便携式家庭心电检测诊断仪的研制

1、引言

随着人民生活水平的提高以及社会老龄化程度的加深，心脑血管疾病的发病率呈上升趋势，已成为威胁人类身体健康的杀手之一。因为心脏病的发作具有突发性和随机性，为患者提供普及性心电图机以成为发展的必然趋势。随着电子科技的不断发展，生命科学和信息科学的结合越来越紧密，许多研究人员都投身于人类的健康事业发展中。Holter的出现，使心电图机进入家庭变成了可能，但基于心电工作站的模式，使个别地区的患者因医院分析诊断系统的不健全，而变得不适用[1]；基于嵌入式及DSP的心电监护仪功能强大，但又因芯片价格的高昂而有悖于我国基本国情，不利于家庭的普及[2]。因此，一种性能优良，带有自动检测诊断功能，而又符合我国人均收入水平不高这一国情的心电图机的研制显得尤其重要。基于这一目的，我们已经研制了基于80C196KB单片机的家庭便携式心电监测诊断机，该机器可以对病人进行心电信号的实时采集和分析，并通过液晶实时显示出来，检测诊断使得机器更容易在一般家庭中普及；对于有经验的患者，机器还可以在冻结波形后，对波形实际测量，可以准确地了解心电波形异常的严重程度，从而为患者提供了更多有用的信息。

2、心电检测诊断仪的系统设计

众所周知，心电信号是一种非常弱且频率较低的信号[3]，一般幅值在0.05～4mV，频率在0.05～100Hz。在检测过程中，电极与人体间的极化电压、50Hz工频干扰、仪器内部噪声和环境电磁场的干扰对心电信号造成很大的干扰，给信号的完整、不失真的采集带来了很大的困难。为此，我们在进行模拟电路设计的时候，充分考虑到干扰问题，采用了功耗低、精度高、电源抑制比很高的放大器，从信号的采集和传输、滤波处理过程中，尽可能避免外界干扰和电源干扰。由于我们所设计的心电图机适用于家庭使用，心电波形则利用LCD直接显示，其中还包括心率，时间等相应参数，并在异常波形处自动报警，冻结波形，如果需要，还可以回放从这一时刻起前80s内的波形，以方便使用者自己进行波形的测量和记录。

2.1 系统硬件电路

出于电路功耗和成本考虑，系统采用单电源+5V供电，整个系统的原理框图如图1所示。

2.1.1 模拟部分电路

由于只有单电源供电，模拟部分取2.5V为虚地。信号通过前置放大、高通及低通滤波、50Hz滤波，主放大、右腿驱动以及QRS波检出器。电路中的放大器均采用AD公司生产的芯片，以保证机器的稳定性和高性能。在前置放大电路中，采用了仪表放大器AD627A，除了在功耗方面表现突出，在性能方面也满足了监测的需要，同时为信号提供了20倍的放大。在滤波电路中，采用运算放大器OP491构成截至频率为0.05Hz的一阶高通滤波器和截至频率为100Hz二阶低通滤波器。50Hz工频滤波没有采用传统典型的对称性双T阻容有源陷波器，而是采用了一种新型有源陷波器设计[4]。该滤波器利用两个电位器可分别调整中心频率和品质因数，同时降低了对元器件的要求，且能达到高精度的陷波效果，极大地方便了我们对电路的调试。该原理图如图２所示。QRS波检出器包括带通滤波器、全波整波电路、峰值检测器和比较器构成[5]。第一级是一个中心频率为17Hz，Q值为5，增益为8的二阶带通滤波器，以提升QRS波的基波与二次谐波，抑制T波、P波、肌电、工频及基线波动；第二级全波整流电路将滤波后的双向波形整流为负向波形，消除极性对检测的影响；第三级为峰值检测器，利用R7、R8的分压，取QRS波峰值的约65%作为阈值。第四级为比较器，当正相输入端的电压高于负相输入端时，则产生一个+5V的脉冲，供后续电路使用。该原理图如图３所示。

2.1.2 数字部分电路

数字电路部分基于80C196KB单片机为核心进行设计的。心电信号采集到后，通过前面介绍的模拟电路部分进行预处理，然后（预处理过的信号）经过80C196KB的ACH4口（A/D转换口）输入完成A/D转换，实现波形显示和分析。其中数据采样率为200Hz，ACH5、ACH6和ACH7模拟输入口作为数字口使用，完成键盘接口电路设计，实现心率的上、下限设定、心电波形的冻结、光标移动、报警系统的开关功能设定等。高速输入口HSI0作为R波检出脉冲的输入，完成心率计数、异常心电信号分析、诊断等功能，并最终通过液晶显示出来，再通过键盘实现人机对话，其中该液晶分辨率为320×240，由SED1335控制芯片进行控制。

2.2 系统软件设计

系统软件设计是监护系统的重要组成部分之一，再好的硬件电路如果没有良好的软件支持，就如同没有血肉的躯体，因此监护软件的质量直接影响着监护仪的性能指标。本系统的监护软件设计全部采用汇编语言编程实现。本系统监护软件包括主程序、系统初始化子程序、液晶清屏子程序、写菜单子程序、报警子程序、软件定时器中断服务程序、A/D转换子程序、HSI0中断服务程序（分析、诊断子程序）、液晶列清屏子程序、液晶列显示子程序、内部RAM清除子程序外部中断服务程序（键盘扫描子程序）、写字段、移光标子程序等12部分组成。整个系统程序按照由顶向下、层层细化的模块化设计技术。整个系统软件采用了三个中断，优先级最高的是HSI0中断（心电分析、诊断子程序），主要负责心率计算，异常波形分析、报警；优先级最低的是外部中断子程序，它完成键盘扫描、上下限心率们先设定等功能。其它的子程序主要是供主程序和这三个中断程序调用，服务于它们，中断程序和这些子程序相互协调，各司其职，共同完成本系统的软件监护功能。下面将针对本系统的监护软件的主要部分做一个介绍。

2.2.1 监护系统主程序

监护系统主程序是整个系统软件的精髓，它的设计好坏直接影响着整个子系统程序的工作效率和工作性能，它包括对一些专用寄存器赋初值。例如堆栈的设定、I/O控制寄存器、A/D命令寄存器、中断屏蔽寄存器、中断挂号寄存器的预置和初始化。由于整个系统软件是采用中断方式进行设计的，所以主程序显得清楚明了，主程序框图如图4所示。

2.2.2 软件定时器服务中断子程序

软件定时器中断子程序主要完成心电波形的显示和滚动。它包括预置完成本次显示所需要的时间值设定（时间值的设定与A/D转换得采样率有关，本系统的采样率为200Hz）、调用A/D转换子程序、列清除子程序、列显示子程序、延时子程序、报警子程序、移动光标子程序等。其中A/D转换子程序包括平滑数字滤波部分，主要用于进一步滤除毛刺，提高了机器的性能。

2.2.3 软件定时器服务中断子程序

软件定时器中断子程序主要完成心电波形的显示和滚动。它包括预置完成本次显示所需要的时间值设定（时间值的设定与A/D转换得采样率有关，本系统的采样率为200Hz）、调用A/D转换子程序、列清除子程序、列显示子程序、延时子程序、报警子程序、移动光标子程序等。其中A/D转换子程序包括平滑数字滤波部分。

2.2.4 软件定时器服务中断子程序

软件定时器中断子程序主要完成心电波形的显示和滚动。它包括预置完成本次显示所需要的时间值设定（时间值的设定与A/D转换的采样率有关，本系统的采样率为200Hz）、调用A/D转换子程序、列清除子程序、列显示子程序、延时子程序、报警子程序、移动光标子程序等。其中A/D转换子程序包括平滑数字滤波部分。

2.2.5 HSI0中断服务程序

HSI0中断服务程序主要是完成心率、显示、异常心电分析与诊断。现把这种方法介绍如下：软件定时器每次完成一个心电波形点显示时（液晶点数值）。利用软件将其计数一次。当高速输入口HSI0出现一个R波脉冲时，自动产生一次中断。两次中断之间21H寄存器的值之差即为一个R波脉冲周期液晶屏显示出的点数，而液晶显示点数的速度即扫描速度是固定的，当选用25mm/s，将其换算成每秒钟所显示的点数，本监护软件的心率值采用8个瞬时心率值进行平均，并且每来一个瞬时心率值，平均计算一次，从而计算出心率值比较可靠、稳定，误差约小于±1。

2.2.6 报警系统

报警系统子程序为系统提供心电波形发生异常，心动过速（心率超过设置的上限值）或过缓（心率低于设置的下限值）、停搏、早搏、漏搏时，自动进行声音报警，以便患者及时了解正在监护的病人的病情状况，有助于医务人员的进一步治疗。

3、小结

本仪器已经通过测试，功能强大而实用，能很稳定的长时间工作，体积小，能随身携带，成本低廉，适合于有心脏病患者的家庭，对我国目前的健康事业有推动作用。

参考文献

[1] 何军。HOLTER的发展和现状。实用医技杂志，1997,4（8）：637.

[2] 王大雄，王国钧。基于嵌入式微机的便携心电监护仪设计。航天医学与医学工程，2005,18（3）：198.

[3] 齐颁扬。医学仪器。北京：高等教育出版社，1990.61.

[4] 姜宗义，龚卫宁，储得宝，等。一种新型有源滤波器设计。中国生物医学工程学报，1997,16（4）：323.

[5] 陈真诚，等。一种能实现QRS波群参数测量的心电监护仪设计。航天医学与医学工程，2002,15（4）：246.

[6] Webster JG. An intelligent monitor for ambulatory ECG’s. Biomed Sci Intrum,1978,14:55.

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