（生物医学工程专业论文）基于dsp的实时holter系统.pdf

塑鎏盔堂堡主曼塞生兰些笙苎! ! 螋! ! a b s t r a c t e x i s t i n gh o l t e rd e v i c e sm o s t l yr e c o r d t w e n t y f o u r h o u re c g ( h e a r t e l e c m c a l a c t i v i t y ) a n d t h e np e r f o r mo f f - l i n er e c o r da n a l y s i sw e p r e s e n tr e a l i z a t i o no f af l e x i b l e e n v i r o n m e n tb a s e do nd s ph o l t e rd e v i c ef o rr e a lt i m ee c g p r o c e s s i n g t h i sd e v i c e h a sat w o - c p u ( 1 6b i tm c u + d s p ) s t r u c t u r e h i g hs p e e dd s ph a n d l e ss i g n a l p r o c e s s i n gi nr e a lt i m ea n dm c u ( m s p 4 3 0 f 1 4 9 ) p r o c e s s e s a l lo t h e rg e n e r a lp u r p o s e s u c ha sa c q u i s i t i o n ，s t o r a g e ，d i s p l a yo fe c g s i g n a la n dc o m m u n i c a t i o nw i t hp c i t c a l ls t o r e2 4 ht w oc h a n n e ls i g n a li na6 4 m b y t e sf l a s hm e m o r y , a n dd i s p l a yt h e r e a lt i m es i g n a lo rm e n uo nl c d w i t hh i g h p e r f o r m a n c eo f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g i tc a ni m p l e m e n t m o s t f u n c t i o n so f e x i t i n gd e v i c e s t h es i g n a lp r o c e s s i n gc o n t a i n sb a s e l i n ed r i f ts u p p r e s s i o n a n d5 0 h zi n t e r f e r e n c ee l i m i n a t i o nb yn r f i rf i l t e ra n de c gc h a r a c t e rp o i n td e t e c t i o n b yw a v e l e t a t t h es a l t l et i m e ，i ti saw a r n i n gd e v i c ef o rs o m es e v e r ec a r d i a ca r r h y t h m - i a s ，s u c ha st a c h y c a r d i a ，b r a d y c a r d i a w i t ht h ea d v a n t a g e so fs m a l lv o l u m e ，l o wh e i g h ta n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n s u i t a b l ef o rb a t t e r yo p e r a t i o n ，i ti se s p e c i a l l yf i tf o rt e l e m e d i c i n ea n dd a i l ym o n i t o r i n g a th o m ea sp o r t a b l ed e v i c e t h i sp a p e rc o n t a i n st h ek n o w l e d g ea b o u th i 曲s p e e dd i g i t a ld e s i g n ，w e a ks i g n a l a m p l i l y i n g a n dr e a lt i m es i g n a lp r o c e s s i n g k e yw o r d s ：d s p 、h o l t e r 、r e a lt i m es i g n a lp r o c e s s i n g 、e c g 一4 一( 5 9 ) 塑坚查鲎塑主里塞生望些丝塞! ! ! 坠! 第一章前言 心血管疾病一奁是藏胁入类生命的主要病症之一，许多患者心脏病病发后由于未能及丑寸 发现和抢救极易死亡。由于其发病具有很大的偶然性与突发性，一些异常的心电信息只有在 菜些特殊蛇馕嚣下方出现，强照寿必簧对e c g ( e l e 曲- o c a r d i o g r a p h ) 进行妖鞋阚记录与分耩。 自从1 9 5 7 年h o l t e r 博士发明了用便携式设备长期记录心电信号( a e c g ) 的方法以来， a e c g ( 动态心电) 的技术融经有了很大的进步。a e c g 主要涉及两大技术，一是心电的采 集窝存耱，二是心电翡匿藏鞠分辑。淹羞徽邀子菝术，运诋技术，欧及计算机技术豹飞速发 展，心电采集和存储技术得到了不断宪善，自幼智能分析技术的精度也在不断提商，虽然目 前一个准确的诊断还离不帮技术人员和毒经验医颊孵参与，健我们相信随羲技术上戆突飞猛 避，a e c g 系统会魏来越智能和自动纯。 a e c g 监护作为一种对心血管疾瘸进行动态监测与诊断的有效手段，在临床得到了“澎 蛉应用。隧羞p c 簌家囊静逸速普及，鞋及遥谶霹络静惫速发矮，a e c g 在家庭鞋黪蠢远程 笳护方面也终将得到广泛的应用。 第一节a e c g 槭述 a e c g 英文全称a m b u l a t o r ye l e c t r o c a r d i o g r a p h 。译文为动态心电图。a e c g 监测即在不影 响日常生灞的情况下长时间连续或间隙地记录心电图的方法。a e c g 系绕魏主要搦成：j 2 录 设备，西藏分析系绕。记录设备为一个小型，便携，电池驱动韵记录器，设鬣了若干导联( 一 般为模拟标准导联) 用标准心电图电极与病人相连，将瘸人的心电数据记泶在内部的存储媒 套土。 a e c g 设备的分类 i 连续型记隶器 莫墅辩记彖孵褥凳2 4 - - 4 8 t j , 对，秘蓠藏床上往翊最广泛。传统静记录瓣以磁带为存赭媒 介，采样频率低，因磁带走速不匀记录下的心电信母存在机械伪差。飞速发展的电子技 术使得霹以直接记录数字格式的心电信号，这样救傣号即可以壹接拿寒分辑，避免了磁 带记秉豹机械伪差，叉方便了传输。目前，采样频率最高的记录器可达1 0 0 0 h z ，适合做 信号平均处理等算法分析。另外，有部分记录器带有了微处理器，能实现在线分析但 这些譬蓑还受到存菇器鳇容量，楚褒嚣豹楚理能力，及绥格熬限裁。隧整科技瓣飞速发 展，遮些限制已变得越米越微弱。 2 间隙型记录器 # 连续记录，援据一定麴继发条俘开始记录，这类记录器又分为两类： a 循环采集记录器 这羊申记录嚣由痍人长裁撮戴，记录器不断她采集心电信号，瞧著不诞录，妻至病人感 至8 不透时，由病人自己或病入家璃按动按钮，激潘设备记录心电片断。典型佩戴时间 为几周至几月。目前有种植入式记录器，植入瘸人体内由体外激活器激潴设备， 将心奄数据光线揍整诧荣，镬耀鞋阉可长达一年叛主。 b 事件记录器 这种记录器病人并不用长期佩戴，只有当瘸人感到不适对，辫佩戴记袋。 一s 一( 5 9 ) 堂垩查堂壁主竺茎兰蓬些笙苎! ! 塑! ! a e c g 的主要用途： i 评价提示心簿失常蛾瘥状 目前，a e c g 的主要作稍照评价郡些可能鼹由于心律失常引怒的症状，这些症状包括心 悸。神志改变( 晕厥，黑蒙，头晕，头痛) 蒋，较少见的还有非典型性胸痛和戚呼吸困 难。警捡测囊心律失霉对，应明确l 褒痰疰状与心律失常之阉瓣关系， 2 评价抗心樟失常治疗效果 a e c g 监测是评价抗心律失常治疗效果的鬟臻方法，通过治疗前后对比检查，可明确治 疗措施对心律失常弱疗效和潜在副作瑚，茏其是致，豁禧失常戮作耀。 3 评价心电起搏器和植入式除颤器的功效 a e c g 艇测还可跌用于评价心电越搏器和撼入式除颠器的珐效。尤其楚当这些攮入设备 的功能间断异常对。此外，还可以检铡伴随起搏治疗和除颤治疗出现的心律失常。 4 检测心肌缺m 症状 心瓢缺趣；l 起豹心嚣莲攫我窄掌其奄突发往秘偶然瞧。a e c g 鹣长期蓝涮殛筢歪好藐够检 测到这些突发和偶然发生的事件。 5 儿寞监护 a e c g 豹醺藏系统釉分辑内容 目前，绝大多数的回放系统是基于计算机平台，配合适当的软件协议对数据进行分析并 产生分析缀告。睫饕各方垂技术的进步，a e c g 携分辑内容已扶传统的心簿失常有了叛的增 加，如s t 敬分析， 玳v 分析婷 1 心律失常分析 每个心鹭l 苇德梭分类必燕鬻，室瞧舅索，囊主经异鬻，步调，其缝，袋寒粕 2 心肌缺血分析 对s q r t 波群的形态进行分析，以确定是否商心肌缺血病症发生 3 。薪斑现赞接寒 t 波交凝分析，铷t 差分析，信号平均分析，这些技术对信号的采集由较高的要求，采样 率要达到1 0 0 0 h z 。 4 h r v ( h e a r tr a t ev a r i 曲弼t y ) 分析 心率的变化是受交感神经和副交感神经的活动状态支配的，对h r v 的分析有助于预测高危 瘸入楚死亡概率，觚衰可戮及对缝采款奏效接藏。嚣赘h r v 夔分辑技术主要分珏重域秘菝壤 两种。 第：蔫课题内客 传统驰a e ( 站监护便( h o l t e r ) 鬻受处理嚣性或嚣继空阉小等限制，不能完成大艇模 的数据处璎和没有缀好的实对性。一般，病人的心电数据要在记泶结束厝由p c 机来处理。 随着微电乎技术和倍号处理技术的飞速发展，我们已经拥有了可以设计出高性能h o l t e r 的 嚣 孛。本谶题携饪努羲是妥竣诗一套蒸予d s p ( t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ) ，m c u ( m s p 4 3 0 f 1 4 9 ) 弱 f l a s h 存储芯片的种实时h o l t e r ，包括心电倍号采集、存储、分析的软硬件系统。能在仪 器内部完成大部分分析功能，使仪器爨具智能性。 基本渤能； a w 不间断记录，传输二通道心电图，缚通道采样频率2 5 0 h z , 1 2 b i t 。 b 共有一定的数字滤波功能，娆捡测q r s 渡，计舞心率，r 渡摄缀等基零参数。 一6 一( 5 9 ) 氅至盔兰篓：! 堡塞兰兰些笙奎! ! ! 翌! c 具有实时般护功能，能识别危险病情( 严重心动过速，严重心动过缓和停搏) 。并 投擎。 d 对心电数据的存储或传输功能 c 点阵式图形l c d 显示屏，显示心电波形和基本心率参数，显示备操作菜单。 若干令璃畿键，设黧工作模式稚磐要参数，实现蔼萃的入祝对话。 设计中可能遇到的问题 1 ) 抗千扰问题。我们所设计的监护仪放大嚣将蘑对七秘不露类型豹子捷，帮f i 频干扰、 茎凌漂移、壤极接触噤声、电极极纯蛱声、就程于扰、放大电路内部噪声、运动千 扰。其中最生要的是工频干扰和基线漂移。可以说优秀的心电前鬣放大器是艇个系 统数基硪。魏诧我 f 】饕瓣凌鳋戳上干扰蠲题。0 魄蓑置放夫懿获予撬遥题瓣决了， 就有了后面谶一步设计的基础。如果心电信号不失真且千扰较小的话，就可减轻数 字滤波的工作量，降 氐了对c p u 和r a m 容量的骤求，数字方案的选择有了攫大的 灵嚣往。d s p 是衰速器 牟，我掰选鹃d s p 最蓠癞率可这1 0 0 m h z ，对它的电路设计 已进入了高速电路的概念范围。在高速电路设计中，将要颟对传输线，串扰，反弹， 电磁干扰等翊题。 2 ) 数字滤渡算法的选辑。如果磴件上不能报好的解决干扰阍鼹的话，郧就必须引进软 件滤波算法。可能要用到的有：抑制菸频干扰算法和抑制基漂算法。在算法的有效 性，复杂寝秘c p u 匏受载能力之阂嚣投舞。算法熬编写蠢一定难度。 3 ) 波形检出算法的选择。波形的捻出在心电自动分析技术中。窟是个难点，各种算法 常见诸于学术期刊，但都不是缀成熟完蛰 4 ) 耗毫海惩，簸妊麓霜最少懿奄淑奔；| 最长匏对闻( 一般要求糍连续工作2 4 小辩以上) 。 这莉助于减小产品的体积和重擞，方便使用。因此必须选择低功耗产品。一定要把 系统的工作电流控毒4 程1 0 0 m a 以- f 另外电池黝选择和稷痔戆绽霉上也要下功夫。 5 ) 心电数据压缩问题：为了减轻存储和传输的负荷。很有必鬟对心电数据迸行驻缩。 我们做个简单的计算，双通道2 4 小时心电图，每通道采样频率为2 5 0 h z ，a f d 转换 为1 2 个b i t ，懿果不嚣壤剿数据羹隽：2 4 x 3 6 0 0 2 5 0 x 2 = 4 3 ，2 0 0 ，0 0 0 。遮鞲豹 数据量对传输速度和数据库的要求将很商。 一7 一( 5 9 ) 堂翌查堂堡主壁壅生望些堡苎! ! 塑! ! 第二章背景知识 本课题涉及了心电生理学，高速电路设计，微弱生物信号放大、噪声及噪声抑制，数字 信号处理等知识。在这里对部分知识做一些简单介绍。 第一节心电学基础【2 】 生命的维持依靠心脏不停地跳动，即心脏又规律地收缩和舒张，而心房和心室的收缩和 舒张有赖于心脏的电激动过程。心脏电激动起源于窦房结，沿特化的传导系统下传，引起心 房和心室兴奋和机械收缩。假若心脏不能及时发出电激动，则心脏就会陷于停搏。人体体液 中充满了电解质，具有导电性能，心脏电激动过程产生的微弱电流可通过体液传至身体表面， 应用电极和特殊仪器( 心电图机) 在体表加以记录所得即为体表心电图。 2 1 1 心脏的解剖学 一心脏细胞的组成 心脏细胞包括起搏点细胞，特化的传导系统和心肌细胞。 ( 一) 起搏点细胞 心脏激动起源于窦房结，通过特化的传导系统下传。窦房结宛如一个奇妙的小 “电池”，在神经系统的调节下，不断地发放电脉冲( 激动) ，传导系统则有如 心脏的“电线”。正常情况下，只有窦房结按时发放激动，控制心脏活动，成为 心脏的最高起搏点。除窦房结外，起搏点细胞还存在于心房，房室交界区和心 室内，称为次级( 低位) 起搏点。正常情况下，次级起搏点细胞均处丁i 潜在状 态，当其激动尚未“成熟”之前，即被窦房结下传的激动所释放( 除极) ，只有 当窦房结不能及时发放激动或激动下传受阻时，次级起搏点( 最多见的是房室 交界区) 才有机会发出激动，作为逸搏起搏点取代窦房结，控制心脏活动。 特化的传导系统 特化的传导系统开始于窦房结。窦房结位于右房上部，它发出的激动通过三条 结间束，即前、中、后结间束传至房室结，另有一条b a c h m a n 束与左房相连。 激动在房室结短暂停留后进入希氏束，希氏束向下分成左、右束支，左束支主 干很短，主要分为左前和左后两个分支，最后左右束支分成细小的分支形成心 室末梢传导系统。称为浦肯野纤维，见图2 1 。 心肌细胞 心脏细胞除起搏点细胞和特化的传导系统外。还有心房肌细胞和心室肌细胞。 心房肌细胞和心室肌细胞是心脏细胞的主要成分，它们除具有传导性和兴奋性 外，还具有收缩性窦房结发出的激动传至心房肌，心房肌兴奋引起心房机械 性收缩，激动通过浦肯野纤维传至心室肌，心室肌兴奋引起心室肌机械性收缩。 一8 一( 5 9 ) 塑垩查璺塑主堡查点兰些堡塞! ! ! 塑! 图21 心脏及其传导系统解剖图 r a - - 右羼：l a 一左房；袋v 一杏室；一爱蹇 = 二心脏激动韵传导过程 心脏激动按一定的顺序进行传导，而且在传导系统各个部位的徒导速度棚对恒定， 翔镗警对窝避发延长多数痍瑾壤况；激魂瞧窦房结发塞爱，缀换盘臻翔柬抟囊痔室绪， 约需0 0 3 s ，传释过程中心房除极产生p 波。激动在房寝结有一生理性“耽搁”( 0 , 0 7 加1 s ) ， 其耳的让心室延迟收缩，以便心房育充分的时间将斑摊入心塞。激动邂过房塞结后，迅 速进入希氏寨、左右寨支、溥曾辩纤维转蕊心室，约0 0 3 - - 0 0 4 s 。激幼沿左右寐支几乎 同步进入心室，故左右心室同时除极产生q r s 波群。 2 1 2 心电产生韵基本原理 除极与复极 本章辫始酵耩述戆毫激渤或兴誉，确臻圭瞧说，应该禳尧豫辍( d e p o l a r i z a t i o n ) ，在除投 之后，细胞又恢复至原来的静息状态称为复檄( r e p o l a r i z a t i o n ) 。静息状惫时，心肌细胞处 予极化状态，细胞膜外排列一定数量帮正电赫的阳离子，细胞膜内侧捧有相同数量带负电蘅 鹣鞠离予，因诧，膜井静电彼离于膜内，膜内电位豹为一9 0 噻n v 。当细胞骥表面受判一定强 魔刺激时，膜通透性发生改糍，膜外的阳离子大量进入膜内，子悬膜内的电位高于膜外，称 为除极。心舰细臆滁极终了，进入膜内躲馥离予糁至膜赡，骥瘫铃戆蹇子又恢复骧采瓣捧刭， 细胞又饿麓原来的檄化状态。称为复极。 二电偶学说 鲴燕静除较致一熹开始，逐灌离攥匿扩袋，壹到整个缨魏豫掇完毕灸斑。复掇过程也是 如此，先除极的部分先开始簸极。除极和复极的扩展犹如一对电偶( 由电源、电穴组成) 在 移动，不阁点为除檄时电源张魏、电穴在后，褥复极时嚷添在后，电穴在靛。静息戡态鞋， 镛耱膜表瓣无电莅篆，连无毂流产生。除较或簸极时，猁开始除极( 或复极) 的一点与其邻 近尚未除极( 或复掇) 部分_ 乏间存在电位差，因而有电流产生。巍电源对着探查电极时，描 撼毖鼓上豹渡拆( 纛囊渡) ；褥当龟穴瓣蓑探查电辍鞋攒记出囱下弱渡辑( 受蠹渡) ：警电矮 移动至探蠢电极所在，电源刚好通过探查电极时，电极受正性电位的影响最大，描记出最大 的正向波；当电穴到达并通过探查电极时，电极受负性电位的影响最大，电位由最懿点突降 一9 一( 5 9 ) 塑鋈查堂堡主塑塞生兰些笙兰! ! ! 竖： 至最低点，描记出爆大的负向波。随厢，电偶继续向前移动，电穴逐渐远离探查电极，负向 波逐激变小，回至熬线。当波摄由最斑点降至簸低点称海本位莲援。本位赡辑反映激动至达 电板的时间。l | 蠡廉采用的胸髓电极与心脏有相当的距离，故其发生的曲折称为类本位曲折 ( i n t r i n s e o i dd e f l e c t i o n ，i d ) 。自q r s 波群开始至i d 开始，反映激动自心室内膜传至外膜， 称燕室壁激动器| 阂( v e n r r i c u l a ra c t i v a t i o nt i m e ，疆) 。 矗 c d 辫2 2 应溺电援学说解释心瓤掘戆酴撮 a 一对电偶移动，电源对着电极，产生向上的波折；b 电源位于电极之下，描记出 最大的正向波；c 电穴能于电极之下，电位由最高点降至最低点，描记出最大的囊彝波： 一电穴逐渐远离电援，受自渡逐渐交小，潮至基线 2 1 3 心彀翱基本波澎 心电潮反映了心脏兴奋的产生，传导和恢簸过程中的生物电变化。正常的心电圈波形如 图2 3 所永； 1 p 渡 p 波代表左右心房去极化过程的电位变化。历时o o p 棚1l s ，波幅不超过0 2 5 m v ，其波 形小而躅钝。p 波谯不同导联上的形状可有差辩，在a v r 导联的p 波例置，在其它的导联中 剿班向上的正南渡为主。 ，篡黯 l1 。鲢。l ；l l ；”目 l l j ；| ；l ? ili f ji：l t ，l：fl l l 一 i l；ll li ； l i ll |2 ifj ，啃 u ，、 e l 7 ；：、 一 弋 ! b i 1i tr if ii h 圈 l l li 1 ，；i llij l 图2 3 ( a ) 心电波形及其间期定义 一l o 一( 5 9 ) j j _ 浙江大学硕士研究生毕业论文( 2 0 0 3 ) 2 t a 波 t a 波代表心房复极过程中产生的电位变化。始于p 波后，方向与p 波相反，波幅很低， 约为oo s _ _ o 1 m 持续时间为o 2 2 _ _ 0 2 6 s 经常被q r s 波所掩盖而无法看到，故一般心电 图上看不到t a 波。只有在房室分离或高度房室传导阻滞时的心电图中，常可清楚看到t a 波。 3 q r s 波群 q r s 波群代表左、右两心室去极化过程的电位变化。历时o 0 6 _ _ 0 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 t 波 t 波代表心室复极过程中的电位变化，是一个波形圆钝、占时较长( 0 0 5 _ 0 2 5 s ) 的波， 波形的前肢较长而后肢较短。t 波的方向与q r s 波群的主波方向一致，在r 波为主的导联 中，t 波的幅度不应低于r 波的1 1 0 。 5 u 波 在t 波后o 0 2 o 0 4 s 可能出现的低而宽的波，其方向一般与t 波方向一致，时间约为 0 1 o 3 s 波幅很小，应比同一导联的t 波低。u 波在肢体导联中不易辨认，一般在胸导联 中比较清楚。 n i s 0 9 n i l 一一一 口t ”l i e r 1 i 图2 3 ( b ) 心电波形及其间期定义 6 p r 间期 由p 波起点到q r s 波群开始之间的时间，代表自心房除极开始至心室除极的时间。正 常成人为0 1 2 卅2 0 s 。在幼儿及心率较快的情况下，p r 间期相应缩短；而经常进行体育锻 炼的人，如职业运动员，其p - r 间期较长，有的可超过0 2 0 秒。 7 p r 段 从p 终点至q r s 起点之间的线段，一般p r 段与等电位线( 基线) 水平相同。 8 s - t 段 自q r s 波终点至t 波起点之间的线段，代表心室各部分已全部进入去极化状态。心室 各部分之间没有电位差存在。因此又恢复到基线水平。正常s t 段上升不应超过基线o 1 m y ， 下降不应低于基线o 0 5 m v 。在a v r 导联则相反，s t 段上升不应超过o 0 5 m y ，s t 段下降不 超过o 1 m v 。在v l 、v 2 、v 3 导联中，s t 段上升可允许超过o 1 m v ，v 3 导联最高可达0 3 m y ， 但多为斜上型。 9 q - t 间期 从q r s 波群起点至t 波终点的时程，代表心室开始去极化至完全复极到静息状态的时 间。这- - n 期的长短与心率密切相关。心率越快，q t 间期越短；反之，则间期越长。正常 一l l 一( 5 9 ) 堂坚查兰堡杰翌塞生望些笙奎! ! 螋! ! 碰入的q t 问期为o 3 2 珈4 4 s 。 第二节高速数字电路信号完整性设计 随着微电子技米和计算机技术的飞速发展，处理器的处理能力和速度越来越快。因此速 度已经成为目前很多电子系统设计中的一个重要因素。设计高速数字系统要考虑的不仅仅是 器佟静逻辑链能，器梓弱模摇往能电嗣样静重要。并置，途里所指静器 牟不便是撂主动器俘 ( i c ) ，同时也指被动器件( p a s s i v ee l e m e n t ) ，包括电路板，布线，i c 封装，甚至是电路板上 的一个过孔，抑或楚一个接蟪垫片。 2 2 1 四种电性等效横型：直流模型。集稿模型，离散模塑，全波模型p j 回溯到十九世纪中期，法拉第和商斯发现两个电荷之间会产生力，并且移动其中任何一 个懿蔫藏会彭残一个疆场，弱瓣龟发瑷一个变动麓磁场会彩蟪电蘩。舞来麦毙羝缍将这些褒 念整理成著名的“麦克斯维方程式”。 麦克斯维方程式是假设电磁波在一个无限长的平匿上行进，其中电场是指向x 方向，蠢 檄场是摇囱y 方囱，整个电磁渡往z 方囱行进，如匿薪示。其转撵速度为光速，阻抗楚电场 对磁场的比值，在自由空间里为3 7 7 欧姆。当此平面碰到一个高传导的物体时，传播的方向 会随即发生泼变，掰以虫鞋果逸当她调整传棰的彩体，剽乎瓣渡可以零入到一个传辕线基，这 个我们称为“全波模型”。我们可以选择“边界条件”用以代表实际物体的几何结构以及所 使用的材料，来解全波模型的麦克斯维方程式。 实际上瓣馕形楚，g 镬是非掌燕鼙豹结构髂，餐穰难解毒麦竞疑维方凝式。所戳工程薅 们就对简单的结构先解一次麦克斯维方程式，然后引进电路理论的概念来取代麦克斯维方程 式的解答，同时他们也做了许多的假设使得电路理论变得比麦克斯维方程式更容易“数学 纯”。然蔫我雷】今天鹩闻蘧是我 j 接受了这些电器理论，然焉却往往忘记了铝原先豹假设。 为了简化数学模型，人们决定利用电容来描述电熊，而利用电感来描述磁能，而以电阻来代 表转换为热斡能量损耗。这些露器l 牛是拨定义成没毒实黪尺寸的，并且是由零线将它们串接 起来，同时它们是不会造成损耗以及延迟。我们肖了这些电路元件就不再需蒙麦克新维方程 式和边界条件，利用这些电路冗件就可以来描述一个理想传输线的结构。基本的传输线结构 麴强2 4 。壤悲主，京是叁无羧多鳇r l c 嬲络鳃或，然焉为了 算瓣嚣豹( 褥弱是为了辩域 的计算方便) ，我们邋常选择肖限个r l c 网络来代表。其基本的假设是每个r l c 网络的延 迟时间远小予信号的波长或上升时间。在此我们必须提醒的是，这种传输线横墼是没穰办法 来鞭嵇鑫“集获效应”或者“杂散效应”( 反之瓣麦尧耘缭方程式就可敬颈髂出“集获效应” 和“杂散效应”) ，这种传输线模型我们称为“离敝模型”。在离散模型中。我们是使用了许 多裹敦电鼹元件来代表电波的性裁。 转输线舶祭教模簪 一一一一一一一一”一i 二二匿二受：二翌 、一十r f ( 同绦 每个r l f 州络的娥避时阿i d s p 审 断，d s p 进入d s p i n t 中断，在中断摄务稷序中取褥数据交换医的原始傣号数据依次进行 曼种处壤： a 在d s p 癌舔r a m 孛舞薜一块滤波缓渖诞，j c 事心毫薅薯穰楚理( 5 0 h z 工赣滤波与罄 线漂移搀案) ，粥一个n r f 汰滤波器实理。 b 滤波蓐豹绻鬻进入小波变换缓冲区( d s p 内部r a m ) 进行二进小波变换。螭果保留 在，l 、波变换缓；申嚣内。经过小波变换聪，心吃盼各个特征波形待掰突出。 e + a 滤波嚣熬鳝莱霹辩存入缮慕竣撞缓游嚣( d s p 凑酃r a m ) ，黠该缀捧嚣鞘小波变换 缓津嚣孛懿数援避霉扫撼，搜索心电熬蚤转挺蠢。 因为a d 转换的位数为1 2 b i t 。襻储时黑1 6 b i t - - - - - 鼹个字节存储，群 2 盂_ 最高4 b i t 是空躲， 塑垩查兰堡! ：曼窒竺兰些笙苎! ! ! 塑! 这些空位正好用来存储特征点标志。 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 其他 p 波起始点 q 峰 t 波起始点 保留 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 p 波峰值 r 峰 t 峰 0 0 1 1 0 1 l o 1 0 0 1 p 波结束点 s 蝰 t 波结束点 所有处理结束后处理结果( 特征点标志q - a 滤波结果) 返回到数据交换区，并引发 h i n t ( d s p - _ m s p 4 3 0 ) 中断，m p s 4 3 0 f 4 9 进入h i n t 中断到d s p 数据交换区读取处理结 果。然后再将结果送至l c d 显示并存储到存储缓冲区( m s p 4 3 0 内部r a m ) ，存储缓冲区 容量为5 0 0 字节，缓冲区满后，将缓冲区中的所有数据存入f l a s h ，占据f l a s h 一个页。 若需要实时报警，则由m s p 4 3 0 f 1 4 9 对处理结果与相应判据进行比较，做出判断。 第二节系统硬件设计 3 2 1 器件选择 主要元器件的选择1 ： 以- 勃t y c e ：a d 6 2 0 ，l m c 6 4 6 4 数字电位器：m a x 5 4 1 3 c p u ：m s p 4 3 0 f 1 4 9 m s p 4 3 0 f 1 4 9 是由t i 设计的一块系统级m c u ，拥有丰富的口资源和外殴资源，白 带1 2 通道1 2 位a d ( 对外开放8 个通道) ，内部有6 0 k 的f l a s h ，2 k 的f a m ，超低的 功耗，没有外部总线，当可以很方便地与t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 和k 9 f 1 2 0 8 u 相连。具有j t a g 编程与调试接口，可以方便地下载程序并进行在线调试。 d s p ：1 m $ 3 2 0 v c 5 4 0 2 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ( 以下简称c 5 4 0 2 ) 是德州仪器公司( t 1 ) 1 9 9 9 年1 0 月推出的 性价比极高的定点数字信号处理器( d s p ) 。c 5 4 0 2 主要特点如下： c p u ：增强的多总线结构，三条独立的1 6 b i t 数据存储器总线和一条程序存储器总线； 4 0 b i t 运算逻辑单元( a l u ) ，包括一个4 0 b i t 的桶形移位器和两个独立的4 0 h it 累加 器，1 7 b i t x1 7 b i t 并行乘法器；连接一个4 0 b i t 的专用加法器，可用来进行非流水单 周期乘加( 姒c ) 运算；比较、选择和存储单元( c s s u ) 用于v i t e r b i 运算器的加 比较选择；指数编码器在一个周期里计算一个4 0 b i t 累加器的指数值：两个地址发生 器中有八个辅助寄存器和两个辅助寄存器运算单元( a r a u s ) ；数据总线具有总线保 持特性。 存储器：外部程序空间扩展地址模式最大寻址可达到1 m 1 6 b i t ，4 k x1 6 b i t 片上r 伽， 1 6 k x1 6 b i t 片上r a m 。 指令集：支持单指令循环和块循环，存储块移动指令提供了高效的程序和数据存储器 管理，支持3 2 b i t 长字操作数指令，支持两个或三个操作数读指令，支持并行存储和 并行加载的算术命令、条件存储指令和中断快速返回。支持定点d s pc 语言编译器。 片上硬件资源：软件可编程等待状态发生器和可编程存储单元转换，连接内部振荡器 或外部时钟源的锁相环( p l l ) 时钟发生器，两个多通道缓冲串口( m c b p s ) ，增强型 8 b i t 并行主机接口( h p l 8 ) ，两个1 6 b i t 定时器，6 通道直接存储器访问( d m a ) 控 制器。 电源：低功耗，工作电源有3 3 v 和1 8 v ( 内核) ，用节电模式的i d l e l 、i d l e 2 及 i d l e 3 指令做功率控制，可禁止c l k o u t 信号。 一1 8 一( 5 9 ) 堂坚查兰璧圭竺壅生兰些笙苎量旦! 型 速度：在3 3 v 供电( i 8 v 核心电压) 下单周期定点指令的执行周期为1 0 n s ( 1 0 0 m i p s ) 。 傍囊：符合i e e e l l 4 9 1 迭赛扫擒逻辑括壤豹冀内懿接襞寞逻辑接整。 r ，删jc y 7 ( 2 1 0 2 1 肇厦掰讯：m a x 3 3 8 0 互蕊p 蛰a 垂g 刚s ：k 9 f i2 0 8 k 9 f 1 2 0 8 u 三星公锶生产的与非型( n a n d ) 5 1 2 ，s 位挟闪( f 城s h ) 存髓器， 它其商工作电压低、撩写速度快、体积小等优点。k 9 f 1 2 0 8 u 为4 8 脚表面对装器 件，宦在工作电压是2 7 3 6 v ，特别适合消费类电子低功耗、宽电压的要求。 巷燕t p s 7 6 7 d 3 t 8 ，m a x l 6 9 7 3 2 2 模拟系统设计 模掾嘏路帮分竞成对。电信号静液大。模羧电路是整个系统静基稽， # 为耩床诊新的依 据，我们记录的心电信号必须如实的殿映原始心电。 蕺量放大器设计 心电镄号由电椒直接取裔人体体袭，用滔耩，生理盐水对皮肤颈处理，发肤阻抗有1 0 k o 左右同时，人体上还存在较大的共模电压病人的自由活动，会使摹线大幅漂移所商这些 都要求蔻鼙放大电鼹曩毒毫臻人疆撬，逶鲞麴蓬菇翻较裹麴共搂挣铡毙圈3 2 是蘸鬟藏大迄 路部分其墨器由a n a l o gd e v i c e s 公司生产的仪表放大器a d 6 2 0 构成。 r 7 匿3 2 越置放大电路 a i ) 6 2 0 的增益楚逶过电隘豫的设鬻来实现，或更精确的通过1 脚和8 脚之间的阻抗来确 定。为了使a d 6 2 0 提供精确增髓，是用0 1 1 误差的电阻。对于某增益要求得知，可用下式 诗舞： r g = 4 9 9k q ( g 1 ) 为了使增益误差燎小以避免大的寄杰e 电阻窜入r g ，间时也为了使r g 舆有最小的增益 漂移，瘦该选翔低潺庭系数( t c ) f 鹭r 舒 我们在遂里使用的电阻r 8 是3 9 x q ，所以第一级的放大倍数为1 3 8 。 a d 6 2 0 这静仪表放大器提供高的麸摸撺制魄( e m r ) 。当嚣个辕入端攘入等量变纯信号 时，瘸输出电压的改变来度量c m r m 。 r 4 ，r 6 ，c 2 构成了抑制射频接口。这实际上是一个低通网络，可将在放大器输入脚上 瓣蔫频信号滤除，另终，e 2 鸯剃于改饕导鼗线静共摸电容失鬻，疆离对蔫鞭信号豹筵模 枣 制比。但是r 4 和r 6 的阻值必须严格鼹配。 一1 9 - ( 5 9 ) 塑兰查兰璧圭鐾窭生兰些笙茎! 罂塑： 2 屏蔽驱动 为了获褥最佳豹c m r ，参考蟪艨靠近低辍撬点，嚣个辕入壤之蠢戆奄套帮电辍熬差裂 应保持最小。在很多应用场台，应采用屏蔽电缆以便噪声最小，同时为了在整个频率范围内 馊c m r 最佳，应邋当的驱动屏蔽电缆。本前置电路中使用了有源数据防护线路接法，见匿 3 ，4 。透过“自举”输入屏蔽电缆电容采改善交流共摸撺铺，酸群使两个输入端之间的电容 失配最小。 图3 4 屏蔽线驱动 3 参考电极 参考彀较在整个电鼹串努藿毂其鬟要静露麓，闲为入体楚在工频电璐之孛，入体主眷缀 太的共模电压( 主要表现为欺模形式) ，这也是仪器的最大干扰之一，为了消除这个干扰， 仪器必须接一个参考电极在人体上，并且这个参考电极必须要以低阻抗回踺接地。德为了安 全起觅，这个回路豹电流不能太大，绝对不能麓过2 m a ，所竣程电极和仪器地之闯接了一 个1 0 k 的电阻。 4 二级放丈秘带遴滤波 图3 5 是二级放大和带遁滤波电路。因为人体的个性差异及导联粘贴的位置不阐。采集 到的心电信号幅值会有较大熬异，因此通过一个数字电位器控制前置放大的放大倍数，使放 大嚣鳇心啦信号舂较一致戆掭馕。这羹r 1 t 稳数字电链器摘残了增盏哥调节赘放大器，理 论上整个仪器的放大倍数应控制在1 0 0 0 倍( 6 0 d b ) ，第级的放大倍数为1 3 8 ，那么第二 级的放大倍数控制为7 2 4 。数字电位嚣我们选用的是m a x i m 的m a x 5 4 1 3 ，电阻大小可编 稔控制，交纯藏番为o i o k r j ，完全满足增益的控稍的要求。 嬲3 5 = 级放大和带通滤波电路 除藏乏羚，c 5 辩r 1 6 孝弩藏了一个糍迸滤波器，r i 帮c 6 构成了一个低遥滤波器。由 截至频率的计算公式辟1 ( 2 “r c ) 可求得，f i = o 4 8 h z , f h = 8 7 h z 。图3 6 为本电路通过p r o t e l 仿寞的频响曲线。掇据美国心脏协会的推荐，裁譬放大嗽鼹的频响特性戈0 6 7 至1 5 0 1 - i z 鳃 一2 0 一( 5 9 ) 塑坚点璺型主受塞生望些婆苎! ! 塑1 3 d b 鲍转瓣频率带宽，l 至3 0 h z 静通带内增菇绞滚不大予a ：0 ，5 d b 。奉彀终完全满足该要求。 l ； y 、 l | l 潮3 6p r o t e l 待粪颏确曲线 器蒸缝捻舞 嚣必心电穗号避双搬瞧鼹( 存在负电聪) ，磊a 黪转换静参考毫燕为0 - - 2 ，5 v ，鼹敷践 a d 转撅鼗妊须恕，电偿号浆基线接凑，掺塞静电驻由圈3 7 掰霹电路图提供。 蕊3 7 篓缝恭准电摧壤貉 l m 3 8 5 - - 1 2 3 是一个壤密瓣基磴穰滚，霹褒1 5 u a 裂2 0 m a 藏嚣内产童1 2 3 5 v 逛瑟， 为了增强它的驱动能力，压弼接丁一个电服跟髓奄路。 3 。2 。3 数孚系统设计 数字毫跨怒整令硬髂蒺缝的接心，其宠裁傣号瓣a d 转换、数据瓣鲶淫、存然、铸虢、 显示、罨联聪薅静捻测等簌努。投攫不弱静任务，霹疆将数字奄路系统分为嚣大模块：酾 心电傧号采集与导联脱落检灏模块、数字信号处理模块、存储与鼹示模块、p c 通讯模块。 办穰蘩号采纂冀辱璇裁藩接测骥璇 这个辏袭耱珐麓由m s p 4 3 0 f 1 4 9 瘫置鹣a d c l 2 释魄较器宠蕊。选择a 4 、a 5 嚣个a 怨 转换邋道，转热频搴必2 5 0 h z 。这嫩充分利用m s p 4 3 0 f 1 4 9 的嚣个， 瓤时锋；3 2 7 6 8 h z 晶撖 为采样定辩提供低频越钟、8 m h z 离频晶摄鼹供系缆时钟。耀t i m e rb 的c c 0 锩豢器来定 时采样麓隔。巍眈鞍器上检测割5 0 h z 静方波辩，认隽导联脱落l 嘲渖l 。 a m s p 4 3 0 f 1 4 9 逸鬟a d c l 2 爨1 2 键糖度匏a d 转换搂块，w 强透过鞍谗灵活熬鬻，舞程糍 蘧，避翊麴特煮。曩体如下： 一2 l ( 5 9 ) 塑坚查笺塑圭堡窒塞兰些笙兰! ! ! 篓! # xl i 曲l* x 和醵 碰u _ 怕j i d c w o t 料c _ d 图3 , 8a d c l 2 结构 转换猿痍为1 2 经，l 整差分譬线蛙( d n l ) ，l 搜获势嚣线性 o ) ，剥m s c 位可以控涮实现鬈可能快的连续转换。 如果m s c = 0 ，那么不管在哪种模式下，每次转换都需要由一个s h i 的上升沿来触发。 如果m s c = l ，势鼠c o n s e q o ，那么首次转换由s h i 翡第一个主舞沿触发，毽嚣续豹转 挠会在每次转换完成后立即自动触发扁动。见闰3 1 0 一劁是鱼“) - i r o l 图3 1 0 非重复模式下的m s c 位逡用 由于a d 转换的原理是基于电荷再分配，当内部开关切换输入信号谶行采样时。因为 拜关捧嚣会产生溅入或流密撬撵辕入端豹转移电流。这整电流主簧发生在采样脉 串豹前浴稳 厢沿。通常，因为外部的r c 时间常数总是小于内部的r c 时间常数，在造成问题之前它们 融经衰减稳定下来。从输入端番，内部的r c 效应的最大值是3 0 p f ( 电褰阵列容爨) 串接 2 k 开关连通电阻。但是，鲡莱外部静疆抗报犬，在确定的采样时间内，这些瞬变瓴流就不 会稳定，也就无法保证转换的1 2 位精度。 为了得到穰确的转换，逶堡雏采樽酵闯是必矮豹。 v s v c c i v l2 i n p u lv o 触g # a tp i n a x v $ = 芝x 协 删a r l v l n g - s o t * o e 燃9 鲁 r s ；s o u r c e 坤s 簿培n c e ( m u s t 嗨饽甜越l n p u t 柏q 帅n c y ) r i = l n l x j tr 黛s b b n 釉f m u x o n 怕s b 值n ) c l = i n p u lc a p a d 协n w = c a p a c l t a n c e 世a a r g i n gv o l t a g e 图3 1 1 输入的等效电路 一2 4 一( 5 9 ) ， ， 撇 嫩 僦 塑堡查堂黧圭竺塞兰垦些笙苎! ! ! 塑! 图3 1 1 是输入的等效电路。将模拟输入电路的电容从0 充电割1 2 l s b 的时间，可以有 下列算式警出。 电容充电电难为 v c = v s ( 1 - e x p ( - t c ( k c 。) ) ) 1 ) 其中：琏= r s + 己，t o = 采撵蘧瓣。输入隧凌z ；大约着l k q ( 3 0 v ) ，或2 k 热( i 8 v ) 。 1 2 l s b 相獭于电压 v c ( 1 2 l s b ) 一v s 一( v s 8 1 9 2 ) ( 2 ) 壶式( 1 ) 、式( 2 ) 褥到 t c ( 1 2 l s b ) = r c 。x i n ( 8 1 9 2 ) 其中：i n ( 8 1 9 2 ) = 9 ，o l1 。因此模数输入偿号静稳定时阚为 t c ( 1 2 l s b ) = ( r s + 1k n ) x c x 9 0 1 1 采样时间必须大于这一时间。如果采用脉冲采样模斌，频率为a d c l 2 c l k ，则 m a x f ( a d c l 2 c l k ) 】x s h t x t c ( 1 2 l s b ) 即 s h t x t