摘? 要： 系統(tǒng)地介紹了心電數(shù)據(jù)床邊采集系統(tǒng)的開發(fā)研究，著重其中的若干關鍵技術:具有多路選擇功能的高性能前置放大電路，以51單片機為核心的軟、硬件結構，具有12位分辨率的多通道A/D采樣，實時高效的數(shù)據(jù)壓縮算法等。
關鍵詞： 放大器? 多路選擇? 單片機? ECG信號壓縮
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心電診斷較大程度地依賴于對心電數(shù)據(jù)的處理分析。傳統(tǒng)的12導聯(lián)心電放大系統(tǒng)中，體表心電信號由導聯(lián)緩沖電路輸入后由12路放大電路分別進行放大，最后接入微機系統(tǒng)的12位A/D采樣板上。由于每一導聯(lián)的心電放大電路的通道結構和組成元件完全相同，不同的只是輸入信號。因此這些結構重復、功能相同的電路使得傳統(tǒng)的心電放大器體積龐大，再加上存放數(shù)據(jù)的微機系統(tǒng)，使得整個數(shù)據(jù)采集裝置不容易攜帶，給那些行動有障礙的病人帶來不便。為此，我們設計了一種便攜式的心電數(shù)據(jù)床邊采集裝置，借助于多路開關，只需一個放大器和16路A/D轉換，便可完成對多路信號的采集。擴展的大容量存儲器，可以在病人床邊把必需的數(shù)據(jù)存儲下來。整個系統(tǒng)由一片80C32單片機控制，其可靠性高，使用方便，可滿足對采樣頻率的要求，方便客戶使用和維護。
該系統(tǒng)由兩大部分組成:①以模擬電路為主的放大電路;②以數(shù)字電路為主的采樣存儲電路。它在設計上存在兩個難點:(1)16通道信號的采集時間不統(tǒng)一。16通道包括常規(guī)12導聯(lián)心電波形，3路正交導聯(lián)[1]和1路整形波。常規(guī)12導聯(lián)心電同步采集是目前較普遍的一種心電采集方法，它可以放大出多路的心電信號，能夠分析出相關信號間的細節(jié);正交導聯(lián)的信號可用于CMP(心室晚電位、心房晚電位[2]、希氏束電位)、VCG(心向量)信號的分析;整形波可用來進行心率變異性的分析。分析信號類別不同，其采集時間也不同:12道常規(guī)導聯(lián)波形要求每導采集8個波形;3道正交導聯(lián)要求每導采集300個波形;整形波要求存儲540個R-R間期。因此要在軟件中對各段采集時間加以控制。(2)數(shù)據(jù)量大。正常成年人的心率在60~100次/分，取60次/分計算，上述三段波形采集的總數(shù)據(jù)量約為2M字節(jié)(以1kHz采樣頻率，12位分辨率)。因此需要適當?shù)膶崟r數(shù)據(jù)壓縮，使數(shù)據(jù)量壓縮到1M字節(jié)，同時要擴展數(shù)據(jù)存儲。
1 放大系統(tǒng)
圖1所示放大系統(tǒng)主要由導聯(lián)部分、開關部分、放大部分和濾波部分構成。從人體引出的微弱心電信號[1]通過導聯(lián)電路形成待放大的心電信號(如I、aVR，V1等)的組合，由多路開關對16路信號輪流切換，分別得到一對時分復用的信號，送至放大電路進行差分放大。放大后的信號再由一個多路開關還原成16路信號，最后經(jīng)過低通濾波器濾除高頻的開關信號即得到16路連續(xù)的放大信號。此時的信號連到單片機采樣部分進行采樣，或者連到示波器上對波形進行監(jiān)視。放大部分采用多路開關技術對信號進行時分放大，只用一組放大器即可，大大減小了放大電路和整個系統(tǒng)的體積。
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放大電路的一些設計指標如下:
電路放大倍數(shù)1000、2000、3000可調，共模抑制比CMRR≥100dB，輸入電阻≥2MΩ，短路噪聲≤3μV，多路信號間有高隔離性[1]。
1.1 導聯(lián)部分
導聯(lián)部分主要由運算放大器OP07構成，它具有高輸入阻抗、低溫漂、失調電壓小的特點，用作放大電路的前級可以提高放大系統(tǒng)的輸入阻抗。同時OP07 內部帶有失調電壓調零電路，可以通過調節(jié)使放大電路的基線為零電位。圖2是心電信號導聯(lián)I的輸入電路，調節(jié)滑動變阻器Rw，可以使得兩個導聯(lián)電路的輸入電阻平衡，提高放大電路的共模抑制比。
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1.2 開關部分
開關部分選用兩片16選1的多路開關Max336，其導通電阻小，各通道間具有高隔離度，由4位地址信號選擇導通的輸入信號。前端開關由兩片Max336構成，輪流切換輸入的心電信號，開關的切換頻率是24kHz。后端開關則將放大后的信號還原成16路信號，前后開關的地址信號一致，工作在同步方式下，保證同一時刻對某一路信號的放大與還原。
16路開關的地址信號由時鐘電路提供，NE555芯片構成24kHz的振蕩器，然后通過16進制的計數(shù)器74LS161循環(huán)計數(shù)，計數(shù)值連到Max336的地址輸入端。
1.3 放大部分
放大電路由AD620構成，AD620內部的核心是三運放電路，有較高的共模抑制比CMRR，溫度穩(wěn)定性好，放大頻帶寬，噪聲系數(shù)小。AD620只要外接一個電阻就可以設置1～3000范圍的增益，而且調節(jié)方便。放大電路如圖3所示。
1.4 濾波部分
后端開關還原后的信號是高頻且離散的，通過低通濾波器即可恢復成連續(xù)的放大信號，低通濾波器的截止頻率是1kHz。在HRV信號的輸出端再加上整形電路，對I導聯(lián)的信號進行微分整形等處理，即可得到用于HRV采樣分析的信號。
2 采樣存儲
采樣存儲結構如圖4所示，其內部電路包括四個主要的功能塊:12位A/D轉換模塊，控制處理模塊(80C32)，存儲模塊及與微機的串行接口通訊模塊。
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2.1 A/D轉換模塊
選用2片Maxim的MAX197作為16路信號的A/D轉換器。MAX197是8通道12位A/D轉換器，采用12位分辨率可以進行高頻心電圖[1]的分析研究。該元件使用單一+5V供電，內部有4.096V的參考電壓，輸入范圍±10V，±5V，+5V，+10V可選，采樣速率可達100ksps，使用簡單靈活。而且它有8+4的并行接口，方便與單片機相連。經(jīng)過放大并且濾波后的16路信號分別接到2片MAX197的16個輸入通道分別進行A/D轉換。
2.2 控制處理模塊
控制處理系統(tǒng)的核心以Intel公司的單片機[3]80C32以及外接程序存儲器8K的EPROM組成。它可靠性好，功能強。片內有256個字節(jié)的RAM，方便數(shù)據(jù)的臨時存儲及壓縮計算。在軟件中，利用2個16位的定時器，先進行12道常規(guī)導聯(lián)的同步采樣，然后是3道正交導聯(lián)的同步采樣，最后實現(xiàn)對540個RR期間的計算與存儲(下文中分別用A，B，C段采樣表示)。
2.3 存儲模塊
存儲模塊由兩片AMD公司的512K字節(jié)的FLASH閃爍存儲器AM29F040組成，每片內部都由8個64K字節(jié)的區(qū)段組成，任一區(qū)段可擦除或保護。兩片總容量為1M字節(jié)，需20根地址線對其進行尋址，采用單片機的I/O口進行高位地址的擴展。模塊之間電氣結構獨立，通過譯碼器構成片選。采用閃存，不但存儲容量大，而且可以降低功耗。
2.4 數(shù)據(jù)串行通訊
MAX233是+5V供電的RS232收發(fā)器，實現(xiàn)用戶板與微機系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)串行通訊。它無需外接電容，節(jié)省空間。其一端連接單片機的RXD、TXD，另一端通過9針連接器與微機串行口相接。把在病人床邊采集的數(shù)據(jù)拿回分析室，與微機實現(xiàn)通訊后，在微機上按照壓縮的格式進行反壓縮形成原始數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)便是日后用來進行分析診斷的基礎。
2.5 軟件編程
單片機的控制軟件[4]主要包括分時采樣、數(shù)據(jù)壓縮以及對閃爍存儲器的存儲控制。其中，分時采樣放在前臺，通過定時控制各段采集的時間長度。數(shù)據(jù)壓縮及存儲控制放在后臺，采用中斷完成。定時器0用于以1kHz頻率定時啟動A/D轉換，定時器1用于控制分段采樣，由于定時時間長要配合軟件計數(shù)器CONT一起使用。流程圖見圖5。
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關于ECG心電數(shù)據(jù)的實時壓縮，我們采用的是一種算法簡單、運算速度較快的“偽壓縮算法”?？紤]到心電信號頻率較低，相鄰兩點之間的差值不大，我們只存儲兩點間的幅度差，就可以很方便地減少存儲器的開銷。假設采集的數(shù)字信號序列為an(n=0～∞)，對其進行一次差分處理:
b0=a0；bn=an-an-1(n=1～∞)
存入存儲芯片的是序列bn，它的值用一個字節(jié)就可以表示，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)壓縮。在數(shù)據(jù)與微機通訊后，通過“反壓縮”，便可恢復原始數(shù)據(jù)。
本系統(tǒng)主要完成的是對多路心電信號的數(shù)據(jù)采集，通過多路開關及高容量的閃存，簡化了放大電路的重復部件，大大縮小了體積(放大板25cm×15cm，采樣存儲板15cm×8cm)，從而實現(xiàn)了床邊數(shù)據(jù)采集的功能。所采集數(shù)據(jù)的格式(指恢復后的原始數(shù)據(jù))均為1kHz采樣頻率，12位分辨率，它與本實驗室自行開發(fā)的心電工作站(用于心電波形分析診斷的軟件)能配套使用。
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參考文獻
1 寧新寶，沈振宇，沈德才.高頻心電圖的數(shù)據(jù)采集與分析.南京大學學報，1991；27(2)：273～284
2 華 莉，寧新寶.心房晚電位的檢測與分析系統(tǒng).南京大學學報，2000；36(1):73～79
3 胡漢才.單片機原理及其接口技術.北京:清華大學出版社
4 徐愛鈞，彭秀華.單片機高級語言C51應用程序設計. 北京:電子工業(yè)出版社