基于MSP430單片機的十二導聯(lián)同步心電圖機的設計

MSP430系列單片機在醫(yī)療設備行業(yè)應用很廣泛,以其低功耗，外圍設計簡單的優(yōu)點得到了設計者的喜歡。而心電圖或CT的復雜的醫(yī)療設備應用的很多。心電圖機是診斷心臟病的重要儀器之一，能夠為醫(yī)生提供最直觀的心電波形。歐美國家已經(jīng)普遍使用十二導心電圖機。十二導聯(lián)心電圖同步記錄能客觀表達各波、段和間期，可以對早博、心動過速、預激綜合征、束支阻滯及分支阻滯等進行定位診斷與鑒別診斷；將心電數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，可以進行各種電參數(shù)的統(tǒng)計學處理，為臨床醫(yī)療和科研工作帶來了極大便利。根據(jù)目前的微電子、單片機和計算機技術成功研制出一種便攜式心電圖機，它可通過液晶顯示器顯示心電圖，同時將數(shù)據(jù)在計算機上顯示并通過網(wǎng)絡實現(xiàn)信息遠傳，是一種新穎的臨床和家庭兼用的心電圖機。

標準十二導聯(lián)簡介

人體是一個導體，心臟壁收縮引起的動作電勢使電流由心臟傳播至整個人體，所傳播的電流在人體的不同部位產(chǎn)生不同的電勢，可以通過電極在皮膚表層感應得出。為了完整地記錄心臟的電活動狀況，常用水平和垂直方向的十二種不同導聯(lián)作記錄，稱為標準十二導聯(lián)，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF、V1、V2、V3、V4、V5、V6導聯(lián)。測量時須在人體上安放10個電極，分別為：右手電極VR、左手電極VL、右腿電極RL、左腿電極VF、胸部6個電極C1~C6。根據(jù)國家標準，由這些電極可以合成標準12導聯(lián)心電圖，合成方式如下：

(1) 標準肢體導聯(lián)：

導聯(lián)I=VL－VR；

導聯(lián)II=VF－VR；

導聯(lián)III=VF－VL；

(2) 加壓單極肢體導聯(lián)：

aVR=VR-(VL+VF)/2；

aVL=VL-(VR+VF) /2；

aVF=VF-(VL+VR)/2；

(3) 常用的胸導聯(lián)：

胸導Vi=Ci-(VR+VL+VF)/3，式中，VR、VL、VF和Ci(i=1~6)表示右臂、左臂、左腿和胸壁的電位。

系統(tǒng)總體方案

本十二導聯(lián)同步心電圖機采用德州儀器公司的MSP430系列的MSP430FG4616作為控制核心，可方便地實現(xiàn)心電信號的采集、處理、顯示以及傳輸。系統(tǒng)主要由五部分組成：前置放大電路部分用來放大各導聯(lián)心電信號；帶通濾波電路部分用來濾除心電信號頻率范圍以外的噪聲；陷波電路用于濾除50Hz工頻干擾和35Hz肌電干擾；生物電信號數(shù)據(jù)采集電路部分用來采集放大后的各導聯(lián)心電信號并將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機；右腿驅動電路部分不僅可以抑制50Hz工頻干擾，還可根據(jù)檢測到的心電信號適當調整人體電平，便于ADC采樣；數(shù)據(jù)處理顯示部分用來采用濾波算法處理采集的數(shù)據(jù)并實時顯示心電波形；網(wǎng)絡傳輸部分用來將采集的心電數(shù)據(jù)傳輸至醫(yī)院或疾病控制中心，便于隨時了解病人的狀況。系統(tǒng)功能在液晶顯示的菜單下通過按鍵選擇完成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)硬件設計

心電信號由專用電極獲取后送入前置放大器初步放大，在對各干擾信號進行一定抑制后送入帶通濾波器以濾除心電頻率范圍以外的干擾信號，再經(jīng)50Hz和35Hz陷波器濾除工頻和肌電干擾后送入主放大器，最后主放大器將濾波后的信號進一步放大到合適范圍后送入A/D采樣電路以進行高精度A/D轉換，單片機接收到A/D轉換的數(shù)據(jù)進行濾波及相關處理后在液晶屏上顯示。


圖2 心電信號前置放大電路

心電信號前置放大電路

電極獲取的心電信號是十分微弱的體表電信號且在心電信號檢測的過程中常伴有強干擾，因此必須經(jīng)特定處理后才能用于臨床診斷。本設計采用TI公司的精密儀表放大器INA326，設計了八通道心電信號采集電路，同時提取I、II及V1～V6八導聯(lián)心電信號，其它四導聯(lián)心電信號則在經(jīng)ADC變換后在數(shù)字處理部分根據(jù)需要利用I導和II導組合實現(xiàn)。心電信號前置放大電路如圖2所示。前級共模信號由被測者的左、右手以及左腿獲取，該電路在前級增加了一級共模信號驅動，用來降低共模信號的輸出阻抗和提高共模信號驅動能力，確保在多導聯(lián)情況下共模信號電平的穩(wěn)定。后級采用儀器放大器INA326獲得8路心電信號，INA326可以消除共模至雙端輸入的AC線路噪聲并放大輸入端所殘余的非直流信號，經(jīng)高倍放大后心電信號被送至ADC采樣電路。Ro、Co為輸出濾波器，可以濾除電路輸出的噪聲，同時可以作為ADC電路的輸入濾波器。INA326用獨特的內部技術實現(xiàn)極好的共模抑制比。為了實現(xiàn)更好的高頻CMR，在2和3腳之間加了一個小電容，同時在儀器放大器的反相輸入端串接了與正相輸入端阻值相同的電阻，以減小INA326輸入偏置電流對輸出信號的影響。



圖3 右腿驅動電路

ADC恢復放大電路

由于電極電勢很高，實際可達500mV，因此通過交流耦合消除電極電勢的影響就至關重要。本設計反饋配置中的ADC恢復放大器可以消除直流偏置。當INA326的輸出電壓增大以后，反饋積分器將施加一個等量的負相電壓至INA326基準端，通過此類線性化求和，可實現(xiàn)電極偏置的消除。直流恢復器的作用是將原本的直流耦合放大器轉變?yōu)榻涣黢詈戏糯笃鳎S著直流固有模式電壓的消除，輸出級可以放大交流心電圖信號而不會產(chǎn)生過飽和。

右腿驅動電路

50Hz工頻干擾是心電測量中最重要的干擾，僅靠前置放大器的高共模抑制比還不足以完全抑制，良好的右腿驅動電路可以提高電路的抗工頻干擾能力，并與人體和放大電路共同形成閉合回路，保證心電放大電路的正常工作。

由于源自人體的不同端點，左臂與右臂的心電圖信號處于不同的電平，且須被INA326放大，為了更好地抑制50Hz的噪聲，通過INA326所得到的人體共模電壓被用于反相共模信號，并與2.5V基準電壓比較后通過運算放大器OPA2335驅送至人體的右腿，僅需少量的小型放大器即可實現(xiàn)有效的共模態(tài)抑制改善。該方法不僅可以抑制50Hz工頻干擾還可根據(jù)心電信號適當調整人體電平，便于ADC采樣。右腿驅動電路如圖3所示，其中COM端為前級運放INA326的共模輸出信號，同時在前級還增加了一級電壓跟隨器用于隔離。

陷波電路

雖然前置放大電路對共模干擾具有較強的抑制作用，但部分工頻干擾是以差模信號方式進入電路的，且頻率處于心電信號的頻帶之內，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前級電路輸出的心電信號仍存在較強的工頻干擾，因此通常要進行陷波。本設計利用美國凌力爾特有限公司的LTC1068-50集成開關電容濾波器設計了一個8階巴特沃斯50Hz陷波器，經(jīng)測試陷波深度可達50dB，可衰減100倍左右，效果比較理想。

心電數(shù)據(jù)采集電路

TI公司的ADS1258元件采用了低噪聲的delta-sigma ADC架構，可有序地循環(huán)16個通道，單周期（零延遲）高速轉換速率可編程，速率1.8K~23.7KSPS每通道，不會產(chǎn)生性能衰退。附帶的內置系統(tǒng)監(jiān)測寄存器提供了電源電壓、溫度、基準電壓、增益、以及偏置的測量，已被廣泛用于諸如患者監(jiān)測及心電圖系統(tǒng)等高精度、多通道應用，簡化的數(shù)據(jù)采集模塊的原理圖如圖4所示。注意要在ADS1258的模擬信號輸入端跨接一個2.2nF的電容來旁路ADC采樣電流。對±1V的輸入信號，可以不用分壓電阻橋，直接在其輸入端串接一個保護電阻即可。外部運放OPA365將單端輸出轉變?yōu)槿罘州敵鲇脕眚寗覣DC，另外還要對2.5V的參考電壓進行濾波及通過運放OPA350緩沖來提供低噪聲參考電壓。

數(shù)據(jù)處理存儲顯示

單片機通過P1接口讀取ADS1258采集的數(shù)據(jù)，進行特定處理后將數(shù)據(jù)依次存放在外部存儲器中。數(shù)據(jù)存儲器使用ATMEL公司的AT29LV1024，它具有1M位的存儲空間且具有掉電保護功能，可以在意外掉電或關閉電源的情況下保存數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)通過液晶顯示器顯示實時采集的心電波形及分析結果。另外系統(tǒng)采用MAX3232擴展串口，并最終將心電數(shù)據(jù)傳送至醫(yī)院或疾病控制中心，便于醫(yī)院隨時了解病人的狀況。

系統(tǒng)軟件設計

心電圖機的主控模塊和功能模塊按照系統(tǒng)功能框圖設計、執(zhí)行，微型十二導心電圖機的系統(tǒng)軟件功能框圖如圖5所示。



圖4 數(shù)據(jù)采集模塊原理圖



圖5 系統(tǒng)軟件功能框圖

心電信號的軟件數(shù)字濾波

由于心電信號會不可避免地混入50Hz工頻干擾，同時從人體獲得的心電信號還含有由皮膚阻抗、呼吸及放大器的溫度漂移等產(chǎn)生的基線漂移,而僅僅依靠硬件很難將其理想濾除，因此采用軟件數(shù)字濾波的方法。圖6顯示了用MATLAB對加噪心電信號利用FFT方法濾除50Hz工頻干擾的仿真實驗結果。實驗原始數(shù)據(jù)取自MIT/BIH心電數(shù)據(jù)庫中的一段波形。由于實驗采用的是矩形窗模擬濾波，在恢復時域信號時會有振鈴效應，因此在實際使用中可根據(jù)需要選用合適的窗函數(shù)。

從濾波與處理效果看，快速傅里葉變換可得到信號的全部頻譜，便于進行針對性處理，且可選擇的窗函數(shù)多，對50Hz頻移有很好的濾除效果。而自適應模板法與數(shù)學形態(tài)濾波法則分別適用于50Hz工頻干擾的去除與基線漂移及高頻噪聲干擾的去除。本系統(tǒng)將以上三種濾波方法結合起來使用，當需要在液晶屏上顯示心電波形時采用自適應模板法與數(shù)學形態(tài)濾波法，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機中時可以采用快速傅里葉變換法對心電信號進行精確處理。

心電圖機PC機端輔助軟件的開發(fā)

本文設計的心電圖機配有基于Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境編寫的PC機軟件以擴展系統(tǒng)功能。將心電圖機與PC機連接后，啟動Windows心電數(shù)據(jù)采集程序即可在計算機屏幕上看到實時采集的心電波形，PC機心電信號顯示界面如圖7所示。



圖6 利用FFT方法濾除50Hz工頻干擾后的心電信號


圖7 PC機心電信號顯示界面

結束語

本文設計的心電圖機采用了TI公司的高性能單片機MSP430FG4616和16通道低噪聲Δ-Σ架構的24位模數(shù)轉換器，能準確獲取反應心電特征及其變化規(guī)律的心電信號，并可通過單片機的控制在液晶屏上以圖形方式顯示和存儲，為實現(xiàn)家庭醫(yī)療遠程診斷進行了前瞻性的研究。與常規(guī)設計相比，本系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、精度高、抗干擾能力強等特點，具有良好的應用前景。