便攜式快速心電儀的設計與實現

楊磊，張超，梅楊楊，張偉國，黃勇，張學龍

1. 上海理工大學醫療器械學院 上海醫療器械高等專科學校，上海 200093；2. 上海碧埃荻電子科技有限公司，上海 200433

便攜式快速心電儀的設計與實現

楊磊1,2，張超2，梅楊楊2，張偉國2，黃勇1，張學龍1

1. 上海理工大學醫療器械學院 上海醫療器械高等專科學校，上海 200093；2. 上海碧埃荻電子科技有限公司，上海 200433

本文主要介紹一種智能便攜心電采集分析儀的設計及關鍵技術。該儀器具有體積小、抗干擾能力強、靈敏度高和超低功耗等特點；其主要由數據采集模塊、數據分析處理模塊、數據顯示和保存模塊等組成。處理芯片采用MSP430F149單片機。該分析儀在現代應急醫療處置場所（災難現場、車站、碼頭、機場）中，能為快速診斷提供更為有效可靠的臨床數據，具有廣泛的市場應用前景和醫療價值。

便攜式快速心電儀；心電圖；應急醫療

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研究背景：課題受上海市創新創業基金資助，主要針對現代應急醫療處置場所（災難現場、車站、碼頭、機場）需求，能為快速診斷提供更為有效可靠的臨床數據。該儀器具有體積小、抗干擾能力強、靈敏度高和超低功耗等特點，具有廣泛的市場前景應用和診療價值。

團隊/實驗室：本團隊依托碧埃荻-醫專醫療電子工程研發中心為平臺，主要針對現代醫療發展趨勢，堅持走“產學研”合作道路，主要研制便攜式醫療設備，其中包括：便攜式醫學影像設備、便攜式生命體征檢測儀器以及醫學實驗基礎設備等。

應用要點：“便攜式快速心電儀”具有小型化、高集成度以及低功耗的特點，可廣泛應用于急救、復雜環境、體育競技賽場、戰地、搶險救災等領域。

心電圖是心臟疾病診斷的重要工具之一，目前心電圖儀在醫院臨床中也已經有了廣泛的應用，給醫生診斷病癥帶來很大的幫助。但隨著社會的發展和變化，對醫療診斷也提出了新的要求[1-3]，不再是單純的在院診斷和治療，現在應急醫療、社區保健作為常規醫療的補充有著更為重要的意義。這些非常規醫療場所的應急需求兼有經常性和突發性，正是由于這些特征，對于迅捷檢測人體常規生理信號[4]，如心電信號[5]等，提出了新的要求。為此本文介紹一種新的便攜式快速心電儀的設計與實現，不僅解決了難度較大的微弱信號檢測，而且還增加了心電診斷分析功能，使其能在現代應急醫療處置場所（災難現場、車站、碼頭、機場）具有廣泛的臨床應用和醫療價值。

1 心電圖波形的形成

心臟在機械性收縮之前，首先產生一個電激動，然后，心肌激動所產生的微小電流就可經過身體組織傳導到體表，使體表不同部位產生不同的電位。如果在體表放置兩個電

通訊作者郵箱：xuelongz@yahoo.com.cn極，分別用導線連接到精密儀器(如心電圖機) 的兩端，就能按照心跳活動的時間順序，將體表兩點間的電位差記錄下來，從而形成一條連續的曲線[6]，即圖1所示的心電圖。

圖1 心電圖波形

2 心電導聯

在臨床上，為了獲取便于醫生用來分析比較的心電波形，對用于探測心電波形的電極位置，以及導聯線與放大器的連接方式都有嚴格統一的規定，人們將這種電極組及其連接到放大器的方式稱為心電圖的導聯系統。臨床上廣泛應用的是標準12導聯系統，分別為標準Ⅰ、標準Ⅱ、標準Ⅲ、加壓導聯avR、avL、avF、胸導聯V1-V6。

3個標準導聯、3個單極性加壓導聯以及6個單極胸導聯組成了目前廣泛應用的12導聯。實際上各導聯之間并無實質差別，只是從不同角度反映心臟的功能，各導聯配合使用以便正確診斷心臟疾病。

3 系統設計

本系統的設計主要考慮便捷、快速、準確，性價比等因素，所以儀器有以下特點：

(1)采用電池供電；

(2)元器件和芯片盡量選用最小封裝，以減小電路板面積。整個電路板尺寸為30mm×25mm；

(3)選用低功耗的的MSP430F149芯片做MCU。

整個系統原理圖如圖2所示：

圖2 便攜式快速心電儀的主要功能模塊

該系統采用運動專用電極通過心電信號采集模塊將信號拾取，心電信號處理模塊主要是對信號進行放大、濾波、基線漂移控制；動態校零主要是對系統連續工作時放大器的零點漂移進行校正[7]；由于需要適應不同場合的使用，該系統使用4節7號電池為系統供電， +3.3V電壓由MAX1675提供，同時使用電壓檢測電路（HT7033A）對電源進行監測、報警；MSP430F149對波形分析后，顯示于LCD。

3.1 心電信號放大電路

心電放大器的電路圖見圖3，其主要采用AD公司生產的低價格，高精度的儀用放大器AD620 構成。并且采用低噪低漂移的LM324構成跟隨器作為前級放大部分，同時還使用了右腿驅動電路。AD620 的增益范圍為1～1000 , 由其放大增益關系式：G= 1+49.4kΩ/Rg, 考慮到心電信號比較微弱，若前置級放大倍數過大，噪聲也會被放大。這樣對后期心電信號的處理帶來不便。所以取Rg=5kΩ//48.7kΩ，則G=12。其主要特點是：① 高輸入阻抗、低噪、低漂移；② 高共模抑制比。

圖3 心電放大器電路

3.2 心電信號處理電路

心電信號頻率主要集中在0.05～35Hz[8]，因此，系統中的處理電路應包括兩個部分：帶通濾波器和50Hz陷波器。其中U2A構成帶通濾波器：C3和R9構成高通濾波，截止頻率為0.05Hz，C2、R8和R10構成低通濾波，截止頻率為35Hz，放大倍數G1=70。U2B構成50Hz陷波電路用于濾除工頻干擾，放大倍數G2=1.5。心電信號處理電路如圖4所示。

圖4 心電信號處理電路

3.3 MSP430 單片機的特點

MSP430F149是德州儀器公司（TI）推出超低功耗Flash型16位單片機特別適合于電池供電場合或手持設備，它的結構是“馮-諾依曼”型[9-10]，RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一地址空間內，其特點如下：

(1)功耗低。電壓范圍寬（1.8～3.6V），在1MHz、1.8V條件下工作電流僅為160A，休眠時為0.1μA，這時RAM中的數據依然能夠有效保持，真正達到了微安級。MSP430F149單片機具有五種節能模式：LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4，這五種模式為其低功耗管理提供了極好的性能保證。

(2)強大的處理能力 。MSP430 系列單片機是一個 16 位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數尋址、 4 種目的操作數尋址）、簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅動下指令周期為 125 ns 。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。

(3)片內集成模塊豐富。MSP430 F149片內集成了以下模塊：看門狗定時器、1個精確的模擬比較器、2個具有捕捉/比較寄存器的定時器、8路12位A/D轉換器、2個串行通信接口、1個硬件乘法器、6個I/O端口（每個有8個I/O口）、60kB的Flash ROM、2kB RAM。

3.4 單片機接口連接

硬件連接包括MSP430F149單片機、心電采集和處理模塊、HT7033A電壓檢測芯片、AH5012動態校零模塊和RT12864點陣式液晶顯示器，連接圖如圖5所示。

圖5 硬件連接圖

3.5 系統軟件構架

圖6 程序主循環流程圖

系統開機初始化后，首先對電池電量進行檢測，接著為了對系統連續工作時放大器的零點漂移進行校正，采取軟件控制的動態校零；實現在心電信號中快速準確地檢出QRS波群是計算相關參數和診斷的前提，本裝置的軟件設計是通過差分閾值法對QRS波群進行檢測與分析，最終進行顯示。程序主循環流程如圖6所示。

4 結果分析

整個硬件系統經設計、制板、聯合調試之后，經過多次實驗表明，該系統穩定實用。基于對健康志愿者的測試實驗結果，如圖7所示。通過和圖1的對比，可見該系統顯示心電波形和標準心電圖波形相吻合，所以該系統采集和處理分析心電信號的方法是可行的，達到了臨床診斷的要求。

圖7 系統心電波形顯示圖

5 結束語

該便攜式快速心電儀相對于以往的心電圖儀器在抗干擾、便捷、快速以及穩定性方面都有很明顯的改進。一旦應急需求產生，最新的信息便具有最大的價值，作為常規醫療配備、社區、公園以及應急醫療處置場所（災難現場、車站、碼頭、機場）里的使用具有重要的意義——為快速診斷和現場處置提供可靠的依據，在更大程度上保障和挽救生命。

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Design and Realization of Portable Rapid Electrocardiograph

YANG Lei1,2,ZHANG Chao2,MEI Yang-yang2,ZHANG Wei-guo2,HUANG Yong1,ZHANG Xuelong1
1. Shanghai Medical Instrument College,Medical Instrument College of University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Shanghai BIT Electronic Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200433,China

This paper mainly introduces the design and key technology of an intelligent portable ECG acquisition and analysis instrument, which has signifcant features of small, high anti-inteference, high sensitivity, and ultra low power in performance.It consists of data acquisition module, data analysis and processing module,data display and storage module.The MCU is MSP430F149 microprocessor.This instrument can provide more effective and reliable clinical data for the rapid diagnosis in modern emergency medical treatment areas,such as disaster site, railway stations, wharves, airports. It has important medical value and broad market prospects.

portable rapid electrocardiograph;ECG;emergency medical

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.08.004

1674-1633(2010)08-0011-03

2010-03-07

2010-05-26

上海市重點學科（P0502）項目；上海市高校科技發展基金（07ZZ93）項目；上海市重大科研（06DZ11311）項目；河南省自然科學基金（0611051500）資助項目。

本文作者：楊磊，生物醫學工程碩士。

張學龍，教授，研究方向：醫學物理與工程。