【正文】 .................. 45 ....................................................................................................... 45 軟件設(shè)計(jì) ............................................................................................................... 46 軟件概要設(shè)計(jì) ............................................................................................................... 47 本章小結(jié) .............................................................................................................. 48 致 謝 ............................................................................................................................... 49 9 致 謝 ............................................................................................................................... 49 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................... 50 中文譯文 .................................................................................................................... 52 英文原文 .................................................................................................................... 62 . 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 1 頁 1 1 緒論 選題背景 隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們在享受著高水平的物質(zhì)生活的同時(shí)，也 面臨著以往任何一個(gè)時(shí)期都不曾有過的心理壓力，身心的負(fù)荷程度長期超載，這 一切使得心臟疾病開始成為威脅人們生命和健康的嚴(yán)重殺手。這些數(shù)字讓人觸目驚心，人們再也無法忽視或者逃避此 類疾病了。 然而，人類對心臟病的檢測和治療并非束手無策，很早以前，醫(yī)學(xué)界人士就 開始將人體生物電之一的心電信號(hào)加以應(yīng)用了。 DuBois 一Reymond 用動(dòng)作電位 (Aetionpotential)描述心肌收縮，被公認(rèn)為世界電生理學(xué)研究的奠基人。如今己經(jīng)可以通過對心電信號(hào)的分析研究對心血管病變做出預(yù)測和斷 .心電圖儀是一記錄心臟活動(dòng)的專用儀器，它將心電信號(hào)經(jīng)過放大、濾波后，連續(xù)曲線的方式繪制出心電圖，現(xiàn)在心電圖己經(jīng)成為心臟疾病診斷的必不可少的工具之一。但是這些心電儀產(chǎn)品價(jià)格都十分昂貴，對于一些規(guī)模有限的醫(yī)療機(jī)構(gòu)是沉重的負(fù)擔(dān)。 本文所基于的項(xiàng)目要研究和開發(fā)一種面向中小醫(yī)療機(jī)構(gòu)的便攜式心電儀?，F(xiàn)在人們的保健意識(shí)空前提高，我們開發(fā)的這種小型心電儀適用于社區(qū)診所之類的小型醫(yī)療機(jī)構(gòu)和部分家庭促進(jìn)了醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備在我國的應(yīng)用和推廣。采集模塊實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過硬件電路實(shí)現(xiàn)一定的濾波功能，然后把易于處理的數(shù)字信號(hào)通過串口傳遞到 后端心電信號(hào)處理模塊。 課題研究現(xiàn)狀 當(dāng)前便攜式心電圖儀的設(shè)計(jì)主要向智能化、系統(tǒng)化和集成化方向發(fā)展。這種處中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 2 頁 2 理器性能強(qiáng)大，它使得心電儀在心電數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)和顯示等功能的基礎(chǔ)上，還能夠?qū)崿F(xiàn)對心電數(shù)據(jù)的分析。 另一方面，在導(dǎo)聯(lián)個(gè)數(shù)上，在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)， 心電導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)一般僅僅 具有單導(dǎo)或三導(dǎo)聯(lián)同步記錄功能，市場上現(xiàn)在也還有很多這種產(chǎn)品 .該類產(chǎn)品因?yàn)? 只支持少數(shù)的導(dǎo)聯(lián)，因而它的液晶屏幕比較小， 用戶觀察起來很不方便，只能通 過自帶的打印機(jī)將心電圖打印出來之 后才能較好的觀察分析。 目前很多廠商也在競相開發(fā)支持多導(dǎo)聯(lián)的心電儀產(chǎn)品。 隨著集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步深入，今后心電 儀的研究和發(fā)展趨勢主要包括以下幾個(gè)方面 : ○ 儀器小巧化。令多導(dǎo)同步心電檢測系統(tǒng)尤其是十二導(dǎo)同步心電檢測系統(tǒng)將逐步占領(lǐng)更多 的市場份額。心電儀產(chǎn)品會(huì)越來越體現(xiàn)人性化的思想，以方便使用為設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，本課題中研究的心電儀就采用了觸摸屏的方式，不僅界面友好，而且操作非常方便。單個(gè)獨(dú)立的心電儀系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)連接，和心電檢測數(shù)據(jù)庫互 聯(lián)，提高對疾病的監(jiān)測效率。隨著微處理器和微控制器運(yùn)算速度的進(jìn)一步提高，心電儀的處理能力也會(huì)不斷得到增強(qiáng) .〕 本文要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo) 本論文描述的便攜式心電儀采用了前端和后端的方式實(shí)現(xiàn)。前端同步采集模塊是本要完成的工作內(nèi)容，后端數(shù)據(jù)處理及顯示模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是其他同學(xué)完成 的，在此不做敘述。采集板的尺寸要 盡量小，以便于嵌入到小型心電儀內(nèi)部，本系統(tǒng)中采集板的表面尺寸在 6cmxscm 左右 。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 3 頁 3 ● 盡可能的降低功耗。 ● 可以采集任意導(dǎo)聯(lián)的數(shù)據(jù)。 ● 實(shí)時(shí)濾波功能。 ● 數(shù)據(jù)臨時(shí)保存功能。 ● 數(shù)據(jù)傳送功能。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 4 頁 4 2 心電圖基礎(chǔ)知識(shí) 心電圖產(chǎn)生機(jī)理 心臟是人體血液循環(huán)系統(tǒng)中的重要器官，依靠心臟的節(jié)律性收縮和舒張，血 液才能夠在封閉的循環(huán)系統(tǒng)中不停的流動(dòng)，將氧氣運(yùn)輸?shù)饺砀鞑糠值慕M織器 官， 將二氧化碳排出體外，使得生命得以維持。 在每一個(gè)心動(dòng)周期中，心臟各部分興奮過程中出現(xiàn)的電信號(hào)的變化方向、途 徑、次序和時(shí)間都具有一定的規(guī)律性。把測量電極放置在 人體表面適當(dāng)部位記錄出來的心臟電位變化曲線就是臨床常規(guī)心電圖 ，反映了心 臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過程的電變化。圖 標(biāo)明了一個(gè)典型的心電信號(hào)周期。前半部分主要由右心房所產(chǎn)生，后半部分則主要由左心房所產(chǎn)生。 QRS 波群 :反映左、右心室的電激動(dòng)過程， QRS 波群的寬度稱為 QRS 時(shí)限，代表全部心室肌激動(dòng)過程所需要的時(shí)間。范圍為 一 ，在以 R波為主的心電圖上， T波不應(yīng)低于 R波 1/10。 .心電圖的典型間期和波段 P一 R間期 :它是從 P 波起點(diǎn)到 QRs 波群起點(diǎn)的相隔時(shí)間，代表從心房開始興奮到心室開始興奮的時(shí)間，正常 P一 R間期為 小 ，不同導(dǎo)聯(lián)測量 的 P一 R間期 可能略有差別， P一 R間期隨著年齡增長而有加長的趨勢。正常人接近于基線。代表兩側(cè)心室肌的電激動(dòng)過程。正常人的 S 一T 段是接近基線的，與基線間的距離一般不超過 。心率愈慢， Q一 T間期愈長，心率愈快， Q 一間期愈短。心電圖 (ECG)就是通過在體表放置電極記錄下來的反映心臟活動(dòng)電位變化的圖形。臨床上為了統(tǒng)一和便于比較所獲得的心電圖波形，對記錄心電圖時(shí)的電極位置和引線與放大器的連接方式進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，并將記錄心 電圖時(shí)電極在人體體表的放置位置和引線與放大器的連接方式稱為心電圖的導(dǎo)聯(lián)。在臨床應(yīng)用過程中，有的導(dǎo)聯(lián)體系數(shù)目太多，過于繁瑣，有的數(shù)目又太少，容易漏掉心電信息。因此把國際標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)體系， 分別記為Ⅰ ,Ⅱ ,Ⅲ ,aVR、 aVL、 aVF、 VI～ V6，其中， I、 1 111 導(dǎo)聯(lián)為雙極導(dǎo)聯(lián)， aVR、 aⅥ ,VF、VI～ V6 為單極導(dǎo)聯(lián)。在記錄心電圖時(shí)，右腿電極一般作為參考電極，其余九個(gè)電極作為心電電極。接下來，對各種導(dǎo)聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。其連接方式如圖 所示，其中 A 代表放大器， M為右腿驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)出現(xiàn)后壁心肌梗塞、心律失常時(shí)，在Ⅱ?qū)?lián)或 Ⅲ導(dǎo)聯(lián)中可一記錄到清晰的波形改變。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人體皮膚涂上導(dǎo)電膏后，左上肢、右上肢和左腿與心臟間的電阻分別為 2KΩ、 、 。 Wilson 提出在三個(gè)肢體上各串聯(lián)一個(gè)平衡電阻 (阻值在 5KΩ一 300KΩ之間 )，以使得三個(gè)肢體端與心臟間的電阻數(shù)值互相接近，因而把它們連接起來獲得一個(gè)電位接近零值的電極 電位 端，稱為威爾遜中心電端。 在心臟電活動(dòng)過程中，威爾遜中心端的電位相對恒定，表示為 GE . ? ?FRLG EEEE ??? 31 (公式 22) 此時(shí)，設(shè)某一測試電極處的實(shí)際電位是 iE ，則單極導(dǎo)聯(lián)測得的電位 iV 是 : Gii EEV ?? , ??iE ? ?RFL EEE ??31 ， (公式 23) 則兩上臂，左腿三個(gè)肢體 端的單極肢體導(dǎo)聯(lián)分別為 : GRvR EEV ?? GLvL EEV ?? 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 8 頁 8 GFvF EEV ?? 0??? vLvFvR VVV (公式 24) 加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián) Goldberger 于 1942 年對單級(jí)肢體導(dǎo)聯(lián)進(jìn)行了一定的改進(jìn)，提出了加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)的概念，提高了所獲得的心電信號(hào)的幅度。其連接方式如圖 24所示。 aVR、 aVL、 aVF 導(dǎo)聯(lián)的電位值與 VR、 VL、VF 之間有如下關(guān)系 : ? ? vRFLRa v R VEEEV 2321 ???? , ? ? vLFRLa V L VEEEV 2321 ???? , (公式 25） ? ? FVEEEV vLRFa V F 2321 ???? , 修正后的電勢 aVRV 比 RV 提高了 50%，但是加壓導(dǎo)聯(lián)獲得的心電波形形狀不變。探察電極安放在前胸壁上的六個(gè)固定位置，如圖 所示。臨床診斷常常用到胸導(dǎo)聯(lián)，由于距心臟中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 9 頁 9 較近，獲得的心電波形幅度值較大，便于醫(yī)生診斷。 本系績 。 3222yXnnyXXyyXyXXyCHCHCHVCHCHaV FCHCHaV LCHCHaV RCHIIICHIICHCHI???????????????? （公式 27） (其中 n 為 l～ 6) 這組轉(zhuǎn)換方程是后續(xù)處理模塊獲取標(biāo)準(zhǔn) 12 導(dǎo)聯(lián)值的轉(zhuǎn)換依據(jù)，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)值 之后，刁一可以繪制 12 導(dǎo)聯(lián)心電圖。要檢測心電信號(hào)，就必須設(shè)計(jì) 出合適的心電檢測放大電路，同時(shí)必須進(jìn)行濾波等抗干擾技術(shù)處理。 （ 3）不穩(wěn)定性：人體與外界有密切的聯(lián)系，內(nèi)部各器官間存在相互影響，加之心臟位置、呼吸、年齡等原因，都會(huì)使心電信號(hào)發(fā)生相應(yīng)的變化。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 12 頁 12 心電信號(hào)的噪聲干擾 影響心電信號(hào)的噪聲種類很多，主要包括以下幾種： （ 1） 50Hz 工頻及其各次諧波的干擾 ：從人體表面采集的信號(hào)常常受到多種干擾，其中人體分布電容所引起的工頻干擾是其中最主要的一種。另外，周圍環(huán)境的電磁干擾也是產(chǎn)生干擾的一個(gè)方面。 （ 2）由于呼吸和運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的電極接觸噪聲：電極接觸噪聲是一種由于電極和