（信号与信息处理专业论文）无线远程监护系统的研究与应用.pdf

2 互蓥詈：兰：兰里：兰竺鲨兰无线远程监护系统的研究与应用摘要随着社会的进步和科技的发展，人们对健康观念、健康方式和途径都发生着深刻的变化。物质生活水平的提高，使我国已经成为心脑血管疾病的高发区。心脏病已经成为世界上死亡率最高的疾病之一。很多患者在猝死前总会有一些不适感觉，只不过这种感觉常被忽略过去，以至酿成悲剧。本文提出，如果有一便捷式心电监护设备可以监测患者心电信号，并能同时以无线方式将心电信号传输给远程的医院监护中心或家庭医生，从而得到进一步的确诊和专业指导。这样或许就能避免很多悲剧的发生。系统的硬件架构采用c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机作为嵌入式微处理器，包括心电采集模块、数据管理与存储模块、液晶显示模块及无线通讯模块。心电采集模块对心电信号进行放大、滤波、a d 变换；液晶显示模块显示心电波形；无线通讯模块将心电信号实时传输给远程的医院监护中心以获得进一步的诊断和专业指导。鉴于互联网在中国的迅速普及，我们选择i n t e m e t 作为心电信号的传输通道：为保证数据传输的速度，选择g p r s模块实现无线上网。当病人需要传输信号时，通过g p r s 无线传输模块，把病人的心电信号传输给监护中心进行详细的诊断，然后由监护中心直接与病人通话以告知诊断结果及应当采取的医疗措施。这套系统便于携带，操作方便，可以将病人的心电信号随时随地的通过无线通讯方式准确、快速地传送到远程医院的心电服务中心或家庭护理专家处，获得医生的专业指导。它既可用于远程急救，也可用于家庭远程监护，具有重要的社会价值和经济价值。关键词心电信号：远程监护；g p r s ；单片机；液晶显示堕! ! 堡矍二垒兰：兰竺! ：茎堡丝兰r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fs y s t e mo fw i r e l e s s r e l e m o n i t o ra b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，h e a l t h yc o n c e p t ，h e a l t h yf a s h i o na n da p p r o a c ho fp e o p l ea r ed e e p l yc h a n g i n g h e a aa n dc e r e b r o v a s c u l a rd i s e a s e sh a v eb e e nb e c o m i n gas e r i o u sm e n a c et oh u m a nl i f eb e c a u s eo fl i v i n gc o n d i t i o n si m p r o v e m e n t h e a r td i s e a s eh a sb e c o m eo n eo ft h eh i g h e s tm o r t a l i t yd i s e a s e si nt h ew o r l d i ft h e r ei sad e v i c ew h i c hc a nt e s tp a t i e n t sb i o s i g n a l sc o n v e n i e n t l y ，a n dq u i c k l yt r a n s m i tt h es i g n a l sd a t et oar e m o t eh o s p i t a lm o n i t o rc e n t e ro raf a m i l yd o c t o rt h r o u g hw i r e l e s sm e a n si nt i m e ，p a t i e n t sl i f em a yb es a v e da n dt r a g e d ya l s om a yb ea v o i d e d t h ed e v i c ea d o p t sc 8 0 51f 0 0 5a se m b e d d e dm i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，i n c l u d e sb i o s i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t am a n a g e m e n ta n ds t o r a g em o d u l e ，d i s p l a yc o n t r o lm o d u l ea n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e b i o s i g n a l sd a t e ，t h r o u g ha m p l i f i c a t i o n ，f i l t e r i n ga n da dc o n v e r s i o n ，a r es t o r e di nt h ef l a s h p a t i e n tc a nu s ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l et ot r a n s f e rb i o s i g n a l st oar e m o t eh o s p i t a lm o n i t o rc e n t e ra n dg e tf u r t h e rd i a g n o s i sa n dp r o f e s s i o n a li n s t r u c t i o nf r o mt h e r e w ec h o o s ei n t e r n e ta st h et r a n s m i s s i o nc h a n n e lo fb i o s i g n a l sd a t e a n dc h o o s eg p r sm o d ea so u rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d e w h e nt h ep a t i e n t sw a n tt ot r a n s f e rh i sb i o - s i g n a l st ot h eh o s p i t a lo rt h ed o c t o r ,t u r n i n go nt h eg p r sm o d u l e ，t h e nt h eb i o s i g n a l sd a t aa r et r a n s f e r r e dt ot h eh o s p i t a lf o rd e t a i l e dd i a g n o s i s a n dp a t i e n t sc a na c h i e v ep r o f e s s i o n a li n s t r u c t i o no nt i m e i tc a nn o to n l yb eu s e di nt e l e m e d i c i n eb u ta l s oi nt e l e m o n i t o r , h a v i n ga ni m p o r t a n tv a l u eo fs o c i e t ya n de c o n o m y k e y w o r d se c o ；t e l e m o n i t o r ；g p r s ；m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ；l i q u i dc r y s t a lm o d u l e哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文无线远程监护系统的研究与应用，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：j 奎相日期：婶年3 月f 7 日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书无线远程监护系统的研究与应用系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密口，在年解密后适用授权书。不保密同。( 请在以上相应方框内打)作者签名：孑舍移导师签名：象乞氟日期：砷年- ；月，夕日日期：印年多月夕日哈尔滨理t 大学t 学硕- | 学位论文1 1 引言第1 章绪论生活水平的提高，人们对自身健康的重视程度在日益增加。为了满足人们的需求，各种新的医疗手段不断出现。近年来随着科技发展和医疗技术的进步，远程医疗正在迅速发展，并己成为一个研究热点。远程医疗( t e l e m e d i c i n e ) 是计算机技术，通信技术与医学检测技术相结合的产物【l l 【2 】。现代科技特别是通讯、计算机等高新技术的迅速发展，为远程医疗技术的发展提供了先进的技术支持，使人们能享受到更好，更方便的医疗服务。随着社会的信息化，人们的生活方式正在产生巨大的变革，医疗保健的观念和方式也随之发生了很大的变化，远程医疗也越来越受到人们重视，目前在国际上得到重视和广泛的关注。远程监护( t e l e m o n i t o o 是一种通过对人体生理参数进行远程监测来研究远端监护对象健康状况的方法。一般包括三个部分：监护中心、远端监护设备和联系两者的通信网络 4 1 。它是实现远程医疗的基础，近年来远程监护技术在世界范围内己成为一个非常重要的研究领域。1 2 课题的来源及研究的目的和意义在当今社会，人们的生活生活水平普遍提高，工作人群的工作强度也越来越大。营养的过剩和运动量的减少，导致心脑血管疾病的发病率是越来越高。随着社会老龄化趋势的加剧，解决长期慢性病的监护特别是心脑血管疾病的监护已经是重要的社会问题。另外，一些特殊的心脏病患者，在正常工作生活时发病，而到医院检查时症状消失，导致在医院无法检测到异常心电图，无法对病情做出诊断，耽误了治疗的最佳时机，所以心电监护是有重要意义的。同时，我国还是一个人口大国，国力有限，医院和交通一直处于拥挤状况，如何保障人们得到一个更好的医疗保健，同时又减少病人家属及社会的负担，是摆在工程研究人员及医生面前的课题。利用现有的技术，结合我国国情，开发基于公用通讯网络的疾病监护、检测系统，使病人在家庭、社区随时可以享受医疗服务的设备是本研究的重点。哈尔演理t 大学t 学硕十学位论文这样，不仅可以加强对危重病人和心血管等突发性疾病的预防监护和实施急救，还可以实现医院资源共享，提高医疗服务水平，减小病人的负担，提高人民的生活质量和健康水平。无线通讯在我国发展非常迅速，目前在大城市的无线通讯已经成为日常的消费，且成本和使用费用正在逐步降低，使这一难题得到了很好的解决。远程监护系统的建立，可使疾病的诊断的触角延伸到家庭。在一定意义可以说，在家里得到了与医院一样的诊断。“网络”的运行，可加速慢性病防治的信息化监测、管理；可有效地实施慢性病( 心脑血管病、高血压等) 的家庭医疗监护、防治指导及其急性发病( 急性心肌梗塞、脑中风等) 的预测，发现和施救；促进意在提高基层医疗水平的会诊、教学和电子病历系统的形成；系统的使用，将更利于长期在家的人，如老人、孕妇、儿童的疾病监护。本文正是基于以上原因开发了适用于家庭使用的价格低廉的便携式无线远程心电监护系统。它很好的解决了数据存储与传输的问题，架起了专家与患者之间的桥梁。它的开发预期目标是对心电信号进行采集存储，经g p r s 模块，将采集的心电数据通过g p r s 传输模块传送到医院工作站，由医院工作站的专家对心电信号进行分析和处理、分析病情，及时提醒患者服药或者入院检查，最大限度地提高突发心脏病救治成功率，从而实现无线远程监护的功能。1 3 远程监护的发展现状远程监护是近几年来远程医疗领域的一个研究热点【5 l ，它提供了一种通过对原地移动对象生理参数的连续检测来研究其生理功能的方法。心电监护是远程监护的一个重要的分支，是世界各国目前研究的一个重要的方向。心电监护己引起国内外很多研究单位和公司的重视，并己研制出了很多种心电监护设备。如心电h o l i e r 、心电b p 机和心电实时监护系统等。1 心电h o i f o rh o l t e r 系统即磁带记录式心电监测系统，是美国人h o l t e r于1 9 6 1 年发明的。h o l t e r 系统由两部分组成：心电磁带记录器和心电磁带回放仪。h o l t e r 系统利用磁带记录器将一t l , 电数据记录在磁带上，病人把磁带记录器带在身上后，可以回家正常地生活工作，期间可记录下2 4 小时的心电图，然后再送回医院，由专用计算机控制的回放仪进行回放分析和诊断1 6 1 。h o l t e r 型监护设备具有连续记录、记录时间长的优点。心电h o l t e r 只能记录心电信号，没有任何分析功能更不具备远程传输能力，使用者在使用后，必须每天回到医院，由专用设备读取和分析。哈尔滨理t 大学t 学硕i 学位论文2 心电b p 机系统b p 机系统1 7 】的远程终端一般包括一个类似b p 机大小的心电图监护记录单元和通信单元。监护记录单元的功能是对佩带者的心电图进行监护。当发现心电异常或佩带者感到不适时按下按钮可记录一定时间长度的心电图，然后使用者可以将此心电上传给p c 机，由p c 机上网传送到医院。也可以将监护记录单元放在通信单元上，将记录的心电图通过接口转换经电话线送往医院的监护中心。随着f l a s h 存储器容量的增大，价格的下降，存储时间己经可以达到2 4 小时。这种方式的缺点是显而易见的，实时性太差，信息量有限。3 心电实时监护系统它又分为电话心电遥测系统和无线心电遥测系统。电话心电遥测是通过声耦合把心电信号传输送到医院，它较心脏b p 系统在实时性上有所改进，但仍然会限制病人的活动，且难以做到长时期的监护。无线心电遥测系统的用户终端单元由一个便携式心电检测仪和一台智能心电实时监护仪器构成。无线心电遥测可以让病人在一定范围内自由活动，其心电信号能实时地反映在遥测分析系统中。检测仪以无线电方式发送的心电图由智能心电监护仪接收并对接收的心电图进行实时处理。当异常心电图超过报警值时自动拨号将当时的心电图通过调制解调器实时送往医院。心电实时监护系统较好地解决了心电信号的实时监测问题，但它通常不具备移动性，其应用范围和推广都受到很大限制【8 1 。移动通信技术从第一代的模拟移动通信发展到第二代的数字移动通信g s m ，到目前比较流行的2 5 g 的g p r s ，正在向第三代移动通信发展。移动通信在覆盖范围、传输速度以及通信质量等方面都有了日新月异的进展。现在的移动通信技术能为用户提供更大的活动范围、更为灵活的通讯方式。这些技术特点使得移动通信技术逐渐成为远程心电监护中最主要的通信载体之一唧。基于移动通信技术的远程心电监护越来越受到人们的重视，目前己成为当今远程心电监护系统的研究热点。1 4 课题的主要研究内容本文提出了一种基于g p r s 无线通信、成本低廉的便携式远程心电监护系统实现方案。该监护系统能实现随时随地地监护心电信号，并通过无线网络传输给远程的监护中心，监护中心的医生将为心脏病患者提供及时的救助。本文主要研究监护系统的用户终端。本文主要设计了用户终端m c u 系统和g p r s 无线传输系统。本论文主要做了以下几个方面的研究：哈尔演理t 大学丁学硕十：学位论文1 研究e c g 信号的基本知识和方法：2 了解介绍g p r s 网络及其通用无线分组业务；3 设计心电采集系统、大容量存储系统的软硬件；4 液晶屏显示的软硬件设计；5 心电数据的采集和滤波的软件设计；6 对系统进行调试：哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文2 1 心电基本原理第2 章系统整体设计心电信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，是一种复杂的人体信号，所以对心电系统的设计有其特殊性，不同与一般工程中的情况。对心电信号的了解有助于系统整体方案的设计。2 1 1 心电图的产生及特征正常人体内，每一个心动周期中，起自窦房结的自动节律性兴奋，经传导组织引起全部心房和心室肌的相继除极和复极。心脏各部分兴奋过程中出现的电位变化的方向、途径、次序和时间都有一定规律。心电图是心脏收缩时所产生的电流活动记录，即在体表记录心脏周期活动的电位变化。记录的心脏电位变化曲线即临床常规心电图( e l e c t r o c a r d i o g r a m , e c g ) 。心电图o l - - 般包括p波、q r s 复合波和t 波，有时可看到后继的u 波。连接两个波群之间的是心电图的基线，即等电位线，反映此时各部分心肌的电位相等，体表电极上无电位差。它是医生对患者的生理状态进行判断的主要参考数据之一。正常的心电波形如下图所示：图2 1 心电波形图f i g 2 1t h eo s c i l l o g r a mo f c a r d i o e l e c t r i c1 p 波反映心房除极的综合向量。其形状是一个圆滑的小波，无双峰、切迹和顿挫现象。高度不超过o 2 5 m v ，宽度0 0 6 s 0 1 l s 。超过上述范围为p波过高或过宽，属于异常现象。一般而言，p 波过小没有重要临床意义。2 p - r 间期自p 波开始至q 波开始的问距。代表自心房开始除极到心室开始除极的时间。p r 间期的正常值随年龄和心率而有所差别，心率慢者，p r 间期较长。正常成人一般在0 1 2 s 0 2 0 s 之间；而经常进行体育锻炼的人，如职业运动员，其时间可能超过o 2 0 秒。3 o r s 复合波q r s 波群代表左、右两心室去极化过程的电位变化。历时0 0 6 o 1 0 s 。典型的q r s 波群包含三个紧密相连的波，第一个向下的波为q波，其后向上的高而尖的为r 波，继r 波之后的一个向下的为s 波。但是在不同导联记录的心电图上这三个波不一定都出现，其波形和幅度变化也较大。4 s - t 段由s 波结束到t 波起点之间的线段。反映左、右心室全部除极完毕到复极开始以前的一段时间。5 t 波反映心室复极的综合向量。波形圆钝，占时较长( o 0 5 o 2 5 s ) 。6 o _ t 间期从q 波开始到t 波结束。反映了心室开始除极到全部复极完毕的一段时间。7 u 波t 波之后有时可能看到的一个很小的正向波。可能表示心肌激动后的电位变化，人们对它的认识仍在探讨中。2 1 2 心电信号的特征心电信号是反映人体心脏情况的小信号，它的特点是：1 信号微弱心电信号是一种微弱信号，通常它的幅度在0 0 5 5 m v 之间。要检测心电信号，就必须设计出合适的心电检测放大电路。2 低频特性心电信号频率比较低，频谱范围为0 0 5 1 0 0 h z ，能量主要集中在o 5 2 0 h z 。3 信号的多变性人体在内、外环境下面适应过程中，为保持动态平衡，造成生物信息多变。主要包括时间多变、空间多变。此外，不同的种族、不同性别、不同年龄，乃至不同个体都会存在一定的差异。4 干扰大心电信号的干扰包括人体内的噪声和外界干扰。生物体是一个复杂的系统，在生命活动中的各种信息都是同时存在并彼此相关的，我们要测量的心电信号时刻受着其它生理信号的干扰，不可能在心电信号测量中为排除测量之外的无关信息而令某些生理活动停止。如果把被测量系统内无关的信号视为噪声，则人体的无关信号就是人体噪声。人体噪声及其复杂程度是生物医学测量中所特有的i l l 】。啥尔滨理t 大学t 学硕仁学位论文2 1 3 常用心电图导联心电激动通过容积导电传至身体各个部位，并产生电位差，将两电极置于人的的任何两点与心电图机相连，就可以描绘处心电图，这种放置电极并且与心电图机连接的线路，称为心电图导联【”1 1 ”删【1 5 】。1 标准肢体导联在心动周期里最主要的心电综合向量通常指向左前下方，因而通常反映在左下肢的电位最高，而右上肢电位最低，左上肢的电位居中。习惯上采用的三个标准导联就是将正常情况下电位较低的一个肢端连接心电图机的负极，较高的一端连正极，以便在多数导联上得到以正波为主要的心电图波形。2 加压单极肢体导联如以标准导联中的一个肢体记录电极连接心电图机的正极为探查电极，而另一记录电极连接于身体的零电位点作为“无干电极”，这样记录所得可以说就是心电综合向量反映于该端的“绝对”变化。这种连接方式称为单极肢体导联。以后又发现只需以探查电极为一极，连接除该极以外的另两肢为另一极，即可得到和原单极肢体基本一致的图形，但幅度增大半倍，更便于观察。这就是目前常规应用的加压单极肢体导联。记录电极连接右上肢的导联叫a v r 导联，连接左上肢的叫a v l 导联，连接左下肢的叫a v f 导联。3 胸导联胸导联也是一种单极导联。胸导联中将探查电极置于胸前不同位置，连接心电图机的正极，并以中心电端作为无干电极接心电图机的负极进行记录。由于胸导联的探查电极距心室较近，可更好地反映附近心肌的局部电位变化，因而在冠心病及其他心肌疾患的诊断上有更大的价值1 。本监护仪采集心电数据使用的导联方法：正极置于胸骨右缘第四肋处，负极放在左锁骨中线下方，参考电极通常放在右锁骨中线第5 肋骨上方。2 1 4 心电信号的噪声干扰影响心电信号的噪声种类很多，主要包括以下几种旧：1 电极接触噪声电极接触噪声是一种由于电极和皮肤之间接触不良或电极脱落所带来的一种不稳定的干扰。通常通过对皮肤的预处理以及适当固定电极和导联来消除这一类型的干扰。2 肌肉收缩产生的噪声人体表皮层内、外存在典型值为3 0 m v 的皮肤电势，当皮肤伸张时，皮肤电势降到大约2 5 m v 。这5 m v 的皮肤电势变化反映到e c g 中，即为人们所观察到的由于肌肉收缩舒张所产生的噪声1 1 9 1 。对于这种干哈尔泞理1 = 大学t 学硕十学位论文扰，一方面可以通过对皮肤进行预处理使得效果得到改善，另一方面可以通过电极准确定位进行消除。3 5 0 h z 工频及其各次谐波的干扰从人体表面采集的e c g 信号常常受到多种干扰，其中人体分布电容所引起的工频干扰是其中最主要的一种。对于一个给定的测试环境而言，我们可以将这种干扰区分为频率和幅值两部分：其频率成分包含有5 0 h z 的基波及其各次谐波；其幅值成分在e c g 峰一峰幅值的0 5 0 范围内变化。4 电子装置产生的噪声在设备中运行中，电磁干扰也是产生干扰的一个方面。2 2 系统设计原则心电监护系统作为医用辅助诊疗设备，它的最终目的是面向市场和面向用户。因此在系统设计、研发的各个阶段必须要考虑兼顾各方面的特点和技术要求，在系统设计的整个过程中始终要遵循以下几条原则【2 0 】 2 1 1 ：1 准确性原则人体的生物信号都是极其微弱的信号，非常容易受到人体静电和环境感应电的干扰，因此在设计、制作中要采取一切手段保证信号的不失真。2 可靠性原则必须保证能够长时间稳定的工作，性能可靠而不出故障。3 通用性和可移植性原则要求通用性尽可能好，能灵活的进行功能扩充。尽可能采用通用的系统总线结构，以便在需要时进行扩充。4 简易性原则由于产品面向家庭用户，所以方便快捷的使用也非常重要。2 3 系统整体结构远程心电监护系统由远程监护终端和医院的监护中心组成。本监护系统的总体结构框图如图2 2 所示。心电监护终端是一种便携式心电监护设备，它可以随时监测人体的心电信号变化情况。在监护终端处，心电信号采集模块把采集到的心电信号传给信号处理模块，信号处理模块负责对心电信号的分析处理。信号处理模块把处理过的心电数据经过g p r s 传输模块通过g s m 无线网络送到远处的医院监护中心的服务器上，由医护人员处理。监护终端除了以上介绍的功能外，还具有液晶显示功能，可以使患者很容哈尔演理t 大学t 学硕十学位论文易的看到自己的心电图。心电监护系统主要包括：模拟电路、单片机系统、f l a s h 存储电路和g p r s 传输模块等。在设计上，模拟电路的主要功能是对电极采集的心电信号进行放大和简单的滤波；s d 卡用于存储采集的数据；单片机系统负责a d 转换、信号处理以及对系统各部分的控制：g p r s 传输模块用于将心电数据传送到监护中心的服务器上。叵固正三 恒圈缈图2 - 2 系统总体框图f i g 2 - 2b 1 0 c kd i a g r a mo f s y s t e m2 4 本章小结本章主要介绍了心电的基本原理，系统设计原则以及系统整体结构。对于系统的设计思想方法及实现方案做出了概括性的介绍，并根掘整体设计方案进行下一阶段的硬件和软件设计。哈尔演理t 大学t 学硕 学位论文第3 章系统的硬件设计与实现心电信号是低信噪比的周期性微弱信号，在e c g 信号采集过程中，易受到仪器、人体等方面的影响，并混有很强的工频干扰，因此e c g 特征参数提取关键技术包括消除干扰、稳定基线等，即放大后的信号还要经过滤波处理以保证通带为0 0 5 1 0 0 h z ，并抑制5 0 h z 工频干扰。我们设计的心电信号采集电路原理框图如图3 1 所示。从电极提取的心电信号经导联传送到前置放大器，进行前置放大、高通滤波滤除直流信号及低频基线干扰后，由后级放大器放大，再经滤波器进一步滤除5 0 h z 工频干扰和低通滤波器后得到0 0 5 1 0 0 h z 的有用心电信号，最后送至单片机进行处理。图3 - 1 采集电路原理框图f i g 3 - 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f c o l l e c t i o nc i r c u i t3 1 模拟部分3 1 1 放大器的设计人体的心电信号有微弱、低频、易受干扰、不稳定、随机等诸多特点，因此对心电放大器的设计有很苛刻的要求。需考虑的因素有以下几点 2 2 1 ：1 高共模抑制比电极与皮肤接触引起的极化电动势可作直流共模干扰输入到心电放大器，其值可能达到数百毫伏的程度，远比心电信号大得多。而且心电信号的探测要受到现场很多电气设备的干扰，尤其是市电的共模干扰，还有其他共模干扰常把微弱的电信号淹没。共模抑制比( c m m r ) 是衡量心电放大器对共模干扰抑制能力的一个重要指标，也是克服温度漂移的重要因素。为了防止心电信号的输出淹没在5 0 h z 工频、电极极化电压或其他共模干扰电压哈尔演理t 大学t 学硕l ：学位论文之下一般要求c m m r 应达到8 0 d b 以上。2 频率响应由于人体心电信号的频谱范围为0 0 5 h _ z 1 0 0 h z ，所以要求心电放大器在此频率范围内必须不失真地放大所检测的各种心电信号，为了减少不需要的带外噪声，心电信号采用带通滤波器，同时设计抗5 0 h z 工频干扰的方法，这样处理后的心电信号才具有可靠的诊断价值。3 高输入阻抗心电放大器输入阻抗的设计取决于人体的阻抗特性、所使用的电极类型以及与人体的接触界面。心电放大器通过电极连接到人体上，由放大器的输入端向人体方向看去，从电极、导电膏、皮肤( 角质层、粒层、汗腺) 、组织液到心脏外壁形成了信号源阻抗，这个源阻抗可看作由一组串并联的电阻及电容组成。在低频情况下，这个源阻抗为纯电阻。组织液离子浓度的变化，皮肤与电极的松紧程度，皮肤的干湿、清洁情况都会影响电阻值 2 3 1 。信号源阻抗具有高阻抗的特性，而心电信号又是微弱的，若心电放大器的输入阻抗不高，那么经过分压后，心电放大器输入端的信号就非常微弱，所以要求前置放大器具有较高的输入阻抗。4 增益由于心电信号非常微弱，只有0 0 5 m v o5 m v ，考虑到c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机输入电压为3 3 v 等因素心电放大器设定放大6 6 0 倍( 具体见滤波放大电路) 。而对于放大器来说，增益越高，其共模抑制比( c m r r )也越高。但是由于两个电极的极化电压总是不平衡的，两极化电压之差作为差模信号加到放大器输入端，若放大器的增益过高，则会使之饱和而失去放大能力。所以设计前置放大器放大倍数为l o 倍左右，后级放大剩余倍数。此外，考虑到系统的便携特性，所以在选择放大器时，同时要考虑到其功耗及体积的特性，以便更好地降低整机的功耗和体积。3 1 2 放大器输入缓冲电路输入缓冲电路的结构为电压跟随器，其作用是使人体与电阻网络隔离以及可以缓冲两个输入端输入电阻的不平衡( 如图3 - 2 ) 。在图3 - 2 中运算放大器采用t l c 2 2 5 2 ，t l c 2 2 5 2 是t i 公司的双路运算放大器，其单道供电电流的消耗仅为3 5 u a ，此外还具有较高的输入阻抗和非常低的噪声，非常适用于便携式产品。d i 、d 2 组成双向限幅电路，对来自人体的高压干扰实施限幅，防止因过度激励而使运放失效。哈尔滨理t 大学t 学硕1 ：学位论文品0 1 忡忙3 1 3 前置放大电路图3 - 2 输入缓冲电路图f i g 3 - 2c i r c u i td i a g r a mo f m p u tc u s h i o n要在心电信号频率范围内不失真的放大所采集的微弱心电信号，就要求所采用的放大器必须具有低噪声、低漂移、低失调参数、高共模抑制比、高输入阻抗、非线性度小等特点，且其增益可设计比较小。心电信号的频率在0 0 5 1 0 0 h z 之间，对放大器的频带要求并不严格，而对前置放大器的输入阻抗、输入噪声、输入失调电压等要求比较高。综合以上因素考虑，我们采用美国a n a l o gd e v i c e s 公司的低功耗的仪用放大器a d 6 2 0 。a d 6 2 0 是一种低价格、高准确度的仪用放大器，只需通过一个外接电阻就可以设置从1 到1 0 0 0 的增益。a d 6 2 0 的主要性能指标：最大输入失调电压5 0u v ，最大失调漂移0 6 u v c ，最大偏置电流l n a ，最小共模抑制比1 0 0 d bf g = 1 0 ) 。它是根据典型的三运放改进而成的一种单片仪表放大器，内部电路图如下图3 3 所示，为了使片内元件相匹配，采用了激光微调技术，使该器件有很高的性能，完全能够满足系统设计的要求。a d 6 2 0 的增益通过1 脚和8 脚之间的电阻r 设置完成，公式为：尺= 等筝( 3 1 )其中g 为放大倍数。这里为了使r 为整数，取g = 1 0 8 8 ，则r 4 = 5 k 。为防止后级放大器工作点漂移，可以采用漏电很小的金属膜电阻。哈尔滨理t 夫学t 学硕士学位论文图3 - 3 a d 6 2 0 原理框图f i g 3 3t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f a d 6 2 03 1 4 右腿驱动电路设计o u t p l r rr e f人体可以看作一个导体，人体与电源线之间，人体与大地之间存在分布电容u ，和以，使工频干扰耦合到人体中。设电源线电压u = 2 2 0 v ，则干扰电压：r ，= u + 西轰( 3 - 2 )。( ，+ u ，7非常容易超出放大器的共模输入动态范围。为了有效的抑制u c ，图3 4 设计了右腿驱动电路( 在便携应用时一般接在右腹皮肤上) ，使右腿不接地，而通过电阻接到反馈放大器t l c 2 2 5 4 的输出端。当右腿接地时，设空间交变电磁场在人体上的干扰电压为u c = x ，当接入右腿驱动电路时，系统接入负反馈，此时人体上的干扰电压为u c = y 。h 为反向运算放大器放大倍数，输出电压为y ，所以有州”力= y ，即：y = ( 3 3 )i 十n可见空间电场在人体上的干扰下降了1 切倍。在理想状态下，负反馈越深，干哈尔滨理1 = 大学t 学硕1 ：学位论文扰抑制能力越强。但实际上，人体作为信号传输媒体，其传输特性不是纯阻性，导联引线也有分布电容，太强的反馈可能在某特定频率上满足自激条件，使电路不能正常工作，这里设为1 0 0 倍。3 1 5 滤波放大电路由于心电信号只有0 0 5 m v 5 m v ，一般不超过2 5 m v ，综合c 8 0 5 i f 0 0 5的a d 电压取值范围o 3 3 v 等因素，所以整个系统电压放大6 6 0 倍。前置级放大了l o 8 8 倍，因此本级放大6 0 6 6 倍。此外，由r 8 、r 1 0 、r 1 4 、c 1 0 和c 1 1 组成带通滤波器，频率范围o 4 8 h z 1 5 9 h z 。当希望调整放大倍数时，可对电位器进行操作，得到新的放大倍数。这里只采用简单的滤波方法，进一步的滤波方法将在数字滤波中详细介绍。图3 - 4 为前置放大电路和滤波放大电路。l a秘岛前_ 1 = = 上图3 4 前置放大电路、滤波放大电路f i g 3 - 4a m p l i f i e dc i r c u i to f p r e f i xa n df i l t e r3 1 65 0 h z 陷波器的设计带阻滤波器式用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段外的所有有用信号通过。在生物电信号提取的过程中，为了去除人体或者测试系统中产生的5 0 h z 干扰，常用带阻滤波器予以抑制。带阻滤波器又称陷波器，当5 0 h z 干扰严重而无法工作时，用5 0 h z 为中心频率的陷波器把5 0 h z 干扰成分去除，并保证下一级放大器工作在线性区。利用双t 网络和运算放大器构成的有源双t 带阻滤波电路，是作为抑制生哈尔演理t 大学t 学硕 ：学位论文物信号测量中的工频5 0 h z 干扰而经常采用的陷波电路结构。首先，我们看一下双t 网络的频率响应。为了讨论方便我们设信号源内阻近似为零，负载电阻为无限大，则双t 网络可画成如图3 5 所示。图3 - 5 双t 选频网络电路f i g 3 - 5t h ec i r c u i to f d o u b l e - t6 明m c ys e l e c t i v en e t w o r k荆等苏i+(src)22 。, s c ) i2 k叫，酬= 而鬲1 - ( w 丽r c ) 2i t - b | w 泞hj 4 w | w ，i ，=哈尔演理t 大学t 学硕十学位论文傍=劬=一黄牛仔刁一嘴# 啪。根据式( 3 6 ) 、( 3 7 ) 可以画出双t 网络的频率响应，如下图所示。i f ( j w ) l一厂口j9 0 0lo 口、1w 哪一9 俨a ) 幅频特性b ) 相频特性图3 6 双t 网络频率响应特性曲线f i g 3 - 6t h ef r e q u e n c yr e s p o n s ep e r f o r m a n c ec u i v eo f d o u b l e - tn e t w o r k由图3 - 6 可知，当c a c a 。= l 时，频幅响应的值等于零。这点也可以从物理概念上可以得到解释。联系图3 - 6a ) 可以看出，在低频段，由于2 c 的容抗非常大，所以输入信号经过两个电阻r 直接传到输出端，有l 吁l a i k i 或( 例：i ) ；而在高频段，由于c 的容抗非常小，信号通过两个串连的电容c 传输，同样有l 旷r l z 吲或( h = 1 ) ，只有当频率信号c o 等于它的特征角频率c o o ：i r c 时，阻抗变得很大，才能使电压传输系数例几乎为零，且相频特性呈现9 0 0 突变形式。双t 网络具有选频作用，原则上可以作为某已固定频率的陷波电路，但是其陷波特性很差。首先抗幅度衰减1 2 时的阻带宽，根据式( 3 - 5 ) 、( 3 - 6 ) 可知，对c 0 0 = 5 0 h z 的陷波。其阻带宽度达1 1 5 h z ( 从1 8 7 5 h z 到1 3 4 h z ) 。此外，双t 网络还没有带负载的能力。所以为了实现一定的陷波特性，在双t 网络的后哈尔i 寅理t 大学t 学硕 等 位论文面，我们加上运算放大器，构成有源双t 带阻滤波电路，如图3 7 所示。圈3 - 7 双t 币阻掂渡电路f i g 3 7t h ec i r c u i to f d o u b l e - tb a n d b l o c kf i l t e r我们可以得到双t 有源带阻滤波器的传递函数f ( _ ，) 为酬= 而al m w 0 ) 2( 3 8 )= = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一l o w 0 ) 2 + ，却一t m w o与双t 网络的传递函数相比，分母中的第二项只差一个因子( 1 一i ) ，当k f f i 0 时，锐化为彳。此时带阻滤波器的幅频特性为p =一2( 3 - 9 )双t 有源带阻滤波器的特性主要取决于两个方面。在双t 网络中，两支路的r 、c 的对称程度决定陷波器的衰减能打道的最低限度。只有保持r ，r 和刚2 之间以及c ，c 和2 c 之间的严格的对称关系，才能使对应于厂n 的频率的信号相互抵消，衰减到零，其中厂n 为双t 网络的谐振频率。陷波点的衰减程度将影响到信号的质量，衰减不够将降低信噪比。可以根据滤波器在测量系统的位置可以提出具体陷波要求，阻带宽度由女决定，陷波器的特性参数为：哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文d ：l，4 ( 1 一七)i( 3 1 0 )w 02 面q 表示品质因数，用来表征频率一直或选频特性。k 值越大，q 越高，频率的选择性越好。但是q 值太高滤波器的性能不稳定，通常取k = 0 8 左右。有源双t 陷波电路设计主要是对双t 网络r 、c 参数的配置。由运算放大器输入阻抗的限制提出要求。首先我们根据实际需要确定电容c 为o 0 3 3 u f ，则电阻r = 1 0 0 k ，q = - 2 5 ，则k = o 9 。运算放大器d 2 的作用是用来进行隔离，使其陷波器能得到明显改善。适当增加q 值，不会影响陷波的稳定性，从而改善频率的选择性，能把5 0 h z 的工频干扰抑制。3 2 数字电路数字电路主要包括单片机系统、液晶显示电路和存储电路。3 2 1 单片机系统个人微型心电监护仪要求低功耗、智能型，其要实现的功能对控制器提出很大的要求。1 低功耗监护仪要便于携带，要求其体积要小，重量要轻：又由于该监护仪要求能够长时间连续工作，不允许中断更换电池。这些情况都决定了所选单片机必须是低功耗的。2 速度要快由于心电信号的频率落在0 0 5 1 0 0 h z 的范围内，根据抽样准则【2 4 1 1 2 5 l ，一个频谱受限的信号，若采样频率为信号最高频率的2 倍以上，则原信号可以用等间隔的采样值来唯一地表示。我们将心电监护仪的频率定为2 0 0 i - i z ，即每5 m s 采样一次。在此次采样与下次采样间隔的时间内，单片机要进行大量的工作，如：采样数据的预处理，各种中断的响应处理等。要在5 m s如此短的时间内完成如此大量的工作，且要让单片机有相当多的时间进入低功耗状态，所以对单片机的速度要求就比较高。3 程序存储器由于心电监护仪有大量的监护程序、数据显示程序等，需要大量的程序存储空间。为实现智能化，本监护仪所有监控的执行，均通过按键或报警以中断方式实现。所采用的数掘压缩方法简单有效，运算量小，能实时实现，非常适合以单片机体主机芯片的系统。单片机所带的程序存储空间需喻尔演理t 大学t 学硕 | 学位论文在2 0 k 左右。4 数据存储器心电监护仪要进行心电数据的实时预处理，单片机要有较强的指令功能和数据处理能力。庞大的心电数据需要大容量的数据存储器，所以要求待选单片机的数据区要大，还需有2 个以上的定时计数器。根据以上各种指标要求，我们采用的单片机是c y g n a l 公司的告诉s o c 系列单片机中的c 8 0 5 1 f 0 0 5 。此单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8 0 5 1 兼容的微控制器内核，与m c s - - 5 1 指令完全兼容。主要有以下一些特征1 2 6 1 ：1 高速流水线结构的8 0 5 1 兼容的c p 一5 1 内核可达2 5 m i p s 。2 真正1 2 位1 0 0 k b p s 的8 通道a d c 带p g a 和模拟多路开关。3 3 2 k 字节可在系统编程的f l a s h 存储器4 2 3 0 4 ( 2 0 4 8 + 2 5 6 ) 字节的片内r a m 。5 可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口。6 硬件实现的s p i 、s m b u s 、i z c 和两个u a t r 串行接口。7 具有5 个捕捉，比较模块的可编程计数器，定时器阵列。8 单片机内部自带a d c ，转换数据为1 2 位，最高转换速率1 0 0 k b p s 。在单片机内部进行相应的设置，编写简单的程序即可进行方便模数转换。3 2 2 心电信号a d 转换通过前置放大电路以后，心电信号已经从毫伏级的微弱信号转换为可为c 8 0 5 1 f 0 0 5 的a d c 利用的信号。以下简要介绍一下f 0 0 5 自带的a d 转换器。1 a d c 的精度与通道c 8 0 5 1 f 0 0 5 采用t q f p 6 4 封装，芯片引脚有8 个专用于模拟输入，是8 路1 2 位a d c 的输入端。每路1 2 位的转换精度都是其自身的1 l s b ( 最低位) 。实际上，对应1 2 位逐次逼近寄存器型( s a r ) a d c 只有1 个，在它与各输入端之间有1 个具有9 通道输入的多路选择开关( 可配置模拟多路开关a m u x ) 。a m u x 的第9 通道连接温度传感器。a d c 0 端口的每一对均可用编程设置成分别地单端输入或差分输入。差分输入时的端口配对为0 一l ，2 3 ，4 5 ，6 7 ，此设置由通道选择寄存器a m u x o s l 的低4 位和通道配置寄存器a m u x o c f 的低4 位确定。在a m x o c f 中，位3 o 各对应2 个引脚通道。位值= o ，表示是独立的单端输入( 复位值均为单端输入) ：位值= 1 ，表示是差分输入对。对应a m x o c f 选差分输入时，a m u x o s l 中只有在选双数( 含0 ) 通道时才有效( 注：a m u x o s l 低哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文4 位为l x x x 时，不论a m x o c f 低4