摘  要： 研制了一種新型的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核微處理器的便攜式心率監(jiān)測儀。詳述了該儀器的硬件、軟件設(shè)計(jì)和實(shí)機(jī)測試情況，其具有心跳波形實(shí)時(shí)顯示、儲存的功能。經(jīng)初步測試，該便攜式心率檢測儀可以連續(xù)工作，功耗低、攜帶方便，能對心電信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示和儲存，適合家庭使用，對心血管疾病的監(jiān)護(hù)有重要意義。
關(guān)鍵詞： 心血管疾??；ECG；便攜式心率檢測計(jì)；攜帶方便

　目前，社會人群正不斷向著老齡化的趨勢發(fā)展，心血管疾病發(fā)病率也逐年上升。心臟病的發(fā)作往往是隨機(jī)的、短暫的，稍縱即逝，患者難以及時(shí)趕到醫(yī)院進(jìn)行心電檢查，從而影響到病因的及時(shí)診斷。傳統(tǒng)心電圖或動態(tài)心電圖都是一種回顧性的被動檢查，有時(shí)很難及時(shí)捕捉到有效心電圖，而且體積較大，對病人來說，實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)基本沒有可能。因此，研發(fā)一種可以實(shí)時(shí)檢測、儲存心率的便攜式心率監(jiān)測儀有著重要的意義。監(jiān)測儀可以隨身攜帶，并對病人進(jìn)行心率的實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄，以便有突發(fā)狀況產(chǎn)生時(shí)能提供讓醫(yī)生能更快更好診斷病癥的依據(jù)。
　本便攜式心率監(jiān)測儀主要由信號采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理3部分組成。心電信號采集部分由信號采集，濾波、信號放大和A/D轉(zhuǎn)換幾個部分組成。采集到微弱的心電信號后，通過濾波、放大得到有診斷價(jià)值的心電信號波形。然后將心電信號通過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入微處理器進(jìn)行處理。信號采集部分主要功能是信號的采集、濾波、放大，應(yīng)去除各種干擾的影響，如工頻干擾和肌電干擾等。數(shù)據(jù)處理模塊主要用來處理接收到的數(shù)據(jù)，然后按照一定的算法將其顯示在液晶屏上，形成了良好的人機(jī)界面。而數(shù)據(jù)儲存主要用于儲存心跳的波形數(shù)據(jù)，將心跳的波形儲存到SD卡中，并且可以連接到電腦上對心跳的波形進(jìn)行分析，起到病癥的診斷作用。
1 儀器設(shè)計(jì)要求
　在心電信號的監(jiān)測過程中，由于實(shí)際工作情況并非理想狀態(tài)，監(jiān)測信號中往往含有很強(qiáng)的背景噪聲，這些背景噪聲包括工頻噪聲、肌電噪聲、呼吸波噪聲、人體動作和電極極化等引起的各種隨機(jī)噪聲，心電信號存在的噪聲降低了診斷的準(zhǔn)確性。其中，對信號影響最大的是醫(yī)療儀器設(shè)備電源50 Hz工頻干擾噪聲。在許多情況下，其幅度之大以至于可能影響到系統(tǒng)的正常工作和醫(yī)生對疾病的準(zhǔn)確診斷。為了能準(zhǔn)確去除外界干擾，得到準(zhǔn)確的心跳波形，整個系統(tǒng)應(yīng)做到較大的共模抑制比、較大的放大倍數(shù)和合理的帶通頻率，低功耗的工作也是要達(dá)到的目標(biāo)之一。
2 儀器硬件設(shè)計(jì)
2.1 右腿驅(qū)動電路
　右腿驅(qū)動電路通常用于生物信號放大器，以減少共模干擾。心電圖（生物信號放大器等）或肌電電路所發(fā)出的電子信號十分微小，通常只有幾微伏。而由于病人的身體也可以作為天線能受到電磁干擾，特別是50 Hz的工頻干擾，這種干擾可能會掩蓋生物信號，使得信號難以測量。因此，可以通過添加右腿驅(qū)動電路用來消除干擾噪聲。右腿驅(qū)動主要通過運(yùn)算放大器反向放大來抑制人體帶來的較大的工頻干擾，只要運(yùn)放的開環(huán)增益足夠大，就能基本使人體電位保持零位。
2.2 前置放大電路
　人體心電信號幅值小，頻率低，不穩(wěn)定，隨機(jī)性強(qiáng)，易受干擾，所以對心電放大電路的設(shè)計(jì)要求較為嚴(yán)格。選擇運(yùn)算放大器時(shí)，必須從增益、頻率響應(yīng)、共模抑制比、輸入阻抗、噪聲和漂移等方面綜合考慮。前置放大電路有較高的輸入阻抗、適當(dāng)?shù)脑鲆婧洼^高的共模抑制比，可以有效抑制人體的共模電壓和人體的各種活動帶來的干擾。
　信號采集后，通過儀用放大器進(jìn)行一級放大。設(shè)計(jì)采用的儀用放大器為B-B公司的精密儀用放大器INA118。INA118通過在腳1和腳8之間外接電阻Rg來實(shí)現(xiàn)不同的增益，該增益可從1~1 000不等，電阻Rg的大小可由下式?jīng)Q定：G=（50 k?贅/Rg）+1。其中，G為增益，增益取在10左右，防止輸出過大，影響電路穩(wěn)定；Rg取2.8 k?贅；且此時(shí)共模抑制比在100 dB左右，可以有效抑制50 Hz工頻電帶來的影響。
　在信號進(jìn)入INA118儀用放大器之前，先通過較大的電阻形成較大的阻抗，減小信號的失真，然后通過電壓跟隨增強(qiáng)心電信號的穩(wěn)定和輸出能力，再將處理過的心電信號送入儀用放大器。前級放大及右腿驅(qū)動電路如圖1所示。

　為了增強(qiáng)信號的準(zhǔn)確性，信號的輸入主要采用目前臨床上廣泛采用的銀-氯化銀電極，該電極具有電位穩(wěn)定、可靠性好、低漂移和低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，而且使用方便，無殘留無污染。左手、右手、右腿分別通過電極連接到帶有屏蔽線的導(dǎo)線，這樣可進(jìn)一步去除外部干擾對心電信號的影響。
2.3 帶通濾波電路
　常規(guī)心電信號的頻帶范圍為0.05 Hz~100 Hz，在此頻帶范圍內(nèi)包含了心電信號的主要能量部分。正常心電信號為毫伏級信號，對于干擾環(huán)境而言屬于微弱小信號。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了帶通頻率為0.05 Hz~150 Hz的帶通濾波電路，將心電信號的有用成分從采集到的信號中分離出。
　本設(shè)計(jì)選取一個10μF的電容和一個3 MΩ的電阻構(gòu)成一個一階無源高通濾波，主要濾除0.05 Hz以下的波形，去除一部分干擾。
　選取一個4.7 kΩ的電阻和一個0.22μF的電容構(gòu)成一個一階低通濾波，主要濾除150 Hz以上的頻率。
高通濾波和低通濾波形成一個帶通濾波，范圍較廣，可以濾除大部分的高低頻干擾，通過帶通濾波后的心電信號已經(jīng)可以較好地觀察到了。
2.4 后級放大電路
　經(jīng)過濾波后的心電信號雖然能被較好地觀察到，但是還不能被微處理器很好地識別，于是還需進(jìn)行后級多次放大。運(yùn)放采用OPA2604高精度雙運(yùn)放，主要采用多次反向放大的方法放大心電信號。
先通過一次電壓跟隨增強(qiáng)輸出能力，對前級電路呈高阻態(tài)狀態(tài)，對后級電路呈低阻態(tài)，從而形成前后級電路的隔離。放大采用反向放大，多次進(jìn)行放大倍數(shù)較小的放大，這樣就能出來一個較為清晰的心電波形了。帶通濾+后級放大+加法電路圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
　主程序由多個模塊組成，多個模塊按一定的時(shí)序構(gòu)成了整個監(jiān)測儀的主程序，流程如圖3所示。
本系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)為：（1）導(dǎo)聯(lián)：標(biāo)準(zhǔn)II導(dǎo)聯(lián)；（2）共模抑制比：大于100 dB；（3）放大倍數(shù)：可調(diào)，500~2 000倍；（4）通頻段：0.05~150 Hz；（5）供電：直流5 V，外部供電；（6）工作環(huán)境溫度：0~50°C；（7）連續(xù)工作時(shí)間：24小時(shí)以上；（8）支持SD/MMC卡存儲。

4 系統(tǒng)整體性能及實(shí)用分析
　系統(tǒng)通過實(shí)機(jī)測試和示波器顯示測試兩個方面來測試監(jiān)測儀是否能很好地工作、放大和顯示波形。實(shí)機(jī)測試和示波器顯示結(jié)果分別如圖4、圖5所示。通過測試發(fā)現(xiàn)，在實(shí)機(jī)上基本能看出和示波器上一樣的波形，有較為滿意的顯示效果，并且人在運(yùn)動時(shí)對波形干擾不大，可實(shí)現(xiàn)隨身攜帶、隨時(shí)測量。數(shù)據(jù)儲存也能完成，無數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象?？蛇B續(xù)長時(shí)間檢測、儲存，達(dá)到了系統(tǒng)對心跳波形的長時(shí)間監(jiān)控、顯示和儲存的要求。
本設(shè)計(jì)針對便攜式心率監(jiān)測儀對個人和家庭應(yīng)用中的重要意義，設(shè)計(jì)提出了一種低功耗、便攜式的心率監(jiān)測儀，能夠完成心率的監(jiān)測，儲存功能。

　本文設(shè)計(jì)了便攜式心電儀的數(shù)據(jù)采集部分，設(shè)計(jì)了相關(guān)的濾波電路，有效抑制了心電檢測中的干擾和噪聲，增強(qiáng)了心電信號的有用成分。在模擬信號處理中，采用右腿驅(qū)動電路及帶通濾波器，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。數(shù)據(jù)處理部分將A/D轉(zhuǎn)換的心電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LCD上，并存儲到SD卡中。采用NXP公司基于ARM Cortex-M3核的微處理器LPC1768，因?yàn)锳RM能兼顧到高性能、低功耗、低價(jià)格及小的芯片尺寸。本設(shè)計(jì)在元件選擇和設(shè)計(jì)中充分考慮低功耗的要求。
　本文設(shè)計(jì)的便攜式心電儀基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，用示波器觀察數(shù)據(jù)采集部分各個階段的波形，證明模擬電路能完成相應(yīng)功能。通過整機(jī)調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行良好，心電信號波形無失真。
但是該設(shè)計(jì)仍有許多需要提高的地方。系統(tǒng)的抗干擾能力應(yīng)該進(jìn)一步提高，而信號采集和放大部分的功耗還有待降低。降低了功耗，系統(tǒng)的性能會更進(jìn)一步。
　系統(tǒng)中未加入數(shù)據(jù)分析的部分。未來還會加入數(shù)據(jù)分析的程序，將采集到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)的心電信號進(jìn)行對比、分析，來判斷心電波形的好壞，做到早發(fā)現(xiàn)、早提醒，減少了病人的風(fēng)險(xiǎn)。
還可結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)，將采集到的數(shù)據(jù)直接提交到醫(yī)院供醫(yī)生分析和對重癥病人實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，大大增加了病人的安全性，這也是未來心率檢測儀的一種發(fā)展趨勢。
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