基于DSP的EASI十二導(dǎo)聯(lián)多功能Holter系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

心血管疾病是當(dāng)今醫(yī)學(xué)上發(fā)病率和死亡率最高的疾病之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年有超過1 700萬人死于心臟疾病。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，心電圖ECG(Electrocardiograph)是診斷心電疾病的重要依據(jù)。常規(guī)的靜態(tài)心電圖只能分析病人較短時(shí)間的靜態(tài)心電信息，而動(dòng)態(tài)心電圖則能反映長時(shí)間的動(dòng)態(tài)心電信息，在臨床醫(yī)學(xué)診斷中具有重要作用。1961年美國Norman J.Holter最先把動(dòng)態(tài)心電圖記錄儀投入臨床使用，因此常把記錄心臟病病人動(dòng)態(tài)心電圖的儀器稱為Holter。

傳統(tǒng)基于單片機(jī)的Holter能實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的顯示、傳輸及簡單的判病報(bào)警，但受限于單片機(jī)的運(yùn)算速度，難以采用檢測準(zhǔn)確但耗費(fèi)資源相對(duì)較多的算法實(shí)現(xiàn)對(duì)心電數(shù)據(jù)的在線分析。本文以TI公司的TMS320VC5509A為處理系統(tǒng)核心，搭配具有高共模抑制比的EASI十二導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)采集方案，實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有實(shí)時(shí)檢測、無線傳輸和24小時(shí)心電數(shù)據(jù)記錄功能的多功能Holter系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以方便醫(yī)生實(shí)時(shí)監(jiān)測病人的心電信息以應(yīng)對(duì)疾病的突發(fā)狀況，這將是新一代“數(shù)字醫(yī)療社區(qū)/醫(yī)院”在遠(yuǎn)程醫(yī)療方面的重要發(fā)展方向。

1 EASI十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)

EASI十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)是臨床醫(yī)學(xué)診斷中常用的心電導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)。EASI心電圖是一種衍生的十二導(dǎo)聯(lián)心電圖，最大優(yōu)點(diǎn)是可以通過5個(gè)心電電極產(chǎn)生三路雙極導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)，并推導(dǎo)出極近似標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)的心電數(shù)據(jù)。此導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)由5個(gè)電極E（胸骨下部平第5 肋間）、A（左腋中線平E點(diǎn)位置）、I（右腋中線平E點(diǎn)位置）、S（胸骨柄）和RL（右腿驅(qū)動(dòng)電極，一般置放右腹）組成[1]。電極貼放位置如圖1所示。

EASI十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)可以通過數(shù)學(xué)公式：Ld=a(A-I)+b(E-S)+c(A-S)轉(zhuǎn)化后得出十二導(dǎo)聯(lián)心電信息。其中A-I、E-S、A-S為三路雙極導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)，能分別反映心電向量在冠狀面、矢狀面和額狀面的心電變化，a、b、c為經(jīng)過大樣本研究后得出的精確相關(guān)系數(shù)[2]。經(jīng)過大量的臨床研究證實(shí)，通過EASI十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)獲得的心電信息量非常接近標(biāo)準(zhǔn)的十二導(dǎo)聯(lián)心電圖[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

本Holter系統(tǒng)主要由EASI十二導(dǎo)聯(lián)心電采集電路、TMS320VC5509A、外圍大容量存儲(chǔ)器(如SD存儲(chǔ)卡)、液晶顯示模塊、 Zigbee模塊和電源管理部分組成。電極從人體體表獲取生物心電信號(hào)，低通濾波后接入帶通放大電路進(jìn)行兩級(jí)放大及A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)除了能直接存儲(chǔ)在MicroSD卡以便離線分析外，還可由TMS320VC5509A運(yùn)行經(jīng)二次微分小波變換算法對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，或者通過Zigbee 傳輸方式將心電信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。

2.2 帶通放大電路

心電信號(hào)幅度一般在0.5 mV～4 mV，頻帶通常為0.05 Hz～100 Hz，頻帶范圍不寬，但50 Hz工頻干擾和人體其他信號(hào)（如肌電干擾、運(yùn)動(dòng)基線漂移）幾乎都落在這個(gè)頻帶范圍內(nèi)。人體體表阻抗比較大，容易吸取較多共模噪聲。為了使心電信號(hào)受到的干擾更小，本系統(tǒng)的心電放大電路采用兩級(jí)放大的架構(gòu)，體表兩點(diǎn)的電位差為心電信號(hào)源，前級(jí)放大使用高輸入阻抗的儀表放大器INA326，采用差分輸入，把心電信號(hào)放大5倍；后級(jí)放大采用高精度運(yùn)放OPA2335設(shè)計(jì)帶通放大電路，把0.5 Hz～106 Hz的信號(hào)放大200倍[4]。

2.3 右腿驅(qū)動(dòng)電路

右腿驅(qū)動(dòng)電路是專為克服50 Hz工頻共模干擾、提高共模抑制比（CMRR）而設(shè)計(jì)的，原理是采用以人體為相加點(diǎn)的共模電壓作并聯(lián)負(fù)反饋，其方法是提取前級(jí)放大電路中的共模電壓，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路倒相放大后再加回人體右腿上。本文使用的EASI導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)可以把RL電極接到右腹處。
2.4 TMS320VC5509A最小系統(tǒng)

Holter是便攜式設(shè)備，要求保證至少有24小時(shí)連續(xù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，同時(shí)要運(yùn)行心電檢測等復(fù)雜算法。因而作為系統(tǒng)核心的DSP必須具備低功耗和高性能的特點(diǎn)。本文使用TMS320VC5509A作為系統(tǒng)運(yùn)算和控制核心，系統(tǒng)配置DSP的McBSP接口與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8325 和CC2430 Zigbee模塊進(jìn)行通信，通過SD控制器與MicroSD卡連接，通過GPIO口與液晶模塊相連接，設(shè)置3個(gè)由按鍵控制的外部中斷，用于多功能切換。