多床位心電監護儀設計與實現

摘 要：為了實現對多個床位患者心電的監護，提出多床位心電監護儀設計思想，解決傳統心電采集過程中對單床位患者心電的監護，實現醫生集中監護病房中患者心臟跳動的目的。上位機采用Visual C++ 6.0開發監護控制軟件，采用USB 2.0接口接收下位機上傳的心電數據；下位機用MCS-51單片機采集患者的心電數據。

關鍵詞：心電監護; 上位機; 信號放大; 心電采集

中圖分類號：TN710-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0181-04

Design and Implementation of Multi-bed ECG Monitoring System

MA Wei1，2

(1.Yinchuan Vocational College， Yinchuan 750105， China; 2.Xidian University， Xi’an 710071， China)

Abstract： In order to realize the patients′ ECG monitoring of multi-bed， the designing idea of multi-bed monitoring system is proposed for solving the problems of ECG monitoring of individual bed patient in the traditional acquisition process of ECG and centralizing monitoring of the patients′ heart beating by doctors. The monitoring and controlling software were developed with Visual C++ 6.0 on the upper computer. USB 2.0 interface is adopted to receive the ECG data from lower computers， which employ MCS-51 MCU to acquisite ECG data from the patients.

Keywords： ECG monitoring; PC; signal amplification; ECG acquisition

0 引 言

為了適應現代醫療業的迅速發展，心電監護儀是臨床診療的一種必備檢查設備。心電監護儀種類較多，如臨床使用的基于PC平臺的心電監護儀，家用便攜式心電監護儀，隨時攜帶便攜式心電監護儀等。

調查表明，心血管疾病已經成為目前威脅人類生命的主要疾病之一，導致此類疾病的主要原因是人們生活節奏加快、人口逐漸老齡化以及生活不規律性。心血管疾病的主要特點是突發性、短暫性和危險性。如果不能及時發現并進行治療，將會導致患者死亡的嚴重后果。

心電監護儀是檢查、診斷和預防該類疾病的重要手段和依據，是監護患者心臟狀態的一個重要儀器；對于心肌梗塞、心律失常等癥狀，心電監護儀的使用貫穿于治療、康復的整個過程。由于傳統的基于PC機平臺的心電監護儀，價格昂貴，體積龐大，不便于移動且主要集中在大醫院，給醫生和患者帶來了很大的不便［1］。采用一臺PC機設計一種新型多床位心電監護儀。它利用上位機來遠程監視多位患者的心電，不但可以降低成本、縮小體積，而且還可以同時監護多位患者，方便醫生隨時查看被檢查床位患者的病情。

1 心電波形知識

1.1 心電波形組成

心電波形是由一系列的波組所構成，每個波組代表著每一個心動周期。一個波組包括P波、QRS波群、T波和U波［2］，如圖1所示。

(1) P波。

P波由心房除極所產生，是每一波組中的第一波，心臟的激動發源于竇房結，然后傳導到達心房，它反映了左、右心房的除極過程。前半部分代表右房，后半部分代表左房。

P波呈鈍圓形，可有輕度切跡；P波時小于＜0.11 s，雙峰間距小于0.04 s。

(2) QRS波群。

典型的QRS波群包括三個緊密相連的波，第一個向下的波稱為Q波，繼Q波后的一個高尖的直立波稱為R波，R波后向下的波稱為S波。因其緊密相連，且反映了心室電激動過程，故統稱為QRS波群。這個波反映了左、右兩心室的除極過程。QRS時限小于0.11 s。

(3) T波。

T波位于S-T段之后，是一個比較低且占時較長的波，它是心室復極所產生的。T波在24 h振幅變化較大。

T波鈍圓，占時較長，從基線開始緩慢上升，然后較快下降，形成前肢較長、后肢較短的波形；T波方向常和QRS波群的主波方向一致；T波的振幅不應低于同導聯R波的1/10。

(4) U波。

U波位于T波之后，比較低小，其發生機理未完全明確；一般認為是心肌激動的“激后電位”。

1.2 心電信號的特性

一般電信號有三大特征：幅度、頻譜和信號源阻抗。作為生物電的心電信號也是如此［3］：

(1) 微弱性。

心電信號是自人體體表特定點處拾取的生物電信號，信號通常十分微弱，其幅度一般不超過5 mV。

(2) 低頻特性。

通常心電信號的頻率較低，其頻譜范圍一般為0.05～100 Hz，頻譜能量主要集中在0.25~35 Hz之間。

(3) 高阻抗特性。

作為心電的信號源，人體源阻抗一般較大，可達幾千歐到幾十千歐，它將給心電測量帶來誤差和失真。

(4) 不穩定性和隨機性。

人體是在內環境與外環境相適應的條件下維持其新陳代謝和生命。為適應各種外環境的變化，人體內各種系統的功能活動都在相互影響中不同地變化調整著，以在內環境保持平衡。同時遺傳等因素也造成人體的個體差異。由于人體所處內外界環境在時空上的復雜多變性和個體差異，使得人體心電信號表現出不穩定性和隨機性。

2 多床位心電監護儀的設計方案

2.1 總體功能目標

開發多床位心電監護儀主要實現以下功能目標：

(1) 對所監護每一床位實現監護、動態顯示心電波形和打印功能；

(2) 對所監護每一床位患者的心電數據存儲，并具有查看重顯功能；

(3) 監護軟件可以自動計算心率、并能顯示心率數值；

(4) 實現上位機的床位選擇功能，顯示多個床位的心電畫面，重點患者心電波形可置頂顯示；

(5) 實現上位機與下位機的通信功能；

(6) 實現下位機的心電數據采集功能；

(7) 實現上位機USB接口和串口RS 232的轉換設計；

(8) 患者心率為0時，實現上位機的報警功能；

2.2 系統總體結構

根據多床位心電監護儀所要完成的功能和特點，建立該系統的主要結構如圖2所示。

圖2中，PC主控機主要安裝有多床位心電監護儀控制軟件，完成1～8個床位的監護工作，同時要具備計算心率和心電報警的任務；8051單片機主要用來接收A/D轉換后的心電數字信號；A/D轉換完成心電的模擬信號轉換為單片機要接收的數字信號；光電隔離電路用于心電信號進行去噪、濾波；心電采集和放大器完成對患者心電信號的采集并放大采集信號；心電導聯主要連接患者身體的檢測部位，采集患者的心電信號。

2.3 多床位心電監護儀控制系統

多床位心電監護儀控制系統是基于Visual C++ 6.0開發的上位機監控系統，主要完成的功能有開始監護、停止監護、重顯、心率顯示、取圖(波形顯示和波形采集)、網格圖紙顯示、存儲、打印、報警、時間和日期，以及利用Visual C++編寫USB驅動程序。

系統軟件結構框圖如圖3所示。

(1) 開始監護。

啟動多床位心電圖監護軟件后，出現開機畫面，選擇要監護的床位，在確認好患者的導聯采集裝置都連接好后，點擊開始監護，對患者的心電信號進行實時采集，同時顯示心電網格圖紙、心電波形、監護時間和保存心電數據，計算出患者當前的心率，達到對其中一個床位進行監護的目的。如果有多個床位同時需要監護，建立對應床位的監護界面，點擊開始監護即可進行。

(2) 停止監護。

監護過程中，對不需要再繼續進行監護的床位患者，選擇停止監護；保存好患者的心電數據，用于醫生診斷時重顯監護時的心電數據。

(3) 系統報警。

患者進行病情監護時，如果心電波形出現異常，心功能參數超出標準范圍，心率為0時，系統會即時報警。

(4) 日期時間。

顯示患者進行監護時的時間，用于醫生診斷時對患者病情的了解，并能及時做好病情的診治。

(5) 取圖。

完成來自USB接口采集的心電信號數據，以波形形式顯示到計算機屏幕上。

(6) 數據保存。

數據保存的目的是將患者心電波形數據、監護日期和時間都保存下來。

(7) 心率計算。

心率計算是將采集的心電實時數據，利用RR間期的差值方法計算心率，并顯示到屏幕上的編輯框中，醫生第一時間就可以掌握患者的心率資料。

(8) 重顯。

挑選出有典型意義的波形進行分析處理，調出患者某一時間的心電數據，顯示心電波形和時間，幫助醫生來分析患者的病癥。

(9) 打印。

采集的心電波形、計算所得的心率、監護時間打印到心電圖網格紙上，幫助醫生根據臨床經驗，進行醫學診斷。

3 硬件設計

3.1 心電信號采集

根據心電信號的特性，采用心電信號模擬器模擬產生心電信號。這種心電信號很微弱，最大只有4 mV。將提取后的心電模擬信號送入前置放大器初步放大，對各種干擾信號進行一定抑制后送入帶通濾波器，濾除心電頻率范圍以外干擾信號，主放大器將濾波后的信號進一步放大到合適范圍，經由50 Hz和35 Hz陷波器濾除工頻和肌電干擾，得到符合要求的心電模擬信號，隨后就可由模擬輸入端送入8051單片機的ADC上，進行高精度的A/D轉換和數據的采集存儲，如圖4所示為心電信號的采集過程。

心電信號是一種低頻弱信號，對心電信號采樣精度的考慮主要是出自于對ST段異常分析處理的要求，ST段電平變化為0.05 mV，已經得到公認，因此采樣精度至少為0.025 mV。根據美國心臟學會AHA標準和Nyquist采樣定律，當信號采樣頻率等于或大于信號最高頻率的2倍時，就可以從抽樣后的信號中不失真的還原出原信號。ECG頻率范圍為0.05～100 Hz，取采樣頻率為200 Hz，即采樣周期為5 ms［4］。采用ADC0809的逐次逼近8路模擬信號輸入的10位ADC，輸入滿刻度電壓為2.5 V，能分辨出來的輸入電壓變化的最小值為2.5/210＝2.5 mV，心電采集放大倍數約為1 000倍，輸入端的最小分辨率約為2.5/1 000＝0.002 5 mV，故滿足系統采樣要求。

3.2 前置放大電路

設計選用儀表放大器AD620作為前置放大器，如圖5所示［5］。有效解決了心電信號采集時伴隨的較強背景噪聲和干擾；同時解決了心電信號頻率低，變化緩、信號弱，信號源阻抗較高的特性。

為防止前置放大器工作于飽和或截止區，其增益不能過大，實驗表明10倍左右效果較好。U3將R2，R3檢出的人體共模信號用來驅動導聯線屏蔽層，以消除分布電容，提高輸入阻抗和共模抑制比。U4，R5，R6，C1構成“浮地”驅動電路，將人體共模信號倒相放大后，激勵人體右腿，從而降低甚至抵消共模電壓，較強地抑制50 Hz工頻干擾。U1，U2用于穩定輸入信號和提高輸入阻抗，進一步提高共模抑制比。

3.3 帶通濾波及主放大電路

由于心電信號頻帶主要集中在0.05～100 Hz之間，頻帶較寬，為此采用OP2177的兩個運放分別設計一個二階壓控有源高通和低通濾波器，組合成帶通濾波。帶通濾波由雙運放集成電路OP2177構成，如圖6所示［5］。

主放大電路由OP1177(U7)，R12，R13構成。考慮到心電信號幅度約為0～4 mV，而A/D轉換輸入信號要求1 V左右，從而整個信號電路放大倍數需要1 000倍左右。而前置方法約10倍，因此本級放大倍數設計為100倍左右。

3.4 陷波和電平抬升電路

(1) 50 Hz陷波。

雖然前置放大器對共模干擾具有較強的抑制作用，但工頻干擾是心電信號的主要干擾，部分工頻干擾是以差模信號進入電路的，且頻率處于心電信號頻帶之內，必須專門濾除。為較好地濾除工頻干擾，專門設計了一個8階巴特沃斯50 Hz陷波器，采用的時鐘信號頻率為2.5 kHz，設計電路如圖7所示［5］。

經測試陷波深度可達50 dB，效果較理想。

(2) 35 Hz陷波及電平抬升。

人體肌電隨著個體的差異也會對心電信號造成不同程度的干擾，有時甚至淹沒心電信號，因而有必要加以抑制。研究表明，肌電干擾主要集中在35 Hz左右，為此，本系統還設計了如圖8所示［5］的35 Hz的無限增益多路反饋型二階陷波器。其截止頻率約為35 Hz，Q約為7，可符合實際要求。

經過一系列信號調理后，陷波輸出的心電信號為交變信號，而該系統中單片機內置ADC轉換輸入電壓范圍為0～4.98 V，因此，在送入ADC之前還需進行電平抬升，在圖8中，電平抬升部分由U11，R42，R43，R44構成。

3.5 上位機中USB接口與RS 232接口轉換電路的設計

設計該轉換電路時，采用CH341設計了一個簡單的3線RS 232串口，如圖9所示。通過實驗，可以達到系統的要求。

圖10所示為系統在重顯時第一個床位的心電波形圖。

4 結 論

至此，利用心電信號模擬發生器，連接前置放大器、帶通濾波及放大器、50 Hz陷波和35 Hz陷波及電平抬升，與單片機實驗箱上的ADC0809轉換器相連；將實驗箱上的單片機串口經USB與RS 232轉換器連接至PC機。

啟動PC機多床位心電監護儀系統，選擇第一個床位監護命令，按動心電信號模擬發生器產生心電信號，PC機接收下位機上傳的心電信號數據；并在第一個窗口中顯示了該心電波形。心電波形清晰，并能計算出心率和顯示，同時也顯示出監護的時間達到了預期效果。

參 考 文 獻

［1］王寧寧，趙秋生，王深，等.基于ARM9的無線多床位心電監護儀的設計［J］.微計算機信息.2009，25(11):161-163.

［2］盧喜烈，盧亦偉.12導同步動態心電圖學[M].北京：化學工業出版社醫學出版分社，2007.

［3］周希賢.生物醫學電子學及實驗［M］.蘭州：蘭州大學出版社，1980.

［4］王運鑫，和衛星，薛海濤，等.基于ARM7的新型嵌入式心電監護儀的研制［J］.微計算機信息，2006，25(z12):97-99.

［5］張洲.基于ARM7的便攜式心電監護儀及心電分析的研究［D］.廣州:廣東工業大學，2005.

［6］劉自立，許劍，陳金水，等.基于無線片上系統技術的心電監護系統的設計與開發［J］.中國科技論文在線，2009，4(1):69-74.

［7］黃進文.一種心電信號采集放大電路的簡單設計方法［J］.現代電子技術，2009，32(7):104-106.

［8］胡錦，蔡谷明，梁先宇，等.單片機技術實用教程[J].北京：高等教育出版社，2003.

［9］鄭阿奇.Visual C++實用教程［M］.2版.北京：電子工業出版社，2004.

［10］薛園園，趙建領.USB應用開發實例詳解［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

作者簡介：

馬 偉 男，1982年出生，寧夏人，在職碩士研究生，講師。研究方向為嵌入式系統開發。