程超

中南民族大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院信號(hào)檢測(cè)與處理實(shí)驗(yàn)室 (武漢 430074)

心電信號(hào)與脈搏波信號(hào)同步采集系統(tǒng)的研制

程超

中南民族大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院信號(hào)檢測(cè)與處理實(shí)驗(yàn)室 (武漢 430074)

心電信號(hào)和脈搏波信號(hào)都蘊(yùn)藏有人體豐富的生理信息，它們可以很好地反映出人體內(nèi)一些子系統(tǒng)的生理狀態(tài)和病理變化。研究?jī)烧咧g的變化關(guān)系，對(duì)于揭示心電和脈搏在生命過程中所存在的某些規(guī)律很有意義，為此本文設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)，用于對(duì)脈搏波信號(hào)和心電信號(hào)進(jìn)行24h的同步采集，從而為揭示脈搏波信號(hào)與心電信號(hào)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的研究做好準(zhǔn)備。系統(tǒng)選用以ARM處理器S3C2440為核心來構(gòu)造控制電路，用讀寫速度快、功耗低的低電壓外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SD卡存儲(chǔ)采集完的信號(hào)。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明系統(tǒng)的信號(hào)采集效果較好，為后期工作奠定了基礎(chǔ)。

心電 脈搏 ARM S3C2440 SD卡

0 引言

研究表明，心電和脈搏波信號(hào)中包含著人體重要和基本的生理參數(shù)[1]。這些生理參數(shù)的日常監(jiān)護(hù)與檢測(cè)，對(duì)于慢性病患者和老年人的健康以及心臟疾病的治療都有著重要的臨床意義[2]。除此之外，對(duì)這些生理參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，還可以了解人體健康狀態(tài)的變化趨勢(shì)，從而掌握一些疾病對(duì)人體健康產(chǎn)生的影響。因此，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者近幾十年來一直致力于心電信號(hào)和脈搏信號(hào)的分析，特別是計(jì)算機(jī)輔助診斷與分析，涉及到的領(lǐng)域包括：多種噪聲干擾下的微弱心電信號(hào)和脈搏信號(hào)的信息提取、心電信號(hào)和脈搏信號(hào)的模式識(shí)別與分類、心電數(shù)據(jù)庫、計(jì)算機(jī)輔助診斷等[3]。

由于已有的一些監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)大多采用個(gè)人電腦或是工控機(jī)作為波形顯示和數(shù)據(jù)處理的控制器，它們體積大，不易攜帶[4]。與此同時(shí)，一些檢測(cè)系統(tǒng)直接采用單片機(jī)做處理器監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，功能較為單一，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量小，使用不是很方便[5]。

隨著微處理技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，這就為醫(yī)療技術(shù)提供了新的平臺(tái)，促使家庭化醫(yī)療成為醫(yī)療發(fā)展史上的一個(gè)新的方向。因此，在現(xiàn)有心電和脈搏信號(hào)的檢測(cè)和診斷的基礎(chǔ)上，開發(fā)具有家庭化特點(diǎn)的心電、脈搏信號(hào)采集和分析系統(tǒng)是一個(gè)很現(xiàn)實(shí)而且有意義的課題。我們以ARM處理器S3C2440為核心，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了心電與脈搏信號(hào)同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)裝置。該系統(tǒng)對(duì)脈搏信號(hào)和心電信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間同步采集，并通過液晶屏對(duì)脈搏信號(hào)和心電信號(hào)波形進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。利用該系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步探討研究心電和脈搏之間的變化關(guān)系，用于揭示在生命過程中二者所存在的某些規(guī)律。同時(shí)，它具有體積小，功能多，操作方便的特點(diǎn)，可以方便地在日常生活中使用。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)了一種基于S3C2440處理器和uC/OS-II操作系統(tǒng)的心電與脈搏信號(hào)同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由心電放大及濾波電路、32位ARM微處理器S3C2440、存儲(chǔ)器、液晶顯示模塊等組成。心電信號(hào)與脈搏波信號(hào)采集系統(tǒng)中硬件主要包括模擬和數(shù)字兩大部分，首先將來自電極的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理；然后通過S3C2440處理器內(nèi)部的10位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號(hào)一方面經(jīng)過無損壓縮后存儲(chǔ)到SD卡，另一方面?zhèn)魉偷揭壕罫CD上顯示心電和脈搏波波形。S3C2440處理器作為外圍控制電路的核心，控制液晶和數(shù)據(jù)信號(hào)的輸入與輸出。其中系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 心電采集模塊設(shè)計(jì)

心電采集過程：來自AgCl電極的心電信號(hào)送入前置放大器進(jìn)行放大，為了增強(qiáng)電路的耐直流極化的能力，避免進(jìn)入截止和飽和狀態(tài)，前置放大增益不宜過大，所以讓前置放大器放大5倍。然后將信號(hào)送入低通濾波器和高通濾波器，以濾除0.05Hz～100Hz以外的干擾信號(hào)，同時(shí)分別對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行放大。低通濾波器放大2倍，高通濾波器放大4倍。當(dāng)信號(hào)進(jìn)入50Hz的陷波電路后，濾除掉50Hz的工頻干擾信號(hào)。最后進(jìn)入后置放大器，將心電信號(hào)電壓進(jìn)一步放大25倍。因此，整個(gè)心電信號(hào)采集電路對(duì)輸入的模擬信號(hào)放大了1000倍左右。心電采集電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

下面簡(jiǎn)單介紹各自的功能電路：(1)前置放大電路

由于人體心電信號(hào)比較微弱，其噪聲背景卻較強(qiáng)，故測(cè)試條件比較復(fù)雜。為不失真地檢測(cè)出有臨床價(jià)值的心電信號(hào)，往往要求心電采集系統(tǒng)具有高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲及強(qiáng)抗干擾能力等性能。其中前置放大電路是心電數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本設(shè)計(jì)采用AD公司儀用放大器AD623作為前置放大的核心器件。AD623具有低輸入偏置電流、低噪聲、高精度、較高建立時(shí)間、低功耗等特性，共模抑制比可達(dá)130dB，非常適用于醫(yī)療儀器放大器使用，其增益(范圍約1～1000倍)可通過一只連接在1管腳和8管腳之間的外接可調(diào)電阻Rg設(shè)置，其增益方程為：

圖2 心電信號(hào)采集電路結(jié)構(gòu)框圖

(2)壓控電壓源二階低通濾波電路

C35、C37、R51、R68、R70、R71、UP2B 構(gòu)成壓控電壓源二階低通濾波器，由于心電信號(hào)的頻率范圍在0.05Hz～100Hz，為此，將低通濾波器的截止頻率設(shè)計(jì)為100Hz左右。

(3)壓控電壓源二階高通濾波電路

C39、C41、C43、R52、R53、R76、R78、UP2A構(gòu)成壓控電壓源二階高通濾波器，設(shè)計(jì)其截止頻率為0.05Hz左右。

(4) 50 Hz陷波電路

R54和R55為可調(diào)電阻。其中 R54調(diào)整陷波器的中心頻率，R55調(diào)整Q值。有源帶阻濾波器的帶寬B越窄，品質(zhì)因數(shù)Q越高，則濾波器的抑制選擇性就越好。取C45＝C46＝C47＝C，Rc＝R83+ R54a，Rd＝R84＋R54b，R82＝3(2Rc＋2Rd)，可證明其陷波頻率為：

(5)后置放大電路

心電信號(hào)的幅度一般在0.05mV～4mV左右，因此整個(gè)放大電路放大倍數(shù)1000倍左右。在前置放大電路和高低通濾波電路中，心電信號(hào)已經(jīng)放大了40倍左右，所以在后級(jí)放大電路中，放大倍數(shù)大概為25倍。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

(6)電平整定電路

由于放大電路輸出的是雙極性信號(hào)會(huì)產(chǎn)生負(fù)的電壓值，為滿足S3C2440處理器內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換電壓需求，信號(hào)放大濾波后輸出的信號(hào)需進(jìn)行電平調(diào)整，使之變化范圍在0～3.3V之間，以滿足A/D轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)的要求。

圖3 心電采集原理圖

2.2 脈搏波信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

由傳感器所采集到的人體脈搏波，其相應(yīng)的電信號(hào)幅度大小為毫伏級(jí)，而S3C2440處理器的A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍是0V～+3.3V。因此，為了滿足脈搏波信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換的要求，脈搏波放大器就必須具有千倍左右的放大倍數(shù)。另外，脈搏波信號(hào)的頻率范圍在0.1Hz～5Hz，屬于低頻信號(hào)，所以電路中采用一個(gè)低通濾波器，這樣可以抑制其它的高頻噪聲。由于脈搏波信號(hào)極易受到運(yùn)動(dòng)偽跡等低頻干擾，所以電路中設(shè)計(jì)了截止頻率為0.1Hz的高通濾波器來抑制低頻干擾。

根據(jù)以上要求，電路總體由前置放大電路、低通濾波器、高通濾波器和后置放大電路4部分組成。我們所設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 脈搏波放大、濾波電路結(jié)構(gòu)框圖

各部分電路的工作原理及相關(guān)原理圖介紹如下：(1)前置放大電路

脈搏波前置放大電路如圖5所示。它是由一片集成運(yùn)放芯片TL084組成的三運(yùn)放電路，其增益可通過可調(diào)電阻R42來調(diào)節(jié)。該放大電路具有較高的抑制共模干擾能力，它因具有高輸入阻抗、低失調(diào)電壓、穩(wěn)定放大倍數(shù)和低輸出阻抗等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)測(cè)量以及那些提供微弱信號(hào)而共模干擾較大的場(chǎng)合。

(2)低通濾波電路和高通濾波電路

低通濾波電路和高通濾波電路的原理圖如圖5所示，它是由TL084以及RF1、RF2、RF3、RF4、CF1、CF2組成的二階低通濾波器，其放大器的增益由RF4、RF3來控制。

由運(yùn)放 TL084、CF3、CF4、RF5、RF6、RF7、RF8組成一個(gè)二階高通濾波器，其放大器的增益由RF7、RF8來控制。

另外，在高通濾波器后又設(shè)計(jì)了一個(gè)后置放大器，該放大器的放大倍數(shù)為6。

2.3 S3C2440為核心的控制模塊

2.3.1 以ARM處理器S3C2440為核心的控制電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過ARM處理器S3C2440來完成液晶控制，多通道異步串行通信。S3C2440處理器專為便攜式設(shè)備提供的高性能和高性價(jià)比的微控制器解決方案，在16/32位的低功耗RISC內(nèi)核ARM920T核的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了一系列完整的通用外圍器件，使系統(tǒng)成本及外圍器件數(shù)目降至最低，這些功能部件分為數(shù)據(jù)傳輸單元、系統(tǒng)時(shí)鐘管理單元、存儲(chǔ)單元和系統(tǒng)功能接口單元等。如圖6所示。

圖5 脈搏波采集原理圖

圖6 控制模塊功能圖

2.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)

SD卡(Secure Digital Memory Card)中文翻譯為安全數(shù)碼卡，是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，它擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性以及很好的安全性，已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和許多便攜式裝置的消息類電子產(chǎn)品中。

S3C2440處理器的SDDATA0～SDDATA3連接SD卡的雙向數(shù)據(jù)傳輸線DATO～DAT3；SD卡的CLK為主機(jī)與卡的同步時(shí)鐘；CMD為雙向的命令/反饋信號(hào)，其接口電路原理圖如圖7所示。

圖7 S3C2440處理器與SD卡的連接

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是此設(shè)計(jì)的重要組成部分。在軟件設(shè)計(jì)中，文章對(duì)系統(tǒng)的軟件需求按功能進(jìn)行了嚴(yán)格劃分，先將每一部分內(nèi)容形成模塊，然后將各個(gè)模塊組合在一起。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 軟件設(shè)計(jì)控制模塊

3.1 A/D轉(zhuǎn)換的程序設(shè)計(jì)

S3C2440內(nèi)置8路10位A/D轉(zhuǎn)換器(AIN0-AIN7)，系統(tǒng)用2路A/D轉(zhuǎn)換通道(AIN0-AIN1)，分別獲得心電信號(hào)和脈搏信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)[6]。由于沒有采樣保持電路，僅在較窄的頻帶(0～100Hz)范圍內(nèi)的信號(hào)才可能獲得正確的采樣結(jié)果，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率必須大于信號(hào)中最高頻率的兩倍[7]。因此，A/D的采樣頻率必須大于200Hz。由于ARM系統(tǒng)的最小采集頻率遠(yuǎn)大于200Hz，所以我們?nèi)∷淖钚〔杉l率。令預(yù)分頻值為255，那么采集頻率將近0.2MHz，它的轉(zhuǎn)換時(shí)間為25.6us。

系統(tǒng)的采集程序流程方框圖如圖9。

圖9 采集程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照以上對(duì)該系統(tǒng)的詳細(xì)描述，我們已完成了該系統(tǒng)硬件部分的調(diào)試，其硬件實(shí)物波形顯示如圖10所示：

圖10 實(shí)物波形顯示圖

將A/D轉(zhuǎn)換出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)圖形的還原，其顯示的波形圖像如圖11所示：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該心電脈搏采集系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)和脈搏信號(hào)的放大和實(shí)時(shí)采集與顯示，達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。

圖11 心電和脈搏波的波形顯示圖

5 總結(jié)

筆者所設(shè)計(jì)的結(jié)合生理參數(shù)檢測(cè)技術(shù)、微電子技術(shù)、和信號(hào)處理技術(shù)研制出的心電與脈搏信號(hào)同步采集系統(tǒng)，具有便攜性、易操作性等特點(diǎn)。具體如下：(1)兩個(gè)采集模塊的前置放大電路共模抑制比達(dá)到了90dB以上。我們用示波器觀察采集志愿者的心電和脈搏信號(hào)，檢測(cè)前置放大電路的效果，完全滿足設(shè)計(jì)的要求。

(2)本系統(tǒng)采用了uC/OS-II實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，它能夠更好地幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)便攜式的采集、顯示和存儲(chǔ)等任務(wù)，從而彌補(bǔ)了一些檢測(cè)系統(tǒng)直接采用單片機(jī)做處理器監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，功能較為單一的不足。并且，作為本系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)，其特有的優(yōu)點(diǎn)及強(qiáng)實(shí)時(shí)性，能夠很好地完成任務(wù)的調(diào)度和通信。

本系統(tǒng)可以方便地在家庭和社區(qū)使用，為實(shí)現(xiàn)社區(qū)護(hù)理提供了一種有效辦法。與此同時(shí)，根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)，我們可以建立心電信號(hào)與脈搏波之間的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，進(jìn)而探討心電及其變化趨勢(shì)對(duì)人體脈搏波的具體影響。

[1]何菊人，生理學(xué)，上海醫(yī)科大學(xué)出版社，1988：10～15.

[2]沙憲政，尹勇，魏巍，基于USB的家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)，電子技術(shù)，2003，(1).

[3]李澤君，基于心電與脈搏信息的心血管功能檢測(cè)與監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究，北京工業(yè)大學(xué)碩士論文，2004：1～5.

[4]Liu Xiaodong The design of a home front system for ECG and blood pressure telemonitoring network [D].Beijing Tsinghua University.1999.

[5]Xie Hongtao, Zhang Yonghong, ZhangJupeng Development of portable home ECG and blood pressure monitoring device based on 80C196KC micro-controller[J]Beijing Biomedical Engineering.2001,20(4):271～274.

[6]王黎明，陳雙橋，ARM9嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)踐，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：153～161.

[7]鄭君里，應(yīng)啟珩，楊為理，信號(hào)與系統(tǒng)(第二版)上冊(cè)，高等教育出版社，2001：157～159.

A Development of the Simultaneous Acquisition System of ECG Signal and Pulse Wave

CHENG Chao
College of Bioengineering, South-Central University for Nationalities (Wuhan 430074)

Designed a dynamic electrocardiogram(ECG)and Pulse Wave acquisition system, and used to collect 24-hour ECG and Pulse Wave signals. Using this data,we can find dynamic relationship between EEG and Pulse Wave, which would be help for health care and treatment of disease. This system adopts ARM S3C2440 as main controlling chip SD card as Mass Storage Facility. Results from a series experiments show that, the performance of this system is well. This work will establish a foundation for late reseanch.

electrocardiogram,pulse wave,ARM,S3C2440,SD card

1006-6586(2011)02-0018-05

：R459.7

：A

2010-12-13

程超，研究生