基于Internet網(wǎng)絡(luò)的12導(dǎo)聯(lián)便攜心電儀系統(tǒng)研究
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引言
人體心電信號是非常微弱的生理低頻電信號，通常最大的幅值不超過4mv，信號頻率在0.05~200hz之間。心電信號的提取是通過安裝在人體皮膚表面的電極來拾取的。由于電極和皮膚組織之間會發(fā)生極化現(xiàn)象，會對心電信號產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。加之人體是一個(gè)復(fù)雜的生命系統(tǒng)，存在各種各樣的其他生理電信號對心電信號產(chǎn)生干擾。同時(shí)由于我們處在一個(gè)電磁包圍的環(huán)境中，人體就像一根會移動的天線從而對心電信號產(chǎn)生50hz左右的干擾信號。由于存在種種干擾，必須做好前端數(shù)據(jù)采集的硬件軟件設(shè)計(jì)才能保證傳送到醫(yī)療中心的心電數(shù)據(jù)的可靠性。
便攜心電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集 圖1中，l、r、f分別是左手、右手、左腿驅(qū)動電極，v1、v3、v5是3個(gè)胸電極，rf是右腿驅(qū)動電極。
來自各電極的6路微弱信號經(jīng)6個(gè)輸入緩沖器緩沖放大后，送威爾遜網(wǎng)絡(luò)及導(dǎo)聯(lián)選擇電路作導(dǎo)聯(lián)選擇，其切換信號由微處理器提供；右腿驅(qū)動的信號源取自威爾遜網(wǎng)絡(luò)中心，經(jīng)右腿驅(qū)動電路反向放大后，送右腿驅(qū)動電極rf，以中和人體上感應(yīng)的共模干擾信號。導(dǎo)聯(lián)選擇控制將6個(gè)電極輸入信號按要求切換為三組，每組含3種導(dǎo)聯(lián)信號，同時(shí)送到3個(gè)前置放大器分別放大。電壓放大器將來自前置放大器的3路導(dǎo)聯(lián)信號進(jìn)行電壓放大，以適合a/d轉(zhuǎn)換的幅度要求。各電壓增益受微處理器控制。微處理器的功能是：（1）對來自電壓放大器的模擬信號進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，得到原始數(shù)據(jù)；（2）對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷：導(dǎo)聯(lián)電極是否脫落，并給予提示；電壓放大器的增益是否合適，以便實(shí)時(shí)發(fā)出增益控制信號。
前端輸入緩沖設(shè)計(jì)
由于信號本身存在較大的阻抗，為了能更好的驅(qū)動威爾遜網(wǎng)絡(luò)必須設(shè)計(jì)輸入緩沖。另一方面心電信號幅值在0～4mv之間。所以在緩沖運(yùn)放的選擇時(shí)必須要保證失調(diào)電壓vos不超過125
v。一路緩沖硬件設(shè)計(jì)如圖2。
輸入緩沖器的結(jié)構(gòu)為電壓跟隨器，其作用是使人體與威爾遜網(wǎng)絡(luò)高度隔離，圖2所示為6路跟隨器之一。一方面，極高的輸入阻抗，克服了電極與皮膚接觸電阻引起的信號衰減；另一方面，極低的輸出阻抗，確保有效地驅(qū)動威爾遜網(wǎng)絡(luò)工作。d1、d2組成雙向限幅電路，對來自人體的高壓干擾實(shí)施限幅，防止因過度激勵(lì)造成運(yùn)放逆轉(zhuǎn)而失效。
威爾遜網(wǎng)絡(luò)與導(dǎo)聯(lián)選擇設(shè)計(jì)
原理如圖3所示。圖中虛線框中的電阻構(gòu)成威爾遜網(wǎng)絡(luò)，r39、r40、r41的公共連接端為威爾遜中心。d5、d6、d7為多路電子開關(guān)，在導(dǎo)聯(lián)切換信號的控制下，從威爾遜網(wǎng)絡(luò)的有關(guān)節(jié)點(diǎn)取出3路導(dǎo)聯(lián)信號。各電極在人體上的位置和接觸狀態(tài)存在差異，導(dǎo)聯(lián)線的參數(shù)和威爾遜網(wǎng)絡(luò)的元件值也存在離散性，故威爾遜網(wǎng)絡(luò)的非中心節(jié)點(diǎn)上的干擾信號必然有幅度甚至相位差。這種差異將以差模方式傳輸?shù)胶罄m(xù)放大器被放大。而且，相對于心電有用信號而言，已不能忽視。為此威爾遜網(wǎng)絡(luò)的干擾信號經(jīng)d9反相放大后送右腿驅(qū)動，對于干擾信號而言這是一種深度反饋，極大的抑制了人體感應(yīng)的共模干擾。提高了前端信號采集的精度。
前置放大器及主放大器設(shè)計(jì)
由于心電信號十分微弱，噪聲背景強(qiáng)且信號源阻抗很大，一般典型值在500k ，加之測量電極引入的極化電壓差較心電信號大幾百倍達(dá)300mv左右。因此必須設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)良的前端放大器，濾波和限波電路。前端放大器要采用高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲，低溫漂，非線性度小，合適的帶寬和動態(tài)范圍。因此在本電路中采用ad620儀表放大器為主的電路(如圖2)。ad620 輸入偏置60 v，溫漂0.6 v，峰值噪聲特性0.28 v，高達(dá)120db的共模抑制比，輸入阻抗1012 ，非常適合做前端放大器。前端放大器設(shè)計(jì)如圖4。
為防止ad620的動態(tài)范圍不夠進(jìn)入非線性區(qū)失去放大作用，前端放大器放大10倍左右。其增益公式av=1＋49.4/rg。由于信號主要能量集中在0.05~100hz所以經(jīng)過0.05~100hz帶通濾波后，送往主放大器放大到adc的轉(zhuǎn)化范圍。
數(shù)字濾波設(shè)計(jì)
在心電信號采集過程中，常常受到工頻干擾（50hz）、肌電干擾（35hz）、基線漂移等各種干擾信號。為了讓心電儀的采集部分便于攜帶和降低功耗我們沒有采用硬件限波電路，而是利用dsp在信號處理方面的優(yōu)勢采用了軟件濾波。在本系統(tǒng)中，我們采用了一種簡單整系數(shù)限波器 ，對工頻干擾及基線漂移進(jìn)行濾除。濾波器用到了減法技術(shù)即用一個(gè)全通網(wǎng)絡(luò)減去一個(gè)具有相同傳輸延遲和增益的窄帶帶通濾波器的輸出，得到一個(gè)具有尖銳限波特性的限波器(notch)，其原理如圖5所示。
濾波器的傳遞函數(shù)為：
h(z)=h1(z) h2(z)其中 ，h1=y1(z)/x1(z)=z m，h2=y2（z）/x2（z）
要使限波器（notch）具有帶寬約1hz左右的特性，必須使窄帶帶通濾波器具有很大的零點(diǎn)數(shù)目。在1000 hz采樣頻率下，以每赫茲寬度間隔設(shè)計(jì)零點(diǎn)，就有1000個(gè)零點(diǎn)均勻分布在z平面的單位圓上，每兩個(gè)零點(diǎn)間隔設(shè)計(jì)為 /500 rad。按照設(shè)計(jì)原則在角頻率 t=0， /10，2 /10…18 /l0，19 /10處設(shè)置極點(diǎn)，與該處的零點(diǎn)相抵消，形成了只有單頻率成分通過的窄帶帶通濾波器。
其中0 hz處的零極點(diǎn)抵消，用以消除0．5 hz以下的基線漂移；50 hz、100 hz、150 hz等處的零極點(diǎn)抵消，用以消除50 hz工頻及其諧波干擾。于是得到窄帶帶通濾波器的傳遞函數(shù)為：h^{1}_{2}(z)=frac{1 z^{ 100}}{1 z^{ 20}}。
同時(shí)為了防止該式在的幅頻響應(yīng)在50hz處有180 的相移，我們必須采用修正因子 1+z^{ 500}來修正。其結(jié)果如下：
從式中可以看出延時(shí)740，對h_{2}(z) 求極限可得增益為100。于是我們可以得到如下的限波器（notch）的傳遞函數(shù)：
可看出該傳遞函數(shù)是一個(gè)全通網(wǎng)絡(luò)減去一個(gè)具有相同傳輸延遲和增益的窄帶帶通濾波器的輸出。圖6為限波前與限波后的比對圖。
無線數(shù)據(jù)鏈路設(shè)計(jì)
采用高度集成的433mhz單片無線收發(fā)器nrf401。它具有功耗低(有待機(jī)模式)，體積小，外圍器件少與dsp連接方便的特性，使用pcb環(huán)形天線，最大發(fā)送功率可達(dá)+10dbm發(fā)射距離在1000米左右滿足社區(qū)范圍內(nèi)使用。外部硬件設(shè)計(jì)如圖7。
為了確保無線數(shù)據(jù)通路的可靠性，圖中標(biāo)記l1必須使用一個(gè)高質(zhì)量的q>45，自諧振頻率433mhz精度2％的高精度電感。pll濾波器電容要求必須是陶瓷電容以便獲得較好的高頻特性。在pcb設(shè)計(jì)時(shí)注意在芯片供電引腳使用一個(gè)4.7
f和0.1 f去耦電容以便射頻模塊能穩(wěn)定供電，為減少射頻模塊對dsp控制器的干擾在雙面板的上下充分鋪地，同時(shí)要確保所有的數(shù)字信號和開關(guān)信號不能通過pll濾波電路和vco外部電感l(wèi)1的附近。其鏈路圖如圖8
。
internet接入設(shè)計(jì)
目前adsl上網(wǎng)在家庭中已經(jīng)普及而且使用的模式基本上都具有路由功能，這就為心電系統(tǒng)的客戶端internet接入提供了有利平臺。心電系統(tǒng)客戶端的adsl端接收設(shè)備與便攜數(shù)據(jù)采集儀使用相同的無線單片收發(fā)射頻芯片接收數(shù)據(jù)，因此在客戶端我們僅需要設(shè)計(jì)基于dsp的以太網(wǎng)接入技術(shù)即可。其internet接入方案如圖9。
基于該構(gòu)架的無線網(wǎng)絡(luò)12導(dǎo)聯(lián)便攜心電系統(tǒng)完全克服了傳統(tǒng)便攜心電儀的存儲空間有限的問題，以及純粹無線發(fā)送的便攜心電儀在醫(yī)療機(jī)構(gòu)中使用的某種限制。利用已有的adsl
internet接入技術(shù)使得該系統(tǒng)的成本大大降低，便于在數(shù)字化社區(qū)推廣和應(yīng)用。利用internet將心電數(shù)據(jù)不間斷的發(fā)送到醫(yī)療服務(wù)中心，為疾病的預(yù)防與診斷提供最實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。同時(shí)配合醫(yī)院的醫(yī)療數(shù)據(jù)庫可以使該系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的服務(wù)功能。
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