摘? 要： 系統(tǒng)地介紹了心電數(shù)據(jù)床邊采集系統(tǒng)的開發(fā)研究,，著重其中的若干關(guān)鍵技術(shù):具有多路選擇功能的高性能前置放大電路，以51單片機(jī)為核心的軟,、硬件結(jié)構(gòu),，具有12位分辨率的多通道A/D采樣，實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)壓縮算法等,。
關(guān)鍵詞： 放大器? 多路選擇? 單片機(jī)? ECG信號(hào)壓縮
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心電診斷較大程度地依賴于對(duì)心電數(shù)據(jù)的處理分析,。傳統(tǒng)的12導(dǎo)聯(lián)心電放大系統(tǒng)中，體表心電信號(hào)由導(dǎo)聯(lián)緩沖電路輸入后由12路放大電路分別進(jìn)行放大,，最后接入微機(jī)系統(tǒng)的12位A/D采樣板上,。由于每一導(dǎo)聯(lián)的心電放大電路的通道結(jié)構(gòu)和組成元件完全相同，不同的只是輸入信號(hào),。因此這些結(jié)構(gòu)重復(fù),、功能相同的電路使得傳統(tǒng)的心電放大器體積龐大，再加上存放數(shù)據(jù)的微機(jī)系統(tǒng),，使得整個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置不容易攜帶,，給那些行動(dòng)有障礙的病人帶來不便,。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種便攜式的心電數(shù)據(jù)床邊采集裝置,，借助于多路開關(guān),，只需一個(gè)放大器和16路A/D轉(zhuǎn)換，便可完成對(duì)多路信號(hào)的采集,。擴(kuò)展的大容量存儲(chǔ)器,，可以在病人床邊把必需的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來。整個(gè)系統(tǒng)由一片80C32單片機(jī)控制,，其可靠性高,，使用方便，可滿足對(duì)采樣頻率的要求,，方便客戶使用和維護(hù),。
該系統(tǒng)由兩大部分組成:①以模擬電路為主的放大電路;②以數(shù)字電路為主的采樣存儲(chǔ)電路。它在設(shè)計(jì)上存在兩個(gè)難點(diǎn):(1)16通道信號(hào)的采集時(shí)間不統(tǒng)一,。16通道包括常規(guī)12導(dǎo)聯(lián)心電波形,，3路正交導(dǎo)聯(lián)[1]和1路整形波。常規(guī)12導(dǎo)聯(lián)心電同步采集是目前較普遍的一種心電采集方法,，它可以放大出多路的心電信號(hào),，能夠分析出相關(guān)信號(hào)間的細(xì)節(jié);正交導(dǎo)聯(lián)的信號(hào)可用于CMP(心室晚電位、心房晚電位[2],、希氏束電位),、VCG(心向量)信號(hào)的分析;整形波可用來進(jìn)行心率變異性的分析。分析信號(hào)類別不同,，其采集時(shí)間也不同:12道常規(guī)導(dǎo)聯(lián)波形要求每導(dǎo)采集8個(gè)波形;3道正交導(dǎo)聯(lián)要求每導(dǎo)采集300個(gè)波形;整形波要求存儲(chǔ)540個(gè)R-R間期。因此要在軟件中對(duì)各段采集時(shí)間加以控制,。(2)數(shù)據(jù)量大,。正常成年人的心率在60~100次/分，取60次/分計(jì)算,，上述三段波形采集的總數(shù)據(jù)量約為2M字節(jié)(以1kHz采樣頻率,，12位分辨率)。因此需要適當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)壓縮,，使數(shù)據(jù)量壓縮到1M字節(jié),，同時(shí)要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
1 放大系統(tǒng)
圖1所示放大系統(tǒng)主要由導(dǎo)聯(lián)部分,、開關(guān)部分,、放大部分和濾波部分構(gòu)成。從人體引出的微弱心電信號(hào)[1]通過導(dǎo)聯(lián)電路形成待放大的心電信號(hào)(如I,、aVR,，V1等)的組合,，由多路開關(guān)對(duì)16路信號(hào)輪流切換，分別得到一對(duì)時(shí)分復(fù)用的信號(hào),，送至放大電路進(jìn)行差分放大,。放大后的信號(hào)再由一個(gè)多路開關(guān)還原成16路信號(hào)，最后經(jīng)過低通濾波器濾除高頻的開關(guān)信號(hào)即得到16路連續(xù)的放大信號(hào),。此時(shí)的信號(hào)連到單片機(jī)采樣部分進(jìn)行采樣,，或者連到示波器上對(duì)波形進(jìn)行監(jiān)視。放大部分采用多路開關(guān)技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)分放大,，只用一組放大器即可,，大大減小了放大電路和整個(gè)系統(tǒng)的體積。
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放大電路的一些設(shè)計(jì)指標(biāo)如下:
電路放大倍數(shù)1000,、2000,、3000可調(diào)，共模抑制比CMRR≥100dB,，輸入電阻≥2MΩ,，短路噪聲≤3μV，多路信號(hào)間有高隔離性[1],。
1.1 導(dǎo)聯(lián)部分
導(dǎo)聯(lián)部分主要由運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成,，它具有高輸入阻抗、低溫漂,、失調(diào)電壓小的特點(diǎn),，用作放大電路的前級(jí)可以提高放大系統(tǒng)的輸入阻抗。同時(shí)OP07 內(nèi)部帶有失調(diào)電壓調(diào)零電路,，可以通過調(diào)節(jié)使放大電路的基線為零電位,。圖2是心電信號(hào)導(dǎo)聯(lián)I的輸入電路，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器Rw,，可以使得兩個(gè)導(dǎo)聯(lián)電路的輸入電阻平衡,，提高放大電路的共模抑制比。
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1.2 開關(guān)部分
開關(guān)部分選用兩片16選1的多路開關(guān)Max336,，其導(dǎo)通電阻小,，各通道間具有高隔離度，由4位地址信號(hào)選擇導(dǎo)通的輸入信號(hào),。前端開關(guān)由兩片Max336構(gòu)成,，輪流切換輸入的心電信號(hào)，開關(guān)的切換頻率是24kHz,。后端開關(guān)則將放大后的信號(hào)還原成16路信號(hào),，前后開關(guān)的地址信號(hào)一致，工作在同步方式下,，保證同一時(shí)刻對(duì)某一路信號(hào)的放大與還原,。
16路開關(guān)的地址信號(hào)由時(shí)鐘電路提供,，NE555芯片構(gòu)成24kHz的振蕩器，然后通過16進(jìn)制的計(jì)數(shù)器74LS161循環(huán)計(jì)數(shù),，計(jì)數(shù)值連到Max336的地址輸入端,。
1.3 放大部分
放大電路由AD620構(gòu)成，AD620內(nèi)部的核心是三運(yùn)放電路,，有較高的共模抑制比CMRR,，溫度穩(wěn)定性好，放大頻帶寬,，噪聲系數(shù)小,。AD620只要外接一個(gè)電阻就可以設(shè)置1～3000范圍的增益，而且調(diào)節(jié)方便,。放大電路如圖3所示,。
1.4 濾波部分
后端開關(guān)還原后的信號(hào)是高頻且離散的，通過低通濾波器即可恢復(fù)成連續(xù)的放大信號(hào),，低通濾波器的截止頻率是1kHz,。在HRV信號(hào)的輸出端再加上整形電路，對(duì)I導(dǎo)聯(lián)的信號(hào)進(jìn)行微分整形等處理,，即可得到用于HRV采樣分析的信號(hào),。
2 采樣存儲(chǔ)
采樣存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其內(nèi)部電路包括四個(gè)主要的功能塊:12位A/D轉(zhuǎn)換模塊,，控制處理模塊(80C32),，存儲(chǔ)模塊及與微機(jī)的串行接口通訊模塊。
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2.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊
選用2片Maxim的MAX197作為16路信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器,。MAX197是8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器,，采用12位分辨率可以進(jìn)行高頻心電圖[1]的分析研究。該元件使用單一+5V供電,，內(nèi)部有4.096V的參考電壓,，輸入范圍±10V，±5V,，+5V，+10V可選,，采樣速率可達(dá)100ksps,，使用簡(jiǎn)單靈活。而且它有8+4的并行接口,，方便與單片機(jī)相連,。經(jīng)過放大并且濾波后的16路信號(hào)分別接到2片MAX197的16個(gè)輸入通道分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。
2.2 控制處理模塊
控制處理系統(tǒng)的核心以Intel公司的單片機(jī)[3]80C32以及外接程序存儲(chǔ)器8K的EPROM組成,。它可靠性好,，功能強(qiáng),。片內(nèi)有256個(gè)字節(jié)的RAM，方便數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)及壓縮計(jì)算,。在軟件中,，利用2個(gè)16位的定時(shí)器，先進(jìn)行12道常規(guī)導(dǎo)聯(lián)的同步采樣,，然后是3道正交導(dǎo)聯(lián)的同步采樣,，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)540個(gè)RR期間的計(jì)算與存儲(chǔ)(下文中分別用A，B,，C段采樣表示),。
2.3 存儲(chǔ)模塊
存儲(chǔ)模塊由兩片AMD公司的512K字節(jié)的FLASH閃爍存儲(chǔ)器AM29F040組成，每片內(nèi)部都由8個(gè)64K字節(jié)的區(qū)段組成,，任一區(qū)段可擦除或保護(hù),。兩片總?cè)萘繛?M字節(jié)，需20根地址線對(duì)其進(jìn)行尋址,，采用單片機(jī)的I/O口進(jìn)行高位地址的擴(kuò)展,。模塊之間電氣結(jié)構(gòu)獨(dú)立，通過譯碼器構(gòu)成片選,。采用閃存,，不但存儲(chǔ)容量大，而且可以降低功耗,。
2.4 數(shù)據(jù)串行通訊
MAX233是+5V供電的RS232收發(fā)器,，實(shí)現(xiàn)用戶板與微機(jī)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)串行通訊。它無需外接電容,，節(jié)省空間,。其一端連接單片機(jī)的RXD、TXD,，另一端通過9針連接器與微機(jī)串行口相接,。把在病人床邊采集的數(shù)據(jù)拿回分析室，與微機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊后,，在微機(jī)上按照壓縮的格式進(jìn)行反壓縮形成原始數(shù)據(jù),。這些數(shù)據(jù)便是日后用來進(jìn)行分析診斷的基礎(chǔ)。
2.5 軟件編程
單片機(jī)的控制軟件[4]主要包括分時(shí)采樣,、數(shù)據(jù)壓縮以及對(duì)閃爍存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)控制,。其中，分時(shí)采樣放在前臺(tái),，通過定時(shí)控制各段采集的時(shí)間長(zhǎng)度,。數(shù)據(jù)壓縮及存儲(chǔ)控制放在后臺(tái)，采用中斷完成。定時(shí)器0用于以1kHz頻率定時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,，定時(shí)器1用于控制分段采樣,，由于定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)要配合軟件計(jì)數(shù)器CONT一起使用。流程圖見圖5,。
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關(guān)于ECG心電數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)壓縮,，我們采用的是一種算法簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度較快的“偽壓縮算法”,?？紤]到心電信號(hào)頻率較低，相鄰兩點(diǎn)之間的差值不大,，我們只存儲(chǔ)兩點(diǎn)間的幅度差,，就可以很方便地減少存儲(chǔ)器的開銷。假設(shè)采集的數(shù)字信號(hào)序列為an(n=0～∞),，對(duì)其進(jìn)行一次差分處理:
b0=a0,；bn=an-an-1(n=1～∞)
存入存儲(chǔ)芯片的是序列bn，它的值用一個(gè)字節(jié)就可以表示,，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)壓縮,。在數(shù)據(jù)與微機(jī)通訊后，通過“反壓縮”,，便可恢復(fù)原始數(shù)據(jù),。
本系統(tǒng)主要完成的是對(duì)多路心電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，通過多路開關(guān)及高容量的閃存,，簡(jiǎn)化了放大電路的重復(fù)部件,，大大縮小了體積(放大板25cm×15cm，采樣存儲(chǔ)板15cm×8cm),，從而實(shí)現(xiàn)了床邊數(shù)據(jù)采集的功能,。所采集數(shù)據(jù)的格式(指恢復(fù)后的原始數(shù)據(jù))均為1kHz采樣頻率，12位分辨率,，它與本實(shí)驗(yàn)室自行開發(fā)的心電工作站(用于心電波形分析診斷的軟件)能配套使用,。
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參考文獻(xiàn)
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