手持式快速心電檢測儀設計

石波，張根選，曹陽

1 蚌埠醫學院醫學影像學系，蚌埠市，233030

2 深圳迪美泰數字醫學技術有限公司，深圳市，518067

0 引言

隨著電子科學技術的發展，便攜式心電設備已經打破醫用的傳統理念，逐步從醫院走向家庭。近年來，一些醫療器械研發機構投入了大量的資源進行家用心電設備的開發，以滿足健康人群和心臟病患者對非醫療環境保健、護理和監護的需求。

現有的家用心電設備，按照信號獲取的方式，可以分為導聯線連接測試法和直接接觸測試法[1-3]。導聯線連接測試法大多采用一次性凝膠型心電電極片進行信號采集，通常需要至少3根導聯線將電極片與心電設備相連。這種方法一方面增加了用戶的操作難度和使用成本，另一方面也容易引起皮膚過敏等癥狀，不適合于心臟病患者臨時快速檢測或健康人群日常隨時隨地的檢測。直接接觸測試法是利用無膏干性電極與皮膚直接接觸采集心電信號，不僅可以節約使用成本，而且應用方便，節省時間，特別是對皮膚無刺激，使用更加安全。

隨著干性電極工藝和技術上的進步以及成本的降低，目前市場上出現了較多的直接接觸式快速心電檢測儀器，如歐姆龍的HCG-801、邦普的EF1800、益體康的HC-201等。這些產品體積小、方便攜帶，通過直接皮膚接觸可快速進行心電信號檢測。但是由于直接接觸測試法比導聯線連接測試法受到的干擾要大得多，導致這些產品的心電信號帶寬較窄。本文采用低倍數放大、高分辨率模數轉換和數字濾波等技術，設計了一種手持式心電檢測儀，用于心率和心電圖快速檢測，心電信號帶寬0.05 Hz～150 Hz可調，可滿足日常健康保健和心臟病初步診斷的要求。

1 方法

1.1 導聯/電極的選擇

理論上，體表的任何兩個部位都可以作為電極接觸點記錄到心臟的電活動。但是在實際應用中，為了獲得便于醫生進行比較分析的心電圖，對電極的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，這種電極位置及導聯連接方式稱為心電圖的導聯系統[4]。目前，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以及胸導聯V1-V6。其中，標準Ⅰ導聯是左上肢電極連接放大器的正極，右上肢電極連接放大器的負極，我們可以采用兩片可重復使用的干性金屬作為電極，對左手食指(+)和右手食指(-)進行心電快速檢測，如圖1所示。

圖1 手指接觸式心電采集Fig.1 ECG acquisition based on fingers touching

同理，采用此類的干性金屬電極也可以進行Ⅱ、Ⅲ導聯以及V1～V6等胸導聯心電圖的快速檢測。

1.2 放大與模數轉換

傳統的心電采集前端模擬放大器多采用交流耦合的方式，主要使用儀表放大器集成電路(Integrated Circuit Instrumentation Amplifier，ICIA)芯片[5]或專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)芯片[6]來實現。不管是采用ICIA芯片還是ASIC芯片，多級模擬電路如前置放大、高通濾波、低通濾波、后置放大、50/60 Hz陷波等環節的使用導致系統內部噪聲較大；同時過高的放大倍數使得放大器的輸入信號動態范圍(Input Signal Dynamic Range，ISDR)過小，在記錄干擾比較大的直接接觸得到的心電信號時，放大器容易飽和。本文采用低倍數的放大器[7]和高分辨率的模數轉換器(Analog to Digital Converter，ADC)來解決這些問題。

心電信號的幅值一般不超過5 mV，但是直接皮膚接觸式測量容易產生較大的極化電壓，最高可達300 mV。如果選用的ADC的參考電壓為2.5 V，則當放大器的增益設置為8倍時，系統才不會因為干擾過大而飽和。低放大倍數放大器的使用，還必須配合高分辨率的ADC提高測量精度。根據以上條件，本文選用TI(Texas Instruments)公司的ADS1255。ADS1255是一款24位的ΔΣ型ADC，內置輸入緩沖器、低噪聲可編程增益放大器(Programmable Gain Amplifier,PGA)，共模抑制比可達110 dB。當數據采樣率為500 SPS、PGA=8時，可提供20.9位有效分辨率，可以實現μV量級的分辨能力，完全能滿足測量要求。

1.3 心電信號預處理

心電信號比較微弱，在記錄過程中極易受到各種干擾的影響，如工頻干擾、呼吸干擾、肌電干擾、電極極化噪聲和電極接觸噪聲等，因此對記錄的心電信號進行預處理是十分必要的。傳統的心電信號記錄在模數轉換之前必須進行濾波預處理。由于采用低放大倍數放大器和高分辨率ADC，系統具有很高的ISDR，因此濾波可以放在ADC之后采用純數字濾波器實現。考慮到應用于嵌入式設備，本文選用IIR濾波器。直接接觸獲取的心電信號的噪聲，遠大于傳統采用凝膠型電極的導聯模式。圖2為采集的指端I導聯心電信號，經過0.05 Hz～75 Hz的切比雪夫4階濾波后，可以看出心電信號中還含有較大的干擾。這些干擾信號的頻率與心電信號的頻率存在著重疊，因此僅僅采用數字濾波的方法還無法將其消除，需進行進一步處理。

圖2 指端I導聯心電信號Fig.2 Lead I ECG recordings with direct fingertip contact

1.4 心電波形識別與提取

本文采用模版相似度峰值方法[8]進行心電P-QRS-T波形的識別，即將預先設定的P-QRS-T波形作為模版，對時間連續的每一個采樣點數據及其鄰近的不大于P-QRS-T時段的數據時段進行相似度計算。模板相似度P定義為：

式中Y為預設模板；X為心電記錄數據或者其函數，N為P-QRS-T波形數據時段長度，t為心電數據記錄時間并且不小于N。根據上述方法對記錄的心電P-QRS-T波形的時間進行鎖時，并對P-QRS-T波形時段的每一個數據進行鎖時和空間疊加平均運算，以此消除隨機噪聲等干擾。圖3為在PC機上模擬運行的結果。

圖3 心電波形提取Fig.3 ECG waveforms extraction

1.5 系統的實現

硬件系統結構框圖和心電信號處理流程分別如圖4和圖5所示。

圖4 硬件系統結構框圖Fig.4 Block diagram of the device

圖5 心電信號處理流程Fig.5 ECG signals processing flowchart

干性電極通過直接與皮膚接觸采集人體體表心電信號，心電信號經過阻抗匹配和放大后送至高速24位ADC進行模數轉換，得到的數字信號由微處理器(Micro Control Unit，MCU)先進行數字濾波預處理，然后完成心電P-QRS-T波形的識別和提取，結果在OLED屏幕上顯示。

為了保證運算速度，微處理器選用微芯公司的PIC32MX4XXL。PIC32MX是32位高性能單片機，采用改進的哈佛構架，具有體積小、功耗低、功能強和速度快等優點。

2 結果

按照上述原理，開發了快速心電檢測儀，如圖6所示。

圖6 樣機實物照片Fig.6 A picture of the device

通過干性金屬電極直接接觸右手食指和左手食指進行Ⅰ導聯心電快速檢測，圖6顯示了12 s心電圖的提取波形和心率值。其他導聯，如Ⅱ、Ⅲ、V1～V6等導聯心電圖，可保持放大器的負極接觸部位不變，通過改變放大器的正極接觸部位獲得。

3 結論

本文采用低倍數放大、高分辨率模數轉換和實時數字濾波等技術設計了一種手持式心電檢測儀。利用干性電極直接皮膚接觸即可完成心率和心電圖的快速檢測。該設備體積小、攜帶方便，操作簡單，可用于心動過速、心動過緩、早搏、二聯律、三聯律、陣發性心動過速、漏博等心臟疾病的初步診斷。但是由于心臟病患者缺乏心電圖學相關的知識，對此類異常心電的自動診斷功能還需要進一步完善。

[1] Yan L,Yoo HJ.A low-power portable ECG touch sensor with two dry metal contact electrodes[J].J Semicond Tech Sci,2010,10(4):300-308.

[2] Gómez-Clapers J,Casanella R.A fast and easy-to-use ECG acquisition and heart rate monitoring system using a wireless steering wheel[J].IEEE Sens J,2012,12(3):610-616.

[3] 李肅義,楊美玲,丁梅,等.動態心電采集記錄系統的發展與展望[J].生物醫學工程學雜志,2012,29(1):175-179.

[4] 黃嵐,宋凌鯤.現代心電圖學[M].北京:化學工業出版社,2011.

[5] Nemati E,Deen MJ,and Mondal T.A wireless wearable ECG sensor for long-term applications[J].IEEE Commun Mag,2012,50(1):36-43.

[6] Liu X,Zheng YJ,Phyu MW,et al.An ultra-low power ECG acquisition and monitoring ASIC system for WBAN applications[J].IEEE J Emerg Sel Top Circ Syst,2012,2(1):60-69.

[7] Tsau Y,Jiang XL,Yu Y,et al.A new approach to the diagnostic quality ambulatory ECG recordings[A].P IEEE ICIA[C].Shenzhen:IEEE Press,2011:85-90.

[8]曹陽.心電信號分析處理裝置[P].中國實用新型專利:ZL200920133896.5.