基於MSP430的十二導聯同步心電圖機系統設計

MSP430系列單片機在醫療設備行業應用很廣泛,以其低功耗，外圍設計簡單的優點得到了設計者的喜歡。而心電圖或CT的複雜的醫療設備應用的很多。心電圖機是診斷心臟病的重要儀器之一，能夠為醫生提供最直觀的心電波形。歐美國家已經普遍使用十二導心電圖機。十二導聯心電圖同步記錄能客觀表達各波、段和間期，可以對早博、心動過速、預激症候群、束支阻滯及分支阻滯等進行定位診斷與鑑別診斷；將心電數據存入資料庫，可以進行各種電參數的統計學處理，為臨床醫療和科研工作帶來了極大便利。根據目前的微電子、單片機和計算機技術成功研製出一種可攜式心電圖機，它可通過液晶顯示器顯示心電圖，同時將數據在計算機上顯示並通過網絡實現信息遠傳，是一種新穎的臨床和家庭兼用的心電圖機。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201706/350076.htm

標準十二導聯簡介

人體是一個導體，心臟壁收縮引起的動作電勢使電流由心臟傳播至整個人體，所傳播的電流在人體的不同部位產生不同的電勢，可以通過電極在皮膚表層感應得出。為了完整地記錄心臟的電活動狀況，常用水平和垂直方向的十二種不同導聯作記錄，稱為標準十二導聯，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF、V1、V2、V3、V4、V5、V6導聯。測量時須在人體上安放10個電極，分別為：右手電極VR、左手電極VL、右腿電極RL、左腿電極VF、胸部6個電極C1C6。根據國家標準，由這些電極可以合成標準12導聯心電圖，合成方式如下：

(1) 標準肢體導聯：

導聯I=VL－VR；

導聯II=VF－VR；

導聯III=VF－VL；

(2) 加壓單極肢體導聯：

aVR=VR-(VL+VF)/2；

aVL=VL-(VR+VF) /2；

aVF=VF-(VL+VR)/2；

(3) 常用的胸導聯：

胸導Vi=Ci-(VR+VL+VF)/3，式中，VR、VL、VF和Ci(i=16)表示右臂、左臂、左腿和胸壁的電位。

系統總體方案

本十二導聯同步心電圖機採用德州儀器公司的MSP430系列的MSP430FG4616作為控制核心，可方便地實現心電信號的採集、處理、顯示以及傳輸。系統主要由五部分組成：前置放大電路部分用來放大各導聯心電信號；帶通濾波電路部分用來濾除心電信號頻率範圍以外的噪聲；陷波電路用於濾除50Hz工頻幹擾和35Hz肌電幹擾；生物電信號數據採集電路部分用來採集放大後的各導聯心電信號並將數據發送給單片機；右腿驅動電路部分不僅可以抑制50Hz工頻幹擾，還可根據檢測到的心電信號適當調整人體電平，便於ADC採樣；數據處理顯示部分用來採用濾波算法處理採集的數據並實時顯示心電波形；網絡傳輸部分用來將採集的心電數據傳輸至醫院或疾病控制中心，便於隨時了解病人的狀況。系統功能在液晶顯示的菜單下通過按鍵選擇完成，系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

系統硬體設計

心電信號由專用電極獲取後送入前置放大器初步放大，在對各幹擾信號進行一定抑制後送入帶通濾波器以濾除心電頻率範圍以外的幹擾信號，再經50Hz和35Hz陷波器濾除工頻和肌電幹擾後送入主放大器，最後主放大器將濾波後的信號進一步放大到合適範圍後送入A/D採樣電路以進行高精度A/D轉換，單片機接收到A/D轉換的數據進行濾波及相關處理後在液晶屏上顯示。

圖2 心電信號前置放大電路

心電信號前置放大電路

電極獲取的心電信號是十分微弱的體表電信號且在心電信號檢測的過程中常伴有強幹擾，因此必須經特定處理後才能用於臨床診斷。本設計採用TI公司的精密儀表放大器INA326，設計了八通道心電信號採集電路，同時提取I、II及V1～V6八導聯心電信號，其它四導聯心電信號則在經ADC變換後在數字處理部分根據需要利用I導和II導組合實現。心電信號前置放大電路如圖2所示。前級共模信號由被測者的左、右手以及左腿獲取，該電路在前級增加了一級共模信號驅動，用來降低共模信號的輸出阻抗和提高共模信號驅動能力，確保在多導聯情況下共模信號電平的穩定。後級採用儀器放大器INA326獲得8路心電信號，INA326可以消除共模至雙端輸入的AC線路噪聲並放大輸入端所殘餘的非直流信號，經高倍放大後心電信號被送至ADC採樣電路。Ro、Co為輸出濾波器，可以濾除電路輸出的噪聲，同時可以作為ADC電路的輸入濾波器。INA326用獨特的內部技術實現極好的共模抑制比。為了實現更好的高頻CMR，在2和3腳之間加了一個小電容，同時在儀器放大器的反相輸入端串接了與正相輸入端阻值相同的電阻，以減小INA326輸入偏置電流對輸出信號的影響。

圖3 右腿驅動電路

ADC恢復放大電路

由於電極電勢很高，實際可達500mV，因此通過交流耦合消除電極電勢的影響就至關重要。本設計反饋配置中的ADC恢復放大器可以消除直流偏置。當INA326的輸出電壓增大以後，反饋積分器將施加一個等量的負相電壓至INA326基準端，通過此類線性化求和，可實現電極偏置的消除。直流恢復器的作用是將原本的直流耦合放大器轉變為交流耦合放大器，隨著直流固有模式電壓的消除，輸出級可以放大交流心電圖信號而不會產生過飽和。

右腿驅動電路

50Hz工頻幹擾是心電測量中最重要的幹擾，僅靠前置放大器的高共模抑制比還不足以完全抑制，良好的右腿驅動電路可以提高電路的抗工頻幹擾能力，並與人體和放大電路共同形成閉合迴路，保證心電放大電路的正常工作。

由於源自人體的不同端點，左臂與右臂的心電圖信號處於不同的電平，且須被INA326放大，為了更好地抑制50Hz的噪聲，通過INA326所得到的人體共模電壓被用於反相共模信號，並與2.5V基準電壓比較後通過運算放大器OPA2335驅送至人體的右腿，僅需少量的小型放大器即可實現有效的共模態抑制改善。該方法不僅可以抑制50Hz工頻幹擾還可根據心電信號適當調整人體電平，便於ADC採樣。右腿驅動電路如圖3所示，其中COM端為前級運放INA326的共模輸出信號，同時在前級還增加了一級電壓跟隨器用於隔離。

陷波電路

雖然前置放大電路對共模幹擾具有較強的抑制作用，但部分工頻幹擾是以差模信號方式進入電路的，且頻率處於心電信號的頻帶之內，加上電極和輸入迴路不穩定等因素，前級電路輸出的心電信號仍存在較強的工頻幹擾，因此通常要進行陷波。本設計利用美國凌力爾特有限公司的LTC1068-50集成開關電容濾波器設計了一個8階巴特沃斯50Hz陷波器，經測試陷波深度可達50dB，可衰減100倍左右，效果比較理想。

心電數據採集電路

TI公司的ADS1258元件採用了低噪聲的delta-sigma ADC架構，可有序地循環16個通道，單周期（零延遲）高速轉換速率可編程，速率1.8K23.7KSPS每通道，不會產生性能衰退。附帶的內置系統監測寄存器提供了電源電壓、溫度、基準電壓、增益、以及偏置的測量，已被廣泛用於諸如患者監測及心電圖系統等高精度、多通道應用，簡化的數據採集模塊的原理圖如圖4所示。注意要在ADS1258的模擬信號輸入端跨接一個2.2nF的電容來旁路ADC採樣電流。對±1V的輸入信號，可以不用分壓電阻橋，直接在其輸入端串接一個保護電阻即可。外部運放OPA365將單端輸出轉變為全差分輸出用來驅動ADC，另外還要對2.5V的參考電壓進行濾波及通過運放OPA350緩衝來提供低噪聲參考電壓。

數據處理存儲顯示

單片機通過P1接口讀取ADS1258採集的數據，進行特定處理後將數據依次存放在外部存儲器中。數據存儲器使用ATMEL公司的AT29LV1024，它具有1M位的存儲空間且具有掉電保護功能，可以在意外掉電或關閉電源的情況下保存數據。本系統通過液晶顯示器顯示實時採集的心電波形及分析結果。另外系統採用MAX3232擴展串口，並最終將心電數據傳送至醫院或疾病控制中心，便於醫院隨時了解病人的狀況。

系統軟體設計

心電圖機的主控模塊和功能模塊按照系統功能框圖設計、執行，微型十二導心電圖機的系統軟體功能框圖如圖5所示。

圖4 數據採集模塊原理圖

圖5 系統軟體功能框圖

心電信號的軟體數字濾波

由於心電信號會不可避免地混入50Hz工頻幹擾，同時從人體獲得的心電信號還含有由皮膚阻抗、呼吸及放大器的溫度漂移等產生的基線漂移,而僅僅依靠硬體很難將其理想濾除，因此採用軟體數字濾波的方法。圖6顯示了用MATLAB對加噪心電信號利用FFT方法濾除50Hz工頻幹擾的仿真實驗結果。實驗原始數據取自MIT/BIH心電資料庫中的一段波形。由於實驗採用的是矩形窗模擬濾波，在恢復時域信號時會有振鈴效應，因此在實際使用中可根據需要選用合適的窗函數。

從濾波與處理效果看，快速傅立葉變換可得到信號的全部頻譜，便於進行針對性處理，且可選擇的窗函數多，對50Hz頻移有很好的濾除效果。而自適應模板法與數學形態濾波法則分別適用於50Hz工頻幹擾的去除與基線漂移及高頻噪聲幹擾的去除。本系統將以上三種濾波方法結合起來使用，當需要在液晶屏上顯示心電波形時採用自適應模板法與數學形態濾波法，將數據傳輸到PC機中時可以採用快速傅立葉變換法對心電信號進行精確處理。

心電圖機PC機端輔助軟體的開發

本文設計的心電圖機配有基於Visual C++6.0開發環境編寫的PC機軟體以擴展系統功能。將心電圖機與PC機連接後，啟動Windows心電數據採集程序即可在計算機屏幕上看到實時採集的心電波形，PC機心電信號顯示界面如圖7所示。

圖6 利用FFT方法濾除50Hz工頻幹擾後的心電信號

圖7 PC機心電信號顯示界面

結束語

本文設計的心電圖機採用了TI公司的高性能單片機MSP430FG4616和16通道低噪聲Δ-Σ架構的24位模數轉換器，能準確獲取反應心電特徵及其變化規律的心電信號，並可通過單片機的控制在液晶屏上以圖形方式顯示和存儲，為實現家庭醫療遠程診斷進行了前瞻性的研究。與常規設計相比，本系統具有性能穩定、精度高、抗幹擾能力強等特點，具有良好的應用前景。