shù)、異常心電信號分析、診斷等功能，并最終通過液晶顯示出來，再通過鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，其中該液晶分辨率為320×240，由SED1335控制芯片進(jìn)行控制。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計是監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分之一，再好的硬件電路如果沒有良好的軟件支持，就如同沒有血肉的軀體，因此監(jiān)護(hù)軟件的質(zhì)量直接影響著監(jiān)護(hù)儀的性能指標(biāo)。本系統(tǒng)的監(jiān)護(hù)軟件設(shè)計全部采用匯編語言編程實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)監(jiān)護(hù)軟件包括主程序、系統(tǒng)初始化子程序、液晶清屏子程序、寫菜單子程序、報警子程序、軟件定時器中斷服務(wù)程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、HSI0中斷服務(wù)程序（分析、診斷子程序）、液晶列清屏子程序、液晶列顯示子程序、內(nèi)部RAM清除子程序外部中斷服務(wù)程序（鍵盤掃描子程序）、寫字段、移光標(biāo)子程序等12部分組成。整個系統(tǒng)程序按照由頂向下、層層細(xì)化的模塊化設(shè)計技術(shù)。整個系統(tǒng)軟件采用了三個中斷，優(yōu)先級最高的是HSI0中斷（心電分析、診斷子程序），主要負(fù)責(zé)心率計算，異常波形分析、報警；優(yōu)先級最低的是外部中斷子程序，它完成鍵盤掃描、上下限心率們先設(shè)定等功能。其它的子程序主要是供主程序和這三個中斷程序調(diào)用，服務(wù)于它們，中斷程序和這些子程序相互協(xié)調(diào)，各司其職，共同完成本系統(tǒng)的軟件監(jiān)護(hù)功能。下面將針對本系統(tǒng)的監(jiān)護(hù)軟件的主要部分做一個介紹。

2.2.1 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主程序

監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主程序是整個系統(tǒng)軟件的精髓，它的設(shè)計好壞直接影響著整個子系統(tǒng)程序的工作效率和工作性能，它包括對一些專用寄存器賦初值。例如堆棧的設(shè)定、I/O控制寄存器、A/D命令寄存器、中斷屏蔽寄存器、中斷掛號寄存器的預(yù)置和初始化。由于整個系統(tǒng)軟件是采用中斷方式進(jìn)行設(shè)計的，所以主程序顯得清楚明了，主程序框圖如圖4所示。

2.2.2 軟件定時器服務(wù)中斷子程序

軟件定時器中斷子程序主要完成心電波形的顯示和滾動。它包括預(yù)置完成本次顯示所需要的時間值設(shè)定（時間值的設(shè)定與A/D轉(zhuǎn)換得采樣率有關(guān)，本系統(tǒng)的采樣率為200Hz）、調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序、列清除子程序、列顯示子程序、延時子程序、報警子程序、移動光標(biāo)子程序等。其中A/D轉(zhuǎn)換子程序包括平滑數(shù)字濾波部分，主要用于進(jìn)一步濾除毛刺，提高了機(jī)器的性能。

2.2.3 軟件定時器服務(wù)中斷子程序

軟件定時器中斷子程序主要完成心電波形的顯示和滾動。它包括預(yù)置完成本次顯示所需要的時間值設(shè)定（時間值的設(shè)定與A/D轉(zhuǎn)換得采樣率有關(guān)，本系統(tǒng)的采樣率為200Hz）、調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序、列清除子程序、列顯示子程序、延時子程序、報警子程序、移動光標(biāo)子程序等。其中A/D轉(zhuǎn)換子程序包括平滑數(shù)字濾波部分。

2.2.4 軟件定時器服務(wù)中斷子程序

軟件定時器中斷子程序主要完成心電波形的顯示和滾動。它包括預(yù)置完成本次顯示所需要的時間值設(shè)定（時間值的設(shè)定與A/D轉(zhuǎn)換的采樣率有關(guān)，本系統(tǒng)的采樣率為200Hz）、調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序、列清除子程序、列顯示子程序、延時子程序、報警子程序、移動光標(biāo)子程序等。其中A/D轉(zhuǎn)換子程序包括平滑數(shù)字濾波部分。

2.2.5 HSI0中斷服務(wù)程序

HSI0中斷服務(wù)程序主要是完成心率、顯示、異常心電分析與診斷?，F(xiàn)把這種方法介紹如下：軟件定時器每次完成一個心電波形點(diǎn)顯示時（液晶點(diǎn)數(shù)值）。利用軟件將其計數(shù)一次。當(dāng)高速輸入口HSI0出現(xiàn)一個R波脈沖時，自動產(chǎn)生一次中斷。兩次中斷之間21H寄存器的值之差即為一個R波脈沖周期液晶屏顯示出的點(diǎn)數(shù)，而液晶顯示點(diǎn)數(shù)的速度即掃描速度是固定的，當(dāng)選用25mm/s，將其換算成每秒鐘所顯示的點(diǎn)數(shù)，本監(jiān)護(hù)軟件的心率值采用8個瞬時心率值進(jìn)行平均，并且每來一個瞬時心率值，平均計算一次，從而計算出心率值比較可靠、穩(wěn)定，誤差約小于±1。

2.2.6 報警系統(tǒng)

報警系統(tǒng)子程序?yàn)橄到y(tǒng)提供心電波形發(fā)生異常，心動過速（心率超過設(shè)置的上限值）或過緩（心率低于設(shè)置的下限值）、停搏、早搏、漏搏時，自動進(jìn)行聲音報警，以便患者及時了解正在監(jiān)護(hù)的病人的病情狀況，有助于醫(yī)務(wù)人員的進(jìn)一步治療。

3、小結(jié)

本儀器已經(jīng)通過測試，功能強(qiáng)大而實(shí)用，能很穩(wěn)定的長時間工作，體積小，能隨身攜帶，成本低廉，適合于有心臟病患者的家庭，對我國目前的健康事業(yè)有推動作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 何軍。HOLTER的發(fā)展和現(xiàn)狀。實(shí)用醫(yī)技雜志，1997,4（8）：637.

[2] 王大雄，王國鈞?；谇度胧轿C(jī)的便攜心電監(jiān)護(hù)儀設(shè)計。航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2005,18（3）：198.

[3] 齊頒揚(yáng)。醫(yī)學(xué)儀器。北京：高等教育出版社，1990.61.

[4] 姜宗義，龔衛(wèi)寧，儲得寶，等。一種新型有源濾波器設(shè)計。中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，1997,16（4）：323.

[5] 陳真誠，等。一種能實(shí)現(xiàn)QRS波群參數(shù)測量的心電監(jiān)護(hù)儀設(shè)計。航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2002,15（4）：246.

[6] Webster JG. An intelligent monitor for ambulatory ECG’s. Biomed Sci Intrum,1978,14:55.

更多醫(yī)療電子信息請關(guān)注：21ic醫(yī)療電子頻道