一種基于ARM的便攜式心率監測儀的設計*

鄭 誠，余珊南，祝永華，徐 進

（衢州學院 電氣與信息工程學院，浙江 衢州 324000）

目前，社會人群正不斷向著老齡化的趨勢發展，心血管疾病發病率也逐年上升。心臟病的發作往往是隨機的、短暫的，稍縱即逝，患者難以及時趕到醫院進行心電檢查，從而影響到病因的及時診斷。傳統心電圖或動態心電圖都是一種回顧性的被動檢查，有時很難及時捕捉到有效心電圖，而且體積較大，對病人來說，實時監護基本沒有可能。因此，研發一種可以實時檢測、儲存心率的便攜式心率監測儀有著重要的意義。監測儀可以隨身攜帶，并對病人進行心率的實時監控、記錄，以便有突發狀況產生時能提供讓醫生能更快更好診斷病癥的依據。

本便攜式心率監測儀主要由信號采集、數據處理和數據管理3部分組成。心電信號采集部分由信號采集，濾波、信號放大和A/D轉換幾個部分組成。采集到微弱的心電信號后，通過濾波、放大得到有診斷價值的心電信號波形。然后將心電信號通過A/D轉換，轉換成數字信號輸入微處理器進行處理。信號采集部分主要功能是信號的采集、濾波、放大，應去除各種干擾的影響，如工頻干擾和肌電干擾等。數據處理模塊主要用來處理接收到的數據，然后按照一定的算法將其顯示在液晶屏上，形成了良好的人機界面。而數據儲存主要用于儲存心跳的波形數據，將心跳的波形儲存到SD卡中，并且可以連接到電腦上對心跳的波形進行分析，起到病癥的診斷作用。

1 儀器設計要求

在心電信號的監測過程中，由于實際工作情況并非理想狀態，監測信號中往往含有很強的背景噪聲，這些背景噪聲包括工頻噪聲、肌電噪聲、呼吸波噪聲、人體動作和電極極化等引起的各種隨機噪聲，心電信號存在的噪聲降低了診斷的準確性。其中，對信號影響最大的是醫療儀器設備電源50 Hz工頻干擾噪聲。在許多情況下，其幅度之大以至于可能影響到系統的正常工作和醫生對疾病的準確診斷。為了能準確去除外界干擾，得到準確的心跳波形，整個系統應做到較大的共模抑制比、較大的放大倍數和合理的帶通頻率，低功耗的工作也是要達到的目標之一。

2 儀器硬件設計

2.1 右腿驅動電路

右腿驅動電路通常用于生物信號放大器，以減少共模干擾。心電圖（生物信號放大器等）或肌電電路所發出的電子信號十分微小，通常只有幾微伏。而由于病人的身體也可以作為天線能受到電磁干擾，特別是50 Hz的工頻干擾，這種干擾可能會掩蓋生物信號，使得信號難以測量。因此，可以通過添加右腿驅動電路用來消除干擾噪聲。右腿驅動主要通過運算放大器反向放大來抑制人體帶來的較大的工頻干擾，只要運放的開環增益足夠大，就能基本使人體電位保持零位。

2.2 前置放大電路

人體心電信號幅值小，頻率低，不穩定，隨機性強，易受干擾，所以對心電放大電路的設計要求較為嚴格。選擇運算放大器時，必須從增益、頻率響應、共模抑制比、輸入阻抗、噪聲和漂移等方面綜合考慮。前置放大電路有較高的輸入阻抗、適當的增益和較高的共模抑制比，可以有效抑制人體的共模電壓和人體的各種活動帶來的干擾。

信號采集后，通過儀用放大器進行一級放大。設計采用的儀用放大器為B-B公司的精密儀用放大器INA118。INA118通過在腳1和腳8之間外接電阻 Rg來實現不同的增益，該增益可從1～1 000不等，電阻Rg的大小可由下式決定：G=（50 kΩ/Rg）+1。 其中，G 為增益，增益取在10左右，防止輸出過大，影響電路穩定；Rg取 2.8 kΩ；且此時共模抑制比在100 dB左右，可以有效抑制50 Hz工頻電帶來的影響。

在信號進入INA118儀用放大器之前，先通過較大的電阻形成較大的阻抗，減小信號的失真，然后通過電壓跟隨增強心電信號的穩定和輸出能力，再將處理過的心電信號送入儀用放大器。前級放大及右腿驅動電路如圖1所示。

為了增強信號的準確性，信號的輸入主要采用目前臨床上廣泛采用的銀-氯化銀電極，該電極具有電位穩定、可靠性好、低漂移和低噪聲的優點，而且使用方便，無殘留無污染。左手、右手、右腿分別通過電極連接到帶有屏蔽線的導線，這樣可進一步去除外部干擾對心電信號的影響。

2.3 帶通濾波電路

常規心電信號的頻帶范圍為 0.05 Hz～100 Hz，在此頻帶范圍內包含了心電信號的主要能量部分。正常心電信號為毫伏級信號，對于干擾環境而言屬于微弱小信號。因此，系統設計了帶通頻率為0.05 Hz～150 Hz的帶通濾波電路，將心電信號的有用成分從采集到的信號中分離出。

圖1 前級放大及右腿驅動電路圖

本設計選取一個10 μF的電容和一個3 MΩ的電阻構成一個一階無源高通濾波，主要濾除0.05 Hz以下的波形，去除一部分干擾。

選取一個4.7 kΩ的電阻和一個0.22 μF的電容構成一個一階低通濾波，主要濾除150 Hz以上的頻率。

高通濾波和低通濾波形成一個帶通濾波，范圍較廣，可以濾除大部分的高低頻干擾，通過帶通濾波后的心電信號已經可以較好地觀察到了。

2.4 后級放大電路

經過濾波后的心電信號雖然能被較好地觀察到，但是還不能被微處理器很好地識別，于是還需進行后級多次放大。運放采用OPA2604高精度雙運放，主要采用多次反向放大的方法放大心電信號。

先通過一次電壓跟隨增強輸出能力，對前級電路呈高阻態狀態，對后級電路呈低阻態，從而形成前后級電路的隔離。放大采用反向放大，多次進行放大倍數較小的放大，這樣就能出來一個較為清晰的心電波形了。帶通濾+后級放大+加法電路圖如圖2所示。

3 系統程序設計

主程序由多個模塊組成，多個模塊按一定的時序構成了整個監測儀的主程序，流程如圖3所示。

本系統技術指標為：（1）導聯：標準 II導聯；（2）共模抑制比：大于 100 dB；（3）放大倍數：可調，500～2 000倍；（4）通頻段：0.05～150 Hz；（5）供電：直流 5 V，外部供電；（6）工作環境溫度：0～50°C；（7）連續工作時間：24小時以上；（8）支持 SD/MMC卡存儲。

4 系統整體性能及實用分析

系統通過實機測試和示波器顯示測試兩個方面來測試監測儀是否能很好地工作、放大和顯示波形。實機測試和示波器顯示結果分別如圖4、圖5所示。通過測試發現，在實機上基本能看出和示波器上一樣的波形，有較為滿意的顯示效果，并且人在運動時對波形干擾不大，可實現隨身攜帶、隨時測量。數據儲存也能完成，無數據丟失的現象。可連續長時間檢測、儲存，達到了系統對心跳波形的長時間監控、顯示和儲存的要求。

圖2 帶通濾波+后級放大+加法電路

圖3 系統主程序流程

圖4 實機測試圖

圖5 示波器顯示實測圖

本設計針對便攜式心率監測儀對個人和家庭應用中的重要意義，設計提出了一種低功耗、便攜式的心率監測儀，能夠完成心率的監測，儲存功能。

本文設計了便攜式心電儀的數據采集部分，設計了相關的濾波電路，有效抑制了心電檢測中的干擾和噪聲，增強了心電信號的有用成分。在模擬信號處理中，采用右腿驅動電路及帶通濾波器，提高了系統抗干擾能力。數據處理部分將A/D轉換的心電數據實時顯示在LCD上，并存儲到SD卡中。采用NXP公司基于ARM Cortex-M3核的微處理器LPC1768，因為ARM能兼顧到高性能、低功耗、低價格及小的芯片尺寸。本設計在元件選擇和設計中充分考慮低功耗的要求。

本文設計的便攜式心電儀基本達到了預期目標，用示波器觀察數據采集部分各個階段的波形，證明模擬電路能完成相應功能。通過整機調試，系統運行良好，心電信號波形無失真。

但是該設計仍有許多需要提高的地方。系統的抗干擾能力應該進一步提高，而信號采集和放大部分的功耗還有待降低。降低了功耗，系統的性能會更進一步。

系統中未加入數據分析的部分。未來還會加入數據分析的程序，將采集到的數據與標準的心電信號進行對比、分析，來判斷心電波形的好壞，做到早發現、早提醒，減少了病人的風險。

還可結合無線網絡，將采集到的數據直接提交到醫院供醫生分析和對重癥病人實時監護，大大增加了病人的安全性，這也是未來心率檢測儀的一種發展趨勢。

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