專為健康監(jiān)控設(shè)計的家用holter監(jiān)護(hù)儀方案實現(xiàn)

1 前言

前年，當(dāng)我購買自己的第一臺筆記本電腦時，也算是煞費苦心，終于選中了一款自己覺得還可以，而且比較主流的機器。可是一年后當(dāng)我再次踏入電腦商城時，忽然發(fā)現(xiàn)通過一年來對筆記本電腦的使用，我非但沒有更加熟悉筆記本，反而變得更生疏了?？犷５奶幚砥饕呀?jīng)不再是宣傳的賣點，DDRII的內(nèi)存也很少出現(xiàn)，主頻高出了我的預(yù)想……所有我了解的性能參數(shù)都仿佛來到了另一個時代。我不得不感嘆自己真的OUT了。記得大學(xué)第一節(jié)C語言課上老師說：“內(nèi)存——我們心中永遠(yuǎn)的痛!”覺得很是有道理。然而，當(dāng)我年前再次把目光投向電腦市場時，卻發(fā)現(xiàn)情況似乎有了很大的改觀。內(nèi)存好像已經(jīng)不再是很大的瓶頸。受摩爾率指導(dǎo)的電子產(chǎn)品的更新速度簡直到了讓我無法理解的地步。我曾看到有人說：與其說是摩爾率在起作用，倒不如說是科技進(jìn)步和市場需求在起作用。不過對我來說，無論是什么在起作用，這個世界的節(jié)奏都已經(jīng)快到讓我很難靜下來思考的速度。

但是一旦靜下來思考，會想到什么呢?周圍所有的東西都在不停的發(fā)展。從綠皮火車到高鐵，從菜價到房價，從農(nóng)村到城市……雖然周圍很多人都在罵罵咧咧的抱怨，但很少有人會覺得現(xiàn)在的日子不如一前。也就是說，無論生活、環(huán)境給了我們多大的壓力，我們還是在邁著前進(jìn)的步子。然而前進(jìn)的路上，又有誰和我們一道風(fēng)雨兼程呢?

人類對于科技的應(yīng)用雖然為自己開辟一條難得的前進(jìn)之路，但同時也告知了我們的同伴應(yīng)當(dāng)何去何從。并不是所有的同伴都可以風(fēng)雨同舟，因為有同伴躲在陰暗的角落里，在伺機向人類發(fā)起進(jìn)攻。當(dāng)然，被我們經(jīng)常說道的生老病死中的病，便是在等候著專屬于它的時機。而人類個體的生命大多也是在它的陪伴下，走向終點。

疾病的迅速發(fā)展，不僅緣于它驚人的繁衍速度，還在于人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展對其的指引。當(dāng)我觀察人類與疾病的抗?fàn)帟r，想到的卻是，當(dāng)我還是一個孩子的時候，當(dāng)我想要做的是大人們所不愿接受的事情時，大人們幾乎總是窮盡辦法來阻止我的行動，當(dāng)然更多的是呵斥。但不管怎么說，在大人們的指引之下，最終我還是在向一個對的方向前進(jìn)。人類與疾病之間的斗爭，大人對小孩的指引，這兩者在某種程度上的相似，讓我萌生了一種想法：疾病是否就是那個在科技指引之下的孩子。

疾病的不斷發(fā)展，也從另一個角度不不斷督促著人類對自身的認(rèn)知。這應(yīng)該就是禍福相依的一種具體表現(xiàn)形式吧。正如人們由表及里，有外觀而內(nèi)涵的認(rèn)知規(guī)律一樣，疾病的發(fā)展抑或說前進(jìn)方向也是如此。科技的發(fā)展使得原來極其棘手的疾病失去了它原有的恐怖外衣，但隨之而來的卻是以前從沒有出現(xiàn)過的難題。但無論怎樣這些我們都不能回避，因為這里的每一次戰(zhàn)斗都是關(guān)乎生死的抗?fàn)帯?/p>

所有人，正如在戰(zhàn)火席卷的國度中的人民一樣，無論愿意與否，他總會卷入與疾病抗?fàn)幍闹?。而我們在這場抗?fàn)幹心茏鲂┦裁茨?是像平民一樣任人魚肉，還是像極端的武裝分子一樣盲目抵抗。當(dāng)然這并不是一個只有A、B選項的選擇題，我們可以窮盡所能給出自己滿意的答案。雖然，人類總是以自己的生生不息來證明自己的勝利。但是正如我開始所描述的情況一樣，疾病的進(jìn)化速度也快的驚人。有時快到，甚至不給人類以思考的機會。你會發(fā)現(xiàn)，過剩的不僅是CPU，還有病原體。

當(dāng)我很長時間之后，再次踏入醫(yī)院。卻發(fā)現(xiàn)原來可以通過注射藥劑治好的病癥，現(xiàn)在得改用輸液了。這讓我不得不承認(rèn)，當(dāng)今的世界，病菌的進(jìn)步速度已經(jīng)在我之上了。被世界遺棄，還是奮勇追擊，這的確是一個問題。當(dāng)然，面臨的問題很多，但現(xiàn)在我又該做些什么?醫(yī)學(xué)對我來說是個很遙遠(yuǎn)的專業(yè)，但正如距離軍人這種職業(yè)很遙遠(yuǎn)的平民，在面對國家安全這種問題時總要做些什么一樣，似乎大家都應(yīng)該出分力，而且還應(yīng)當(dāng)清楚“分”是“分內(nèi)”的“分”。

現(xiàn)在，當(dāng)我即將讀完四年大學(xué)時，從哪里來的問題，我不必花費什么心思，但是往哪里去的問題卻是不得不思考的。正如我前邊所描述的，周圍的一切都在發(fā)展，當(dāng)然也包括老百姓的生活水平。這里我不是一個政客，我只是在描述自己的見聞。這樣就會形成一個我所見聞的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)：科技、發(fā)展、疾病、生活、專業(yè)……無論是從一個即將步入職場的儀器類學(xué)生的角度，還是從一個具有社會責(zé)任心的公民的角度來看，醫(yī)療器械都將會是一個很有發(fā)展前景的行業(yè)，近來很多公司的產(chǎn)品動向和一些活動中的產(chǎn)品展示，也都肯定了這個判斷的正確性。如此看來，便捷的家用醫(yī)療儀器定然會走向千家萬戶，事實也正是如此。

由于母親高血壓的緣故，幾年前，家里就購買了家用的電子血壓計，以便于母親能及時知道自己的血壓狀況。有段時間母親一度想要購買一款心電圖機，因為聽說通過心電圖可以更好的了解自己的健康情況，不過最終還是因為受限于獲取心電圖信息那些復(fù)雜方法難以學(xué)習(xí)，而只好作罷。這樣看來，一個家用holter監(jiān)控器也確實有其施展的天地。

總體設(shè)計方案

1) 心電的特點：

1、微弱性。人體體表的心電信號很微弱，一般只有0.05-5mV。在測量中，對于如此微弱的信號，很難進(jìn)行直接記錄或處理，必須通過放大器適當(dāng)放大，同時必須濾波處理。

2、低頻特性。人體心電信號的頻譜范圍在0.05-100Hz，其能量譜主要集中在0.5-35Hz，頻率是比較低的。

3、高阻抗特性。作為心電的信號源，人體源阻抗一般較大，可達(dá)幾千歐姆至幾萬歐姆，這將給心電測量帶來誤差和失真。

4、不穩(wěn)定性和隨機性。人體是在內(nèi)部環(huán)境與外部環(huán)境相適應(yīng)的條件下維持新陳代謝的，為適應(yīng)外部環(huán)境的變化，人體內(nèi)各種系統(tǒng)的活動都會在相互影響中不斷調(diào)整，以便與外部環(huán)境保持平衡，同時遺傳等因素也會造成人體的個體差異性，這使得人體心電信號表現(xiàn)出不穩(wěn)定性和隨機性。

2) 心電信號的干擾

1、工頻干擾。由于日常供電網(wǎng)絡(luò)的存在，50Hz工頻干擾是最常見的干擾，它是心電信號主要的干擾源之一。50Hz工頻干擾主要通過人體和測量系統(tǒng)輸入導(dǎo)線的電容藕合，以位移電流的形式引入，其強度足以淹沒心電信號。

2、電極極化電壓干擾。心電信號是通過緊貼在人體體表的電極提取的，而與電極接觸的是電解質(zhì)溶液(導(dǎo)電膏、汁液或組織液等)，這會形成一個金屬與電解質(zhì)溶液的界面。由于電化學(xué)的作用，在二者之間會產(chǎn)生一定的電位差，稱為極化電壓。極化電壓的幅度一般較高，在幾毫伏到幾百毫伏之間。當(dāng)兩個電極的狀態(tài)不能保持對稱時，極化電壓就會產(chǎn)生干擾，特別是在電極與皮膚接觸不良以致脫落的情況下更為嚴(yán)重，而且電極在皮膚表面的移動也會引起電位差變化。

3、肌電信號干擾。肌肉的興奮與收縮會引起生物電變化，而這些生物電將在人體表面產(chǎn)生一定的電位差。由于心電信號必須通過貼在人體表面的電極進(jìn)行提取，因此同時肌電干擾信號也會被提取出來。肌電干擾信號是一種快速變化的電壓信號，其頻率范圍為20-5000Hz。

4、測量設(shè)備自身產(chǎn)生的干擾。信號處理所采用的電子設(shè)備本身也會產(chǎn)生噪聲，這種干擾一般都是高頻干擾，用低通濾波器就可濾除。

5、高頻電磁場干擾。隨著無線電技術(shù)的發(fā)展，各種頻段的無線電廣播、電視發(fā)射臺、通訊設(shè)備、雷達(dá)等電子設(shè)備的工作使空間存在著大量的電磁波。這些高頻電磁干擾可通過測量系統(tǒng)與人體連接的導(dǎo)線引入，并引起測量結(jié)果的不穩(wěn)定，嚴(yán)重時會使測量系統(tǒng)不能正常工作，必須加以消除。

3) 電極的選取

電極是來攝取人體內(nèi)各種生物電現(xiàn)象的金屬導(dǎo)體，也稱作導(dǎo)引電極。它的阻抗，極化特性、穩(wěn)定性等對測量的精確度影響很大。

1、金屬平板電極。金屬平板電極是測量心電圖時常用的一種肢體電極，它是一塊鎳銀合金或銅質(zhì)鍍銀制成的凹形金屬板，這種電極比較簡單，其抗腐蝕性能、抗干擾和抗噪聲能力較差，在微電流通過時容易產(chǎn)生極化，而且電位不穩(wěn)定和電位隨時間漂移嚴(yán)重，信號失真也較大缺點。

2、吸附電極。吸附電極是用鍍銀金屬或鎳銀合制而成，呈圓筒形，其背部有一個通氣孔，與橡皮吸球相通，它是測量心電時作為胸部電極的一種常用電極。該電極不用扣帶而靠吸力將電極吸附在皮膚上，易于從胸廓上一個部位換到另一部位。使用時擠壓橡皮球，排出球內(nèi)空氣，將電極放在所需部位，然后放松橡皮球，由于球內(nèi)減壓，使電極吸附在皮膚上。但這種電極，由于只有圓筒底部的面積與皮膚接觸(即接觸面積小)，從而使得它的阻抗和對皮膚的壓力很大，因此，不適用于輸入阻抗低的放大器和不宜作長時間監(jiān)護(hù)之用。

3、圓盤電極。圓盤電極多數(shù)采用銀質(zhì)材料，其背面有一根導(dǎo)線。有的電極為了減輕基線漂移及移位偽差在其凹面處鍍上一層氯化銀。值得注意的是，該電極在使用一段時間后必須重新鍍上氯化銀。

4、懸浮電極。懸浮電極分為永久性和一次性使用的二種。其中永久性懸浮電極又叫作帽式電極，其結(jié)構(gòu)是把鍍氯化銀或燒結(jié)的Ag-AgCI電極安裝在凹槽內(nèi)，它與皮膚表面有一空隙。使用時，應(yīng)在凹槽內(nèi)涂滿導(dǎo)電膏，用中空的雙面膠布把電極貼在皮膚上。由于導(dǎo)電膏的性質(zhì)柔軟，它粘附著皮膚，也粘附著電極，當(dāng)肌肉運動時，電極導(dǎo)電膏和皮膚接觸處不易發(fā)生變化，起到接觸穩(wěn)定的作用。一次性懸浮電極也叫作鈕扣式電極，其結(jié)構(gòu)是將氯化銀電極固定在泡沫墊上，底部也吸附著一個涂有導(dǎo)電膏的泡沫塑料圓盤，使用前，圓盤周圍粘有一層保護(hù)紙，封裝在金屬箔制成的箱袋內(nèi)，用時取出，剝?nèi)ケＷo(hù)紙，即可使用。

5、軟電極。為了克服由于各種硬質(zhì)電極與皮膚貼附不緊密而當(dāng)人體有所活動時，電極與體表之間的接觸可能會改變原來的狀態(tài)而引起意外的移位偽差，而生產(chǎn)出了軟電極。一種常見的軟電極是貼在膠布上的銀絲網(wǎng)電極。使用時，只需把銀絲網(wǎng)涂上導(dǎo)電膏后貼在所需的人體部位即可。另一種軟電極是在13um厚的，聚脂薄膜(Mylar)上鍍一層1um厚的氯化銀膜而制成的。整個電極的厚度僅為15um，質(zhì)地十分柔軟。它適用于檢測、監(jiān)護(hù)早產(chǎn)兒心臟變化功能。

6、干電極。干電極是利用固態(tài)技術(shù)，將放大器與電極組裝在一起所示。使用時不必涂上導(dǎo)電膏而波形又不失真，但必須要一個輸入阻抗很高(Zsr>109Ω)的前置放大器相匹配。

出于對本設(shè)計方案的綜合考慮，使用平板電極。

4)總體設(shè)計方案

在了解了心電信號的特點之后，綜合考慮諸如：環(huán)境干擾、電極選擇、心電導(dǎo)聯(lián)體系、本設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)、以及USB Startkit & Etherner Startkit的優(yōu)勢，總體設(shè)計框圖如下：

硬件設(shè)計

心電信號輸入緩沖電路

心電信號從人體經(jīng)電極首先進(jìn)入緩沖電路，包括低通濾波和電壓跟隨兩部分。無源低通濾波的截止頻率為：

放大和右腿驅(qū)動電路

由于心電信號具有微弱、低頻、不穩(wěn)定、易受干擾等特點，使得心電信號的模擬放大環(huán)節(jié)非常關(guān)鍵，尤其是心電前置放大器直接跟被測信號相連，其設(shè)計和選擇直接影響整個測量系統(tǒng)的工作性能。這就要求所采用的放大器必須有低噪聲、低漂移、低失調(diào)參數(shù)、高共模抑制比、高輸入阻抗、非線性度小等特點。儀表放大器可以很好的滿足上述要求。

右腿信號采集電路專門用來消除由人體引入的共模干擾，又稱右腿驅(qū)動電路。該電路一般從前級放大電路的增益調(diào)節(jié)電阻處提取反饋信號，并將反饋信號輸入反向放大器的負(fù)端，放大后接到人體右腿。右腿驅(qū)動電路可等效為以人體為相加點的共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路，它可以大大降低人體共模電壓的影響，使共模干擾降低到1%以下，而不會損失心電信號中的有效信號。高通和低通濾波電路

50Hz陷波電路

導(dǎo)聯(lián)選擇

本設(shè)計采用模擬開關(guān)CD4051控制導(dǎo)聯(lián)通道切換。

軟件設(shè)計

本設(shè)計中軟件部分主要分為兩部分：一部分是PIC32進(jìn)行信號采集和存儲部分，一部分是PC機信號處理部分。

信號采集和存儲流程圖