便攜式心電記錄儀的開發與研究

王碩 秦川 馬攀

摘 要：本文圍繞心電信號采集技術這一主要問題，簡要闡述了四代心電記錄設備的發展歷程，在以S3C2410芯片為核心的嵌入式芯片基礎上，主要從硬件方面分析了便攜式心電記錄儀的信號采集思路，提供了一種較為傳統的、結合了操作系統的電子心電記錄儀，是當前較為成熟、常用的醫療技術之一。

關鍵詞：操作系統;心電記錄儀;電子

一、心電記錄儀系統要求

心電信號是人類最早研究并應用于醫學與臨床的生物電信號之一，對于心臟病患者發病時間不固定、病情具有長久性的特點，一種便攜式的心電記錄儀提供的心電信息記錄具有重要的醫學價值，長時間的心電記錄能記錄到普通心電圖檢測時患者不易出現的短暫異常心電活動，為病情分析提供重要依據;因此，心電信號檢測設備的可穿戴、便攜性能成為現代醫學衡量心電記錄設備的重要指標。隨著大規模集成電路和微處理器的出現，目前的心電監護儀已經能監測數十種參數。鑒于心電信號的難識別性以及心電監護相關操作的專業性，以下將討論一種新型便攜式心電記錄儀的系統開發需求。

便攜式心電記錄儀系統集中了數據傳感、模擬信號/數字信號轉換、數據存儲、心電波形顯示，同時具備軟硬件同時輕量級、電池續航持久等性能優勢，對儀器外形、芯片開發、代碼優化提出新的要求。本文主要介紹系統結構的組成和實現途徑、心電信號的處理特點，底層和軟件的開發會相對較少。

外觀界面由LCD顯示器、方向控制鍵、記錄、回放、菜單、刪除、停止按鍵組成，顯示器用來顯示心電波形和時間信息，記錄和回放功能用于存儲和回溯某個特定時間段內的心電信號信息，刪除按鍵用于刪除一定時間內的一段記錄，菜單激活系統主菜單，方向鍵控制菜單選擇。

二、系統結構

從信號流動與存儲的輸入輸出時序出發，保留必要的硬件結構，在軟件結構開發時，可轉換簡單的數字量控制思路，通過軟件平臺（嵌入式操作系統，如μC/OS-II）來實現各種人機交互和數據樣本的顯示和壓縮，安裝各種驅動、開發各個任務的應用程序。

硬件結構由處理器核——A/D轉換器內部總線心電傳感器、外部時鐘、電池監測、顯示器——顯示控制器、鍵盤、ROM、RAM、系統總線、蜂鳴器組成。整個系統的硬件圍繞S3C2410芯片的外圍組件，任務啟動由鍵盤輸入命令行，顯示器作為命令和執行結果的顯示部分，可輸出數字化圖像、心電波形圖、主菜單等功能信息;RTC控制整個系統的功能計時和時間控制。

三、心電信號的特征與拾取

心電（electrocardiogram，ECG）監護是實現心血管疾病早期檢測的有效手段，醫生根據所記錄的心電圖波形的形態、波幅大小以及各波之間的相對時間關系，再與正常心電圖相比較，便能診斷出心臟疾病。心臟周圍的液體具有導電性，心肌細胞電位變化的綜合可以通過這些導電的細胞集中反映到人體體表，受身體各部分組織不同、與心臟距離各不相同的影響，人體各部位產生的微小電流大小有所不同，心臟活動過程中，起搏點、心房、心室相繼活動擴張，產生生物電信號的變化，這就是我們常說的心電信號。人體心電信號是非常微弱的生理低頻電信號，通常最大的幅值不超過5mV，信號頻率在0.05～100Hz之間。

心電設備從最初的心電圖機到目前方興未艾的穿戴式心電，大致經歷了4代變化，分別是第一代：心電圖機;第二代：心電Holter;第三代：心電手機;第四代：心電智能衣。心電圖機一般采用差動式放大電路，利用心臟運動電流的電壓滯留現象采集心電信號并進行放大和顯示;動態心電圖（Holter監測）是一種可以長時間連續記錄并編集分析心臟在活動和安靜狀態下心電圖變化的方法，相比一代的心電圖機單次只能做十幾次的心電活動監測，動態心電圖對患者的限制更少，而能達到更好的臨床效果，由患者隨身攜帶，更能客觀地判斷出患者一天當中真實的心率情況并進行臨床診斷，目前動態心電圖成本較低，臨床效果好，應用相對廣泛，本文中主要介紹的就是一種基于操作系統的便攜式心電記錄儀的開發和背景。心電手機是通過藍牙協議與SPI通訊，在TI公司開發設計的ADS1298芯片基礎上采集心電信息，并具備了與心電Holter相仿的波形繪制、動態監測等優點的前提下，更好地應用了安卓軟件設計。目前智能心電穿戴設備普遍采用Ag/AgCl濕性電極，價格便宜，通過導電膏與皮膚接觸良好，可獲取穩定的信號波形，AliveCor公司、蘋果公司目前的穿戴式心電設備試驗大多處于實驗驗證階段，其應用價值還需要大量臨床實驗。

正常的心電信號為微弱的電壓信號，其計量單位為毫伏，因此需設放大電路放大信號、濾波電路濾除噪聲，在A/D轉換電路之前，兩級放大電路放大倍數1000左右，放大后心電信號單位級別達到伏級，一級信號放大器采用AD620芯片，放大倍數為8，一級高通濾波器除直流分量，二階有源低通濾波器完成低通濾波，并兼具放大功能;信號放大電路核心芯片選用TL064，通過調節電位器使放大倍數大約達到125倍，放大并濾波后的信號輸出AECG連接到S3C2410芯片的AIN7輸入引腳上（A/D轉換輸入引腳之一），實現了心電信號的采集。

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