YZ袖珍式心电记录器的研制

摘要  较为详细地介绍了研制YZ袖珍式心电记录器所存在的问题及其硬件和软件设计。
关键词   单片机；袖珍式心电记录器；SPCE061A ；信号处理

1        引言

YZ袖珍式心电记录器是为捕捉偶发的异常心信号而设计的，其对早期心脏病的诊断有着重要的作用。它是一个以SPCE061A凌阳单片机^[1]为核心的数据采集、处理、保存和回放系统。其体积小，功耗低。具有三个干式电极，可产生9种导联方式、记录300s的心电信号，回放系统利用普通心电图机进行回访。

2  主要问题及对策

为了减少电极数量和记录较多导联方式，我们采用三电极的形式，两个圆电极，一个颈电极，可以记录标准导联，模拟雄导联多种导联方式的心电信号。

心电信号QRST波群^[2]的主要频率成分为30Hz以下，我们将记录器的频带设计在0.16～35Hz。由抽样定理，记录35Hz的信号，其抽样频率大于70Hz。我们将记录器的抽样频率设定为200Hz，这样既可以保证将心电信号记录下来，又可以将硬件未过滤掉的50Hz干扰信号取近来再用软件滤波。

各种干扰，特别是50Hz交流电的干扰，使各类心电记录器的设计过程中十分棘手的问题。在常规心电图机中，一般采用高共模抑制比的放大器，严格的接地措施、右腿驱动电路、隔离放大器及限制周围电磁干扰等方法来解决。但是，由于本仪器采用三个电极且是便携式的，所以不能采用常规方法解决干扰问题。我们采用下述方法解决干扰问题。在输入电路中加上截止频率较高的对称滤波器以消除无线电高频电磁成分的干扰，然后采用三运放组合而成的高CMRR、低放大倍数的数据放大器。数据放大器能够将50Hz的干扰信号衰减60dB以上。为了减少肌电干扰，我们设计了线性相位的滤波器^[3]，以程序的形式存在内存中。为了降低功耗，全部集成电路均采用CMOS器件和高速CMOS器件，并使用CPU休眠状态和设置电源自动关闭电路。

3 硬件设计

心电记录器硬件框图如图1所示。

数据放大器采用三运放组合形式，输入阻抗大于10MΩ，对不同皮肤的电阻有较大的适应性。

图1  心电记录器硬件框图

Fig1 Hardware construction of ECG recorder

在多数情况下皮肤不需要处理即可直接提取心电信号，并在输入端采取了保护措施。数据放大器对50Hz共模信号抑制能力大于80dB。由于电极直接与患者的皮肤接触，因此可能产生较大的极化电压，实验测得一般最大为±200mV。抑制极化电路设计为可抑制±300mV的极化电压。

低通放大器采用漂移低噪声的运算放大器，减小了高频噪声对数模转换器的影响，转折频率为60Hz。模数转换器将获取的模拟心电信号转换成数字信号以输入计算机，抽样频率为200Hz。

单片机^[4]是本仪器的核心。由它控制模数转换器、数模转换器、存贮器、电源、声光指示电路工作。单片机还能够对获取的心电信号进行数字滤波，抑制基线漂移等处理^[3]，并能够识别电极是否与皮肤接触良好。在硬件不变的情况下，软件可不断丰富分析和识别功能，使本机能够检查和预测多种心脏病。

存贮器芯片用于保存所获取的心电信号，对存贮器的要求是容量大、功耗低。数模转换器的作用是在回放时把数字形式存入存贮器内的心电信号转换成模拟信号。为了使数模转换器输出的模拟信号，能够通过普通心电图机回放，设立一个衰减器电路。

为保证在电源电压变化时，记录器的放大倍数和模数转换、数模转换的精度不变，故设立精密电源电路，以保证在电源电压6.5V 变至4.5V时，1mV标准信号的变化小于±5%。

4  软件设计

软件流程图见图2。

4.1 初始化

每次采集数据或回放数据前，应检查数据记录的次数、存放数字滤波器的系数，确定下一快数据的起始地址，在未用到的存贮器空间中，保留1mV方波信号。

4.2 采集数据

由单片机内的计数/定时器每5ms产生一次中断，即采样频率为20Hz，采集由模/数转换后的数据，并存放在外部数据存贮器中。

 

图2   软件流程图

Fig2 Software flow chart

4.3 实时处理数据

为清除工频干扰，我们采用了有限冲激响应(FIR)^[5]低通数字滤波器。为减少数据存贮的空间，采用实时处理的方法，并压缩数据^[6]，达到每秒钟存贮100个数据。FIR数字滤波器的设计采用等波纹切比雪夫逼近法。即在滤波器通带和阻带内部分别以切比雪夫函数逼近，使这些峰值的绝对误差最小，获得最佳设计^[7]。由于这种最佳解是唯一的，可以采用标准最优化设计方法来求解滤波器的系数。

4.4 分析数据

每采集完一次数据，要执行分析程序，检查是否有空采集，或者电极接触不良造成数据不好。若采集完后，有声光提示，提示使用者重新采集数据，并且将前一次不好的数据清除。

4.5 回放数据

由单片机内的计数/定时电路每5ms中断一次，将采集的数据^[8]送到D/A转换电路，直至心电图机。将记录的数据按采集时间的先后顺序逐块秒计。最多描记10块。描记完后，将消除所记录的数据，也可在描记心电图的过程中停止描记，这样仍保留原有数据，可以重新描记，回访数据，每两个记录间内插一个点输出，使描记曲线平滑。

4.6 输出1mV方波

在还没有记录心电数据时，若回放数据就是输出1mV的方波，它作为一标准信号，用于校验心电图机。另外，本程序在回放数据时，自动产生快标志，此标志也为1mV方波。

4.7 电源电压检测

开始采集数据时，首先检测电源电压，当其值小于4.2V时，即会有声光报警，保证正常地采集数据。

5  结束语

本仪器经山东省立二院、济南中心医院、济南第五医院试用证明达到设计要求。在捕捉突发性有感心电失常方面，有较好的效果，具有体积小、价格低、使用方便的特点。

参考文献

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[4]吕能元，孙育才，杨峰.单片微型计算机原理·接口技术·应用实例[M].北京科学出版社，1993

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[6]Abenstein Jone p.A new data-reduction algorithm for real-time ECG analysis. IEEE Trans. Biomed. Eng［J］.1982, BME-29;43-48

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[8] 员天佑，谢阅，李潮．基于单片机的多路信号异步采集技术［J］．微计算机信息，2006，4-2：44-45