丁有得,王倩,劉洋,鞏萍萍,佘錦雄
廣州醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系 (廣東廣州 511436)
心電信號可以在一定程度上反映人體的健康狀況。傳統(tǒng)心電監(jiān)測儀通常體積較大,使用費用高昂,只適用于醫(yī)院等大型醫(yī)療機構(gòu)。隨著生活水平的提高,人們對生命質(zhì)量的要求越來越高,實時關(guān)注個體健康狀態(tài)已經(jīng)成為日常需求。因此,設(shè)計研發(fā)一種便攜式、低功耗的心電監(jiān)測設(shè)備非常必要。
心電是一種微弱的醫(yī)學(xué)生理信號,通常有較大的隨機性,很難通過某種確定的函數(shù)進(jìn)行描述。心電信號大多通過統(tǒng)計的方法進(jìn)行研究,其需要依靠眾多測量得到的結(jié)果尋找規(guī)律。心電等級通常為mV級,正常心電信號有95%以上的能量位于0.05~100 Hz,在存在干擾的境況下,大多有用的信號將被各種干擾信號所覆蓋[1-2]。
心電信號來自于人體表面,其頻率較低,屬于微弱雙極性信號。電極產(chǎn)生的噪聲、工頻之間的干擾及肌電和呼吸波信號等都可能對其造成干擾,因此,進(jìn)行心電信號監(jiān)測時必須放大電路,監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備高增益、高輸入阻抗及高共模抑制比。而便攜式心電監(jiān)測儀,應(yīng)在保證監(jiān)測準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上盡量減小體積,并考慮低功耗設(shè)計、直流電源供電等。另外考慮到移動終端設(shè)備的普及,開發(fā)藍(lán)牙無線等無線通信傳輸接口,便于移動終端使用APP等查看監(jiān)測心電情況及在移動端APP等軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1便攜式心電監(jiān)測儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)采用美國TI公司的16位超低功耗單片機MSP430FG439芯片,其采用低功耗設(shè)計,16位精簡指令集,1.8~3.6 V的供電電壓,指令周期為125 ns,在2.2 V電壓時,1 MHz晶振系統(tǒng)工作電流為225 μA。在硬件架構(gòu)上,提供了5種低功耗模式,可最大限度延長手持設(shè)備的電池壽命。該芯片外圍模擬電路十分豐富,因此非常適合于微型化、低功耗的產(chǎn)品設(shè)計。外圍電路主要包括前置放大電路(圖2)、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD驅(qū)動電路及無線通信模塊驅(qū)動電路。在前置放大電路中,首先通過2個運算放大器進(jìn)行緩沖,然后經(jīng)差分前置放大器放大7~10倍后又由二、三級電路放大及自動增益調(diào)節(jié)設(shè)置,使信號放大100~2 000倍。無線通信模塊主要采用NRF24L01+藍(lán)牙,傳輸速率高,功耗低,LCD采用128×64的點陣液晶模塊[3-4]。
圖2心電信號放大電路
心電信號有95%以上的能量集中于0.05~100 Hz,因此,必須通過濾波器過濾掉其他頻率的外因干擾。濾波器選擇常用的二階巴特沃茲低通濾波器,截止頻率設(shè)置為20 Hz。另外在眾多干擾因素中,50 Hz的工頻干擾對心電信號采集干擾最大,必須專門設(shè)計工頻干擾的陷波器。圖3是利用Matlab對設(shè)計的陷波器對工頻干擾進(jìn)行的濾波仿真。結(jié)果顯示,50 Hz工頻干擾信號受到了很好的抑制,符合設(shè)計預(yù)期要求。
圖3濾波效果對比
軟件設(shè)計主要依托模塊化設(shè)計思路。系統(tǒng)程序流程見圖4。在此系統(tǒng)中,其涉及的模塊步驟主要有初始化與自學(xué)習(xí)、濾波處理、心律失常檢測、文件系統(tǒng)及波形顯示等。心電信號監(jiān)測系統(tǒng)接通電源后,首先進(jìn)入初始化,在此狀態(tài)下信號采集模塊還未開始工作。在管理界面中,用戶可以進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置與管理。當(dāng)進(jìn)行心電采集時,再打開采集模塊電路開關(guān),這種方式可以減少系統(tǒng)產(chǎn)生的功耗。用戶在心電檢測啟動5~10 s時應(yīng)快速完成自學(xué)習(xí),從而快速提取心率、R波幅值及RR間期變化等心電參數(shù)信息。
圖4系統(tǒng)程序流程
完成信號采集工作后,系統(tǒng)先對信號進(jìn)行預(yù)處理,再通過計算差分閾值的極值點,找到心電信號中的特征點。硬件系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)在Matlab中結(jié)果顯示見圖5。從圖中可以看出,該系統(tǒng)降噪效果明顯,實驗結(jié)果可靠。
圖5心電信號實測
傳統(tǒng)的心電監(jiān)測儀主要通過醫(yī)療機構(gòu)進(jìn)行心電檢查,因此在患者面臨突發(fā)病癥時,很難獲得及時、有效監(jiān)測。而家用便攜式心電監(jiān)測儀則具有很強的時效性,由于其輕小便捷,突發(fā)或頻發(fā)疾病的患者可隨身攜帶,實現(xiàn)了及時對健康狀況進(jìn)行監(jiān)測。
我們設(shè)計的家用便攜式心電監(jiān)測儀輕小、便捷,能夠有效幫助人們及時監(jiān)測自己的心電變化,掌握健康狀況。該研究設(shè)計方案對未來家用新型便攜式、微型化、低功耗醫(yī)療設(shè)備研發(fā)具有一定的參考價值。