【正文】 )于 1949 年由美國 Holte 首創(chuàng)，故又稱 Holter 心電圖。國外 80年代已在臨床廣泛應(yīng)用，國內(nèi)發(fā)展比較晚，近幾年才開始迅猛發(fā)展，該儀器由以前的磁帶式記錄發(fā)展為固態(tài)式記錄、閃光卡記錄，由單導(dǎo)、雙導(dǎo)發(fā)展為 12導(dǎo)聯(lián)全記錄。 DCG 功能強大，能夠連續(xù)記錄 24小時心電活動的全過程，包括休息、活動、進(jìn)餐、工作、學(xué)習(xí)和睡眠等不同情 況下的心電圖資料，能夠檢測出心律 【 3】失常和心肌缺血等一些常規(guī) ECG 不易發(fā)現(xiàn)疾病。對臨床分析病情、確立診斷、判斷療效有重要參考價值。近半世紀(jì)以來，動態(tài)監(jiān)護(hù)設(shè)備更加智能，功能更加完善，類型也越來越多。 心電圖儀的 發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機、微電子、機械電子在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，極大的促進(jìn)了心電設(shè)備的發(fā)展。目前各大醫(yī)療器械廠商都投入巨資開發(fā)性能更強、功能更加完善的心電設(shè)備，比如歐姆龍、北京超思、亞新、均在該領(lǐng)域的研究與生產(chǎn)上有所突破。 綜觀當(dāng)前心電檢測儀器發(fā)展趨勢，主要向以 下幾個方向發(fā)展： (1) 數(shù)字化 隨著計算機科學(xué)、機械電子的迅猛發(fā)展，醫(yī)療器械的數(shù)字化程度越來越高，比如數(shù)字濾波器的使用，極大的降低了心電干擾，提高了心電判斷的準(zhǔn)確率。 (2) 無線化 無線傳感技術(shù)的發(fā)展能夠促使心電檢測無線化，從而擺脫傳統(tǒng)心臟檢測的繁瑣程序。同時，能減輕病人的心里緊張程度，實現(xiàn)心電檢測的方便性。 (3) 自動化 4 自動測量和分析是醫(yī)療儀器的發(fā)展方向，使醫(yī)療器械智能化是目前醫(yī)療器械設(shè)計的目標(biāo)之一。 (4) 遠(yuǎn)程醫(yī)療 計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，為遠(yuǎn)程醫(yī)療的實現(xiàn)提供了可能 ，將心電數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程傳輸，在遠(yuǎn)端對心電數(shù)據(jù)加以分析處理并提出診斷結(jié)果，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。如目前出現(xiàn)的基于 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)就是這個發(fā)展趨勢的體現(xiàn)。 總之，科技不斷進(jìn)步，人們的需求也在變化，設(shè)計符合市場需求的產(chǎn)品是企業(yè)生存的根本，利用高科技帶來的技術(shù)革命去更新醫(yī)療器械更是一個巨大的市場機會，我們相信，在未來幾年里，家庭化的監(jiān)護(hù)設(shè)備必將越來越普及。 研究 心電圖儀的 意義 心電圖是反映心臟興奮的電活動過程 ,它對心臟基本功能及其病理研究方面，具有重要的參考價值。心電圖可以分析與鑒別 各種心律失常；也可以反映心肌受損的程度和發(fā)展過程和心房、心室的功能結(jié)構(gòu)情況。在指導(dǎo)心臟手術(shù)進(jìn)行及指示必要的藥物處理上有參考價值。然而，心電圖并非檢查心臟功能狀態(tài)必不可少的指標(biāo)。因為有時貌似正常的心電圖不一定證明心功能正常；相反，心肌的損傷和功能的缺陷并不總能顯示出心電圖的任何變化。所以心電圖的檢查必須結(jié)合多種指標(biāo)和臨床資料，進(jìn)行全面綜合分析，才能對心臟的功能結(jié)構(gòu)做出正確的判斷。心電圖儀是診斷心臟病的重要儀器之一 , 微型家用心電圖儀正是面向廣大用戶而設(shè)計的。其體積較小，攜帶方便，便于出門在外使用；操作簡單，功 能齊全、價格便宜、功耗低 ,性價比高 ,適于在廣大普通用戶和家庭中推廣應(yīng)用。 2. 簡易心電圖儀的原理 心電圖儀的工作原理 簡易心電圖儀系統(tǒng)主要由前置放大、后級放大、濾波電路、電壓抬升電路、單片機模塊、按鍵模塊和 LCD顯示模塊構(gòu)成。因為電極采集的心電信號參雜著共模信號，所以需經(jīng)前置放大，進(jìn)行差模信號放大，去除共模信號。再經(jīng)后級放大將心電信號放大。但放大后的電信號仍然參雜著電磁干擾和高頻信號干擾，要進(jìn)行濾波處理。具體操作是先隔直，后低通，再 50Hz陷波 【 4】 （去工頻干擾）。經(jīng)濾波后的電信號為雙極性信號，需 抬高，才能進(jìn)行 AD采樣。 ATmega128單片 機 對電壓抬升后的電信號進(jìn)行 AD采樣。系統(tǒng)通過按鍵電路，來控制 LCD顯示的內(nèi)容。 5 圖 2－ 1 系統(tǒng)框圖 心電信號的產(chǎn)生機理 心臟的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以把心臟看作一個水泵，能夠不斷地有規(guī)律性的發(fā)生興奮和收縮 【 5】 ，從而推動著整個血液的循環(huán)。心電信號就是有心肌激動產(chǎn)生的微小電流，該電激動是在心臟機械收縮之前產(chǎn)生的。圍繞在心臟周圍的組織和體液具有導(dǎo)電性，這些 微小電流總和就通過組織及體液傳導(dǎo)反映到體表上來。從而造成體表不同點之間的電位差不同，通過采集這些電位差就可以繪制出心電圖來。 隨著科技的進(jìn)步，各種尖端檢測儀器不斷更新，極大的提高了對心電信號的研究與分析能力。心電圖是記錄心臟電活動狀態(tài)的記錄，包括心臟節(jié)律和頻率以及電壓的高低等信息，可用于診斷各種心律失常、心肌病變、心肌梗塞及心肌缺血等心血管疾病。同時對心臟病的診斷和治療也提供了確切的理論依據(jù)。 心電信號的特征 生物醫(yī)學(xué)信號都具有信號強度較弱、背景噪聲較強、頻率范圍一般較低、隨機性強等特點 【 5】 。當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)信號處理已經(jīng)是一個重要的研究領(lǐng)域，也是近年來迅速發(fā)展的數(shù)字信號處理技術(shù)的一個重要的應(yīng)用方面。心電信號屬于直接信號，信源是心臟，具有周期信號的性質(zhì)，同時還有非平穩(wěn)的特性，由于干擾因素的存在，心電信號總是在一定的范圍內(nèi)波動，有時候也會隨著某種疾病發(fā)生改變，不同的人，其心電圖的波形有差異，這個差異有時還很大，但是，一般正常的心電波形都可以劃分為幾個部分。 時域特征 通過電極對心電信號進(jìn)行提取，可以畫出心電信號的電壓幅度隨著時間變化的圖形，即是一個典型的正常心電波形 。信號的幅度很小，一般為 10181。V~4mV，典型值是 1mV。 心電信號是一個近似周期信號，它的特點是突變性很強，屬于一種非常典型的具明顯時心電信號 前置放大 后級放大 電壓 抬升電路 LCD 顯示 濾波電路 按鍵電路 ATmega128 6 頻特性與時間 尺度特性的生物醫(yī)學(xué)信號?？梢钥闯鲂碾娦盘柧哂幸韵绿攸c： (1)微弱性：經(jīng)過實驗測試得出，心電信號的幅度一般只有 ～ 5mV，均值在 1181。V，很容易受到干擾的影響，極易被淹沒。給信號的檢測帶來了困難。 (2)低頻特性：人體心電信號頻率比較低，有價值的頻率范圍一般為 ~100Hz，能量大部分集中在 ~40Hz。 (3)高阻抗：人體源阻抗一般較大 ，可達(dá)幾 KΩ至幾十 KΩ，其作為心電信號的信號源，給心電信號的檢測帶來了不利，容易造成心電信號的誤差和失真。 (4)不穩(wěn)定性：人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各個器官之間相互協(xié)調(diào)相互影響，又與外部直接接觸，密切聯(lián)系，所以，無論來之于內(nèi)部的還是外部的影響，都能引起 ECG 的變化，導(dǎo)致心電信號的不穩(wěn)定。因此，在對信號進(jìn)行檢測、處理與分析時，要考慮這一特性，并采取相應(yīng)的措施。 (5)隨機性：人體周圍的環(huán)境非常復(fù)雜，在檢測時不可避免的會受到各種各樣的外界干擾而使心電信號發(fā)生變化，從而造成心電信號的隨機性。不過，這種隨機性并不是毫 無規(guī)律可言，通過對心臟自發(fā)放電的構(gòu)型進(jìn)行統(tǒng)計并分析，可以發(fā)現(xiàn)放電的內(nèi)在規(guī)律。所以，在對 ECG 的檢測中，要綜合考慮，既要考慮它的隨機性，更要重視它的規(guī)律性。 頻譜特征 據(jù) 等人的研究，直流成分在心電信號中占的比例很高，濾除直流成分后，頻率主要集中在 ~100Hz，可見心電信號的頻率較低，強度非常微弱，而其中的能量大部分集中在 ~40Hz 范圍內(nèi)。從功率譜上可以看出，心電信號的能量大部分集中在 QRS【 7】 期間，該期間的頻率峰值一般是在 10~20Hz 之間，在信號 的中、高頻率區(qū)，由于這個特征在整個心電信號圖中非常明顯，因此對 QRS 波形的檢測變得非常容易識別。 AVR心電圖儀的硬件設(shè)計 本系統(tǒng)利用高精度通用運算放大器 INA128對輸入的心電信號進(jìn)行放大 ,再進(jìn)行濾波 ,濾去高頻生物電 ,同時采用右腿屏蔽驅(qū)動電路 ,消除生物電和其它干擾信號的影響。經(jīng)放大處理后的心電信號通過 ATmega128集成的 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 ,并寫入FLASH存儲器中。需要時 ,按回放按鍵 ,將 FLASH存儲器的數(shù)字信號讀出來。考慮到常規(guī) A/D轉(zhuǎn)換功耗較大 ,系統(tǒng)采用 ATmega128單片機 ,ATmega128單片機的 A/D采樣精度可達(dá) 12位 ,最高采樣速率可達(dá) 200Ksps,具有采樣 /保持功能的 ADC,完全能夠滿足心電信號檢測要 7 求。其輸入范圍為 0～ ,設(shè)計時選擇 , 放大后的心電信號疊加參考電壓大小為 177。 , 正好落在 ATmega128的 ADC模擬輸入信號范圍 【 8】 。 心電圖儀的硬件設(shè)計方案 一個心電數(shù)據(jù)系統(tǒng)的組成框圖 ,其中心電信號由專用電極拾取后送入前置放大器初步放大，并在對各干擾信號進(jìn)行一定抑制后送入帶通濾波器，以濾除心電頻率范圍以外的干擾信號。主放 大器可將濾波后的信號進(jìn)一步放大到合適范圍后，再經(jīng) 50Hz 陷波器濾除工頻和肌電干擾，然后將符合要求的心電模擬信號由模擬輸入端送入高速 ADC，以進(jìn)行高精度 A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的采集存儲。方案的提出與比較如下： 方案一：采用模擬分立元件，可以產(chǎn)生心電波，但采用模擬元件太大，即使方案一使用單片機電路參數(shù)也與外部元件有關(guān)，外接的電阻電容對參數(shù)影響很大，在濾波過程中會出現(xiàn)很大的干擾，使得輸出不精確，即此電路抗干擾能力低，成本也高；而且靈活性差，不能實現(xiàn)各種輸出的智能化。 方案二：采用以 MSP430F149 為核心，采用 INA128 芯片作為前置放大，運用多級運放電路來提取信號。它在一定的程度上可以達(dá)到題目要求。但是，共模抑制比很難達(dá)到發(fā)揮 80db 以上，而且精確度不高，在以后的輸出中會出現(xiàn)很多的毛刺。由于這些原因，我們不采用這種方法。 方案三：以為 ATmega128 中心、采用性能優(yōu)良的 AD620 管作為前置放大，既可以提高放大倍數(shù)，也可以提高共模抵制比、電路結(jié)構(gòu)簡單。然后通過 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換，輸出給示波器，若合理的選擇器件參數(shù)，可使其輸出波形失真小。所以采用此方案。 系統(tǒng)原理框圖可以用圖 31表示。整個系統(tǒng)有以下幾個部分 組成： 采集電路：有前置放大電路、帶通濾波電路、主放大電路和電平抬升電路組成，心電信號由電極獲取后送入心電采集電路，經(jīng)處理后得到符合要求的心電信息。 （ 1）處理電路：主要完成對心電數(shù)據(jù)的采集、濾波、顯示、存儲和傳輸控制。 （ 2）存儲電路：利用 SD卡完成心電數(shù)據(jù)的大容量存儲，并建立文件系統(tǒng)。 （ 3）按鍵電路：完成良好的人機交互。 （ 4）顯示電路：實時顯示出心電波形和心電相關(guān)信息。 （ 5）電源電路：設(shè)計可靠的電源電路，為整個系統(tǒng)提供電源，降低系統(tǒng)功耗。 8 圖 3－ 1 系統(tǒng)總體原理框圖 該系統(tǒng)總體可分為模擬和數(shù)字兩部分。模擬部分是指前端采集電路，包括前置放大、右腿驅(qū)動電路、帶通濾波電路、主放大和電平抬高電路。數(shù)據(jù)處理部分包括 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、 ATmega128 處理器模塊電路、存儲器模塊電路、鍵盤模塊、 LCD 接口電路、串口通信、電源管理模塊和上位機管理軟件等。處