基于Internet網(wǎng)絡(luò)的12導(dǎo)聯(lián)便攜心電儀系統(tǒng)研究

引言

人體心電信號(hào)是非常微弱的生理低頻電信號(hào)，通常最大的幅值不超過(guò)4mv，信號(hào)頻率在0.05~200hz之間。心電信號(hào)的提取是通過(guò)安裝在人體皮膚表面的電極來(lái)拾取的。由于電極和皮膚組織之間會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，會(huì)對(duì)心電信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。加之人體是一個(gè)復(fù)雜的生命系統(tǒng)，存在各種各樣的其他生理電信號(hào)對(duì)心電信號(hào)產(chǎn)生干擾。同時(shí)由于我們處在一個(gè)電磁包圍的環(huán)境中，人體就像一根會(huì)移動(dòng)的天線從而對(duì)心電信號(hào)產(chǎn)生50hz左右的干擾信號(hào)。由于存在種種干擾，必須做好前端數(shù)據(jù)采集的硬件軟件設(shè)計(jì)才能保證傳送到醫(yī)療中心的心電數(shù)據(jù)的可靠性。

便攜心電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集 圖1中，l、r、f分別是左手、右手、左腿驅(qū)動(dòng)電極，v1、v3、v5是3個(gè)胸電極，rf是右腿驅(qū)動(dòng)電極。

前端輸入緩沖設(shè)計(jì)

由于信號(hào)本身存在較大的阻抗，為了能更好的驅(qū)動(dòng)威爾遜網(wǎng)絡(luò)必須設(shè)計(jì)輸入緩沖。另一方面心電信號(hào)幅值在0～4mv之間。所以在緩沖運(yùn)放的選擇時(shí)必須要保證失調(diào)電壓vos不超過(guò)125 v。一路緩沖硬件設(shè)計(jì)如圖2。
輸入緩沖器的結(jié)構(gòu)為電壓跟隨器，其作用是使人體與威爾遜網(wǎng)絡(luò)高度隔離，圖2所示為6路跟隨器之一。一方面，極高的輸入阻抗，克服了電極與皮膚接觸電阻引起的信號(hào)衰減；另一方面，極低的輸出阻抗，確保有效地驅(qū)動(dòng)威爾遜網(wǎng)絡(luò)工作。d1、d2組成雙向限幅電路，對(duì)來(lái)自人體的高壓干擾實(shí)施限幅，防止因過(guò)度激勵(lì)造成運(yùn)放逆轉(zhuǎn)而失效。

原理如圖3所示。圖中虛線框中的電阻構(gòu)成威爾遜網(wǎng)絡(luò)，r39、r40、r41的公共連接端為威爾遜中心。d5、d6、d7為多路電子開(kāi)關(guān)，在導(dǎo)聯(lián)切換信號(hào)的控制下，從威爾遜網(wǎng)絡(luò)的有關(guān)節(jié)點(diǎn)取出3路導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。各電極在人體上的位置和接觸狀態(tài)存在差異，導(dǎo)聯(lián)線的參數(shù)和威爾遜網(wǎng)絡(luò)的元件值也存在離散性，故威爾遜網(wǎng)絡(luò)的非中心節(jié)點(diǎn)上的干擾信號(hào)必然有幅度甚至相位差。這種差異將以差模方式傳輸?shù)胶罄m(xù)放大器被放大。而且，相對(duì)于心電有用信號(hào)而言，已不能忽視。為此威爾遜網(wǎng)絡(luò)的干擾信號(hào)經(jīng)d9反相放大后送右腿驅(qū)動(dòng)，對(duì)于干擾信號(hào)而言這是一種深度反饋，極大的抑制了人體感應(yīng)的共模干擾。提高了前端信號(hào)采集的精度。

由于心電信號(hào)十分微弱，噪聲背景強(qiáng)且信號(hào)源阻抗很大，一般典型值在500k ，加之測(cè)量電極引入的極化電壓差較心電信號(hào)大幾百倍達(dá)300mv左右。因此必須設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)良的前端放大器，濾波和限波電路。前端放大器要采用高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲，低溫漂，非線性度小，合適的帶寬和動(dòng)態(tài)范圍。因此在本電路中采用ad620儀表放大器為主的電路(如圖2)。ad620 輸入偏置60 v，溫漂0.6 v，峰值噪聲特性0.28 v，高達(dá)120db的共模抑制比，輸入阻抗1012 ，非常適合做前端放大器。前端放大器設(shè)計(jì)如圖4。

數(shù)字濾波設(shè)計(jì)

在心電信號(hào)采集過(guò)程中，常常受到工頻干擾（50hz）、肌電干擾（35hz）、基線漂移等各種干擾信號(hào)。為了讓心電儀的采集部分便于攜帶和降低功耗我們沒(méi)有采用硬件限波電路，而是利用dsp在信號(hào)處理方面的優(yōu)勢(shì)采用了軟件濾波。在本系統(tǒng)中，我們采用了一種簡(jiǎn)單整系數(shù)限波器 ，對(duì)工頻干擾及基線漂移進(jìn)行濾除。濾波器用到了減法技術(shù)即用一個(gè)全通網(wǎng)絡(luò)減去一個(gè)具有相同傳輸延遲和增益的窄帶帶通濾波器的輸出，得到一個(gè)具有尖銳限波特性的限波器(notch)，其原理如圖5所示。

h(z)=h1(z) h2(z)其中 ，h1=y1(z)/x1(z)=z m，h2=y2（z）/x2（z）

要使限波器（notch）具有帶寬約1hz左右的特性，必須使窄帶帶通濾波器具有很大的零點(diǎn)數(shù)目。在1000 hz采樣頻率下，以每赫茲寬度間隔設(shè)計(jì)零點(diǎn)，就有1000個(gè)零點(diǎn)均勻分布在z平面的單位圓上，每?jī)蓚€(gè)零點(diǎn)間隔設(shè)計(jì)為 /500 rad。按照設(shè)計(jì)原則在角頻率 t=0， /10，2 /10…18 /l0，19 /10處設(shè)置極點(diǎn)，與該處的零點(diǎn)相抵消，形成了只有單頻率成分通過(guò)的窄帶帶通濾波器。

其中0 hz處的零極點(diǎn)抵消，用以消除0．5 hz以下的基線漂移；50 hz、100 hz、150 hz等處的零極點(diǎn)抵消，用以消除50 hz工頻及其諧波干擾。于是得到窄帶帶通濾波器的傳遞函數(shù)為：h^{1}_{2}(z)=frac{1 z^{ 100}}{1 z^{ 20}}。

同時(shí)為了防止該式在的幅頻響應(yīng)在50hz處有180 的相移，我們必須采用修正因子 1+z^{ 500}來(lái)修正。其結(jié)果如下：

采用高度集成的433mhz單片無(wú)線收發(fā)器nrf401。它具有功耗低(有待機(jī)模式)，體積小，外圍器件少與dsp連接方便的特性，使用pcb環(huán)形天線，最大發(fā)送功率可達(dá)+10dbm發(fā)射距離在1000米左右滿足社區(qū)范圍內(nèi)使用。外部硬件設(shè)計(jì)如圖7。

目前adsl上網(wǎng)在家庭中已經(jīng)普及而且使用的模式基本上都具有路由功能，這就為心電系統(tǒng)的客戶端internet接入提供了有利平臺(tái)。心電系統(tǒng)客戶端的adsl端接收設(shè)備與便攜數(shù)據(jù)采集儀使用相同的無(wú)線單片收發(fā)射頻芯片接收數(shù)據(jù)，因此在客戶端我們僅需要設(shè)計(jì)基于dsp的以太網(wǎng)接入技術(shù)即可。其internet接入方案如圖9。