基于無線傳感器網絡的微型心電圖檢測儀

許劍楓

（閩南理工學院 光電與機電工程學院，福建 石獅 362700）

0 引 言

隨著我國城市人口老齡化程度的加快，以及物質生活的改善，心血管、心臟一類疾病也在不斷的增長，也有報告稱：隨時隨地的及時診斷，可為70%以上的心血管病人提供治療和生存的希望。而人們也普遍希望能夠擁有一種便攜式醫療儀器，能夠在家里隨時隨地進行心電信號的測量與記錄，并能隨時得到醫生的及時診斷，也不需要來回奔波于醫院和家里。對于情況嚴重的患者或行動不便的人，這種需求就更為強烈。如果一位患有心臟疾病的患者有了這樣一部便攜式儀器，就可以隨時測量自己的心電波形，實時地從醫生那里了解自己的身體情況，方便疾病的快速診斷。

文中以心電信號為主要采集信號，設計相應的放大器、濾波器，對微弱的心電信號進行放大和濾波，將得到的較純凈的心電信號通過單片機的A／D模塊進行采集并顯示，再按照使用者的要求選擇執行心電波形的打印和彩信發送等功能。具體流程如圖1所示。

1 生物醫學信號及其采集處理系統

生物醫學采集處理系統由傳感器、前置放大器、模擬濾波器、程控增益放大器、A／D轉換器、單片機和輸出顯示等幾部分組成。其原理框圖［1］如圖2所示。

圖1 心電圖儀總體設計框圖

圖2 心電信號采集系統原理框圖

生物信號由傳感器進入前置放大器，經前級放大后，由二階高通濾波器濾除直流或低頻成分干擾信號，再經程控增益放大器放大或衰減為ADC的輸入電平范圍。

2 前置放大器

2.1 生物電采集的前置放大器

集成儀用放大器AD620作為前置放大器。AD620輸入端采用超β處理技術，具有低輸入偏置電流、低噪音、高精度、較高建立時間、低功耗等特性，共模抑制比可達130dB，其增益可調（范圍約1～1 000倍）［2］，非常適合作為醫療儀器前置放大器使用。

AD620的相關特性參數［3］如圖3所示。

圖3 AD620的相關特性參數

2.2 帶自舉電路的前置放大器

為了使電路的共模抑制比進一步提高，可采用帶共模自舉和屏蔽驅動技術［4］如圖4所示。

圖4 帶共模自舉和屏蔽驅動技術的前置放大器

圖4 中的集成運放A4從兩只電阻R的中點取出第1級運放輸出的共模電壓反饋到正負電源的公共端，使運放電源電壓跟隨輸入共模電壓浮動，從而使各級偏置電壓都跟蹤共模輸入電壓。則各級共模信號大大削弱，使前置放大器的共模抑制比提高［4］。

另外，儀表放大器輸入電阻很高，為防止外界改用一組浮置電源（不共地）供電。由圖中可見，浮置電源公共端N點的電位與輸入共模電壓Uic相同，即

因此，對于運放A1、A2來說，輸入共模電壓相當于零，從而有效地消除了共模干擾的影響。另外，儀用放大器輸入阻抗很高，為防止外界信號對輸入線的干擾，通常采用屏蔽并接地的方法來防止干擾。這樣輸入電纜的兩條芯線與屏蔽層之間形成了兩個分布電容C1和C2，兩條芯線存在著漏電阻Rs1和Rs2，設Rs1和Rs2中也包括了信號源內阻，于是C1、Rs1和C2、Rs2在儀用放大器輸入端形成了RC分壓器［5］，如圖5所示。

若Rs1C1≠Rs2C2，則交流共模干擾便會在儀用放大器的兩個輸入端之間形成差模誤差信號，儀用放大器的輸出信號中就會出現共模誤差電壓，降低放大器的共模抑制能力。

圖5 分布參數對CMRR的影響

若電纜的屏蔽層不接地（見圖4），接到圖中N點，形成共模驅動屏蔽。這樣電纜屏蔽層上的電壓就能跟蹤輸入共模電壓的變化，兩條芯線與屏蔽層之間就沒有共模電壓差存在，較好地解決了長線傳輸時交流共模干擾的問題。

前置放大器的具體實現電路如圖6所示。

圖6 前置放大器的具體實現電路

3 濾波器

3.1 生物電信號采集系統的濾波器

在生物電信號采集過程中，不可避免地會混入各種干擾，因此，想要得到清晰穩定的生物醫學信號，濾波器的設計很關鍵［6］。

為此需要設計多個濾波器對信號濾波，具體見表2。

表2 本次設計的濾波器一覽表

3.2 采用sallen－key拓撲結構的濾波電路

sallen－key結構的二階高通濾波器［7］如圖7所示。

圖7 二階高通濾波器

這種結構的濾波器的優點是外圍元件的參數漂移對濾波器的性能影響很小，使電路的穩定性得到保證。

濾波器的傳遞函數：

電阻、電容的計算公式如下：

P值最好為0.1～10，P可以用于優化元件值或元件發散比。

通過選擇AVF＝1，QP＝0.707，CX＝10μF，fC＝0.05Hz，計算得HPF1的R，C值為：R1＝225kΩ，R2＝450kΩ，C11＝10μF，C12＝0μF，C3＝10μF。

通過選擇AVF＝1，QP＝0.707，CX＝1μF，fC＝20Hz，計算得HPF2的R，C值為：R1＝2.8kΩ，R2＝5.6kΩ，C11＝1μF，C12＝0μF，C13＝1μF。

3.3 基于開關電容濾波器（SCF）的ADC抗混疊處理

3.3.1 開關電容濾波器MAX7480

MAX7480是一款低失真低功耗的8階Butterworth低通濾波器，工作于＋5V的單電源電壓下，轉角頻率可以通過外加脈沖或外接電容設置為1.0～2.0kHz，失真小于－73dB，輸出失調電壓小于5mV，工作模式下靜態電流小于2.9mA，關閉模式下靜態電流小于0.2mA。MAX7480引腳圖如圖8所示。

圖8 MAX7480引腳圖

3.3.2 具體電路實現

MAX7480使用極其方便，通過在CLK端外加時鐘脈沖fCLK就可以設置濾波器的轉角頻率fC。fCLK與fC的關系是：

或者也可以使用芯片內部的振蕩器獲得時鐘頻率fOSC，這時需要在CLK端外接電容COSC，fOSC與COSC的關系是：

由于本系統只需600Hz和1kHz的轉角頻率，故采用外接電容法。通過跳線開關選擇一個電容。經過計算得到COSC分別為：

fC＝600Hz時，COSC＝1 060pF；

fC＝1kHz時，COSC＝530pF。

具體電路如圖9所示。

圖9 抗混疊濾波器實現原理圖

3.4 陷波電路

雖然前端采用集成化器件已經有了很高的共模抑制比，但由于它不能消除干擾以及后級電路再次引入50Hz工頻干擾，在電路的最后部分仍需加入50Hz陷波器，其可以采用雙T帶阻濾波器［8］，如圖10所示。

圖10 雙T帶阻濾波器

4 可控增益放大器

4.1 多路模擬選擇開關CD4051

CD4051是單八通道雙向模擬選擇開關，電源電壓典型值是15V，導通電阻Ron＝80Ω，導通電阻路間差ΔRon＝5Ω，開關關斷下的漏電流I＝0.08A，開關轉換時間tran＝120s，功能［9］見表3。

表3 CD4051功能表

4.2 可控增益放大的分析

可控增益放大器［10］由兩級組成，如圖11所示。

圖11 可控增益放大器的實現原理

第1級的功能是通過手動按鍵調節放大器的增益，使第1級輸出電壓保持在－2.5～＋2.5V范圍之內。第2級是一個加法電路，實現的功能是將第1級輸出電壓提升2.5V，輸出0～5V電壓以便與ADC的輸入電壓相匹配。

采用手動按鍵調節時，電路的工作過程是：手動按鍵產生計數脈沖給計數器74 161，計數器的的輸出端Qc、Qb、Qa共產生8種輸出組態，作為CD4051的控制信號。輸出Qd作為清零信號實現8進制計數。

CD4051的輸入控制信號CBA的8種組態分別控制8個通道接向公共I／O端，使放大器獲得8種反饋電阻值，實現8種增益。

第2級加法電路實現電位提升的原理［11］是：

可控增益放大器輸出0～5V信號，先送至SCF MAX7480進行抗混疊濾波后，再送至ADC。

5 結 語

通過傳感器、前置放大器、模擬濾波器、程控增益放大器等進行放大和濾波，并將A／D轉換后得到的心電數據再通過單片機處理，在GPRS網絡的基礎上，使用WAP協議與互聯網聯系，將測量到的數據即時傳送到遠程服務中心。醫生通過分析從遠程中心獲得的患者數據可以第一時間掌握患者的病情，并根據實際病情采取進一步的治療或者預防措施。特別對于病情嚴重的患者，這款便攜式微型心電圖檢驗儀將為其贏得最為寶貴的治療時機。

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