一種便攜式心電監測裝置

秦 玉 偉

(1.渭南師范學院 數理學院，陜西 渭南 714099；2.陜西省X射線檢測與應用研究開發中心，陜西 渭南 714099)

【現代應用技術研究】

一種便攜式心電監測裝置

秦 玉 偉1,2

(1.渭南師范學院 數理學院，陜西 渭南 714099；2.陜西省X射線檢測與應用研究開發中心，陜西 渭南 714099)

設計了一種以MSP430為控制核心的便攜式心電監測裝置，心電信號通過傳感電極導出后，經過放大和濾波電路進行處理，并利用A/D電路將模擬量轉換為數字量，傳遞給MSP430F149進行分析，最后進行顯示和存儲。實驗結果表明，該監測裝置能實現人體心電信號監測，并能及時反映心電信號的曲線變化，具有低功耗、體積小、便于攜帶、實用性強等優點。

MSP430；心電監測；傳感電極

心血管疾病是一種多發性慢性疾病，長期威脅著人們的身體健康。若能在病情初期及時發現并進行治療，將會大大減少病人死亡率。[1]心電圖作為一種輔助診療手段，能夠實現對心臟疾病的檢測。[2-3]傳統的心電圖為單極胸導聯，即電極直接放置于胸壁上，檢測時需要被測人平躺，記錄被測人處于靜態時的心電圖，受診療環境的限制，病人無法得到實時監控。[4]動態心電圖(DCG)可以連續記錄24小時心臟活動的全過程，包括休息、活動、進餐、工作、學習和睡眠等不同情況下的心電圖資料，并能夠發現臨床心電圖(ECG)難于發現的心肌缺血和心律失常，是臨床分析病情、確立診斷、判斷療效的重要客觀依據，但其價格昂貴、體積大、攜帶不便。[5]針對傳統心電圖儀和動態心電圖儀的缺點，設計了一種便攜式心電監測裝置。

1 心電圖儀的工作原理

生物體能夠適應外界的環境變化并作出反應，當感官接收到外部信號后，將外界信號轉變成一種特殊的電信號即神經信號。生物體必須通過生物電完成正常的生理活動，表現為生物體活動時的神經、肌肉和感覺器官電位變化，因此在生物體的不同部位進行監測，監測數據反映生物體的各項機能。在生物科學領域，主要生物電有心電、肌電、腦電、眼電、胃電等。[1-2]血液在人體血管中循環流動依靠心臟有節奏地搏動，以維持正常的生命活動。心臟搏動之前，會使心肌產生興奮和電流，因此，心電能夠反映心臟的活動情況。由于人體各組織離心臟的距離不同，因此電流流經各組織時會產生差異性的電位差。電位差可以通過敏感元件導引出人體，通過記錄電位變化并以動態曲線的形式顯示，即醫學上的心電圖，也叫體表心電圖。正常的心電信號幅值范圍為10 μV～5 mV，典型值為1 mV，頻率范圍為0.05～100 Hz。[6-8]

1.1 生物檢測電極

生物體內電信號檢測，需要檢測電極與人體直接耦合，將體內的電信號有效地導出。[4]測量時，將3個檢測電極放置于體表，檢測電極與人體接觸時，人體表面的汗水與電極接觸，人體、汗水和生物電極就形成一個金屬—電解質溶液界面。生物電極和電解質溶液的界面之間形成電位差，通過后置放大、濾波等處理，將生物電檢測出來。考慮Ag/AgCl電極的過電位很小，因此使用Ag/AgCl電極，并利用專門的電解質溶液即電極膏使電位變化明顯。[9]生物電極在連接到檢測電路后，根據電極的電極特性，電路中電位η會發生變化：

η=Ei-E0。

(1)

其中：E0為平衡時的電極電位，Ei為電路中電流密度為i時的電極電位。

1.2 導聯

導聯體系包括雙極肢體導聯、單極肢體導聯、加壓單極肢體導聯和單極胸導聯。雙極導聯所記錄的電位變化是體表上被測兩點電位變化的代數和。[4]導聯Ⅰ屬于雙極導聯，左臂電極為心電監測儀的正極(+)，右臂電極為負極(-)。當VLA高于VRA時，心電監測儀記錄的波形向上；當VRA高于VLA時，心電監測儀記錄的波形向下，導聯Ⅰ的電位差UI：

PUI=VLA-VRA。

(2)

其中：VLA和VRA分別為左臂與右臂的電位，UI為左臂與右臂的電位差。放置于右腿的電極稱為無關電極，有助于心電圖穩定。

2 心電圖儀總體設計

人體體表的心電信號通過敏感元件導出后，經過放大、濾波以及顯示的波形就是心電圖，如圖1所示。

圖1 心電圖儀的總體框圖

根據心電信號的特點，前置放大電路需要具備高輸入阻抗、高共模抑制比、放大器低噪聲和低漂移等方面性能。生物檢測電極將心電信號從人體中導出，經過兩級放大電路中進行放大，兩級放大電路中間有低通濾波電路和高通濾波電路。在第二級與A/D轉換電路之間，設置貝塞爾濾波電路，在保證心電信號的線性特性的同時，盡可能高頻濾除噪聲。A/D轉換電路將采集的模擬信號轉換成數字量信號，并傳遞到MSP430中，進行分析及處理，在LCD液晶上顯示。

2.1 輸入回路噪聲抑制

檢測時存在皮膚與電極接觸的極化電壓、其他生理信號混入、電子器件噪聲、無線電波和工頻干擾等，工頻信號表現為共模噪聲。[2]皮膚與電極直接接觸后，通過屏蔽線與電壓跟隨器相連，將信號接入后級放大。由于信號線對屏蔽線的輸入電容不完全對稱，造成共模電壓的不等量衰減，降低放大器共模抑制比，使系統抑制干擾的能力下降。工頻干擾頻譜與正常心電信號混雜，不宜采用陷波器濾除，因此，在輸入電路中采用屏蔽驅動和右腿驅動電路。

2.2 第一級放大電路

心電信號通過電壓跟隨器后到第一級放大電路進行放大，如圖2所示。

圖2 第一級放大電路圖

圖3 第二級放大電路

采用左手、右手、右腿的導聯方式，左右手分別為差分放大電路的反向輸入和同向輸入端，抑制電路中的工頻噪聲。右腿心電信號輸入為OPA2335的輸出端，此電路為右腿屏蔽電路。U3為積分電路，是因為心電信號波動較大，在波動的時候為INA331提供參考電壓。VR為積分電路的輸入端，為心電測試儀自身提供心電基準電壓。INA331的輸出端進入低通濾波器中，由于電阻電容的值比較小，低通濾波器中相當于反向放大器。

2.3 第二級放大電路

第二級放大電路用于增益調節，使輸出信號在ADC可采集范圍內，由一級固定增益放大器和兩級可調增益放大器級聯，采用單電源供電的運算放大器Op07，如圖3所示。

2.4 濾波電路

心電信號的頻率主要集中在0.05～100 Hz，因此采用高通濾波器和貝塞爾濾波器濾除噪聲。人的心臟搏動時最低為30次/min，頻率為0.5 Hz。降低心電信號在相位移動時的線性失真，其截止頻率應為1/10的低頻截止頻率即0.05 Hz，選用無源的RC 網絡來實現。在第一級放大電路之后采用了低通濾波電路和高通濾波電路進行隔直，濾掉心電信號中的直流極化信號。考慮到心電信號的特點，采用貝塞爾濾波電路，電路如圖4所示。

圖4 貝塞爾濾波器電路圖

3 心電圖儀軟件設計

首先需要將FatFs文件系統植入到MSP430中，進行初始化，然后啟動ADC轉換電路將前端采集的模擬心電信號轉換成數字量。轉換后的數字化心電信號傳遞到MSP430F149中進行信號分析，并通過LCD12864顯示出來。在顯示的同時，MSP430讀取SD卡的主引導記錄調用FatFs文件系統對心電信號進行存儲，心電圖儀軟件流程如圖5所示。

圖5 心電圖儀軟件流程圖

4 結論

設計的心電監測裝置實現了基本的人體心電信號監測功能，與傳統的心電監測儀器相比，該裝置操作簡單、成本低、功耗低、攜帶方便，通過后期的完善形成儀器，可以將監測儀器通過藍牙或局域網與手機和上位機進行連接，使得使用更加方便，適合對心臟病人進行簡易監測。

[1] 陳海軍,陳婷.一種基于移動網絡的心電監測報警系統的設計[J].中國醫療設備,2016,31(8):96-98.

[2] 王保華.生物醫學測量與儀器[M].上海:復旦大學出版社,2009.

[3] 王鋒,戚仕濤．心電監護儀的最新進展及新技術應用[J].中國醫學裝備,2013,10(3):35-37．

[4] 湯曉芙,彭南燕.臨床肌電圖學[M].北京:北京醫科大學出版社,1995.

[5] 代少升,張躍孫,張和君，等.便攜式遠程心電實時監護儀的研制[J].醫療衛生設備,2006,27(9):1-2.

[6] 陳天華,韓力群,鄭彧.心電信號噪聲的數字濾波研究[J].微計算機信息,2008,24(18):252-254.

[7] 陳鎏,張海南.基于DSP的心電信號檢測系統[J].電子測量技術,2007,30(8):99-102.

[8] 師彥榮,胡進峰.心電信號采集電路的設計[J].電子世界,2012,(9):109-110.

[9] 張燕,宋玉蘇,王源升.Ag/AgCl參比電極性能研究[J].中國腐蝕與防護學報,2007,27(3):176-180.

【責任編輯 牛懷崗】

A Simple Design of Electrocardiogram Instrument

QIN Yu-wei1,2

(1. School of Mathematics and Physics, Weinan Normal University, Weinan 714099, China;2. Shaanxi Research Center of X-Ray Detection and Application, Weinan 714099, China)

A portable electrocardiogram monitoring device based on the controlling core of MSP430 was designed. The ECG signal was sensed, and then processed through amplifying circuit, filter circuit. The analog signal was converted into digital signal by A/D converter, and then analyzed by MSP430F149. The ECG signal was displayed and stored finally. The experimental result shows that it can detect ECG signal and show the change of signal curve immediately. It has the advantage of low power consumption, small size, easy to carry and practical advantages.

MSP430; electrocardiogram monitoring; sensing electrode

TP368.32

A

1009-5128(2017)04-0027-05

陜西省科技廳工業攻關項目：SOC及模數混合大規模集成電路直流參數測試系統(2016GY-117);渭南師范學院科研計劃項目：西部軍民兩用微納結構材料的頻譜OCT檢測方法研究(15ZRRC08);渭南師范學院特色學科建設項目：電氣工程與秦東工業(14TSXK07)

秦玉偉(1979—)，男，山東諸城人，渭南師范學院數理學院副教授，理學博士，主要從事傳感器與光電檢測技術研究。