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【学术论文】手持式快速心电检测仪设计

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0 引 言

随着电子科学技术的发展,便携式心电设备已经打破医用的传统理念,逐步从医院走向家庭。近年来,一些医疗器械研发机构投入了大量的资源进行家用心电设备的开发,以满足健康人群和心脏病患者对非医疗环境保健、护理和监护的需求。现有的家用心电设备,按照信号获取的方式,可以分为导联线连接测试法和直接接触测试法[1-3]。导联线连接测试法大多采用一次性凝胶型心电电极片进行信号采集,通常需要至少3根导联线将电极片与心电设备相连。这种方法一方面增加了用户的操作难度和使用成本,另一方面也容易引起皮肤过敏等症状,不适合于心脏病患者临时快速检测或健康人群日常随时随地的检测。直接接触测试法是利用无膏干性电极与皮肤直接接触采集心电信号,不仅可以节约使用成本,而且应用方便,节省时间,特别是对皮肤无刺激,使用更加安全。

  随着干性电极工艺和技术上的进步以及成本的降低,目前市场上出现了较多的直接接触式快速心电检测仪器,如欧姆龙的HCG-801、邦普的EF1800、益

体康的HC-201等。这些产品体积小、方便携带,通过直接皮肤接触可快速进行心电信号检测。但是由于直接接触测试法比导联线连接测试法受到的干扰要大

得多,导致这些产品的心电信号带宽较窄。本文采用低倍数放大、高分辨率模数转换和数字滤波等技术,设计了一种手持式心电检测仪,用于心率和心电图快速检测,心电信号带宽0.05 Hz~150 Hz可调,可满足日常健康保健和心脏病初步诊断的要求。


1 方法

1.1 导联/电极的选择

理论上,体表的任何两个部位都可以作为电极接触点记录到心脏的电活动。但是在实际应用中,为了获得便于医生进行比较分析的心电图,对电极的位置以及导联线与放大器的连接方式都有严格统一的规定,这种电极位置及导联连接方式称为心电图的导联系统[4]。目前,临床上广泛应用的是标准12导联系统,分别为标准I、标准II、标准III、加压导联avR、avL、avF以及胸导联V1-V6。其中,标准Ⅰ导联是左上肢电极连接放大器的正极,右上肢电极连接放大器的负极,我们可以采用两片可重复使用的干性金属作为电极,对左手食指(+)和右手食指(-)进行心电快速检测,如图1所示。


同理,采用此类的干性金属电极也可以进行Ⅱ、Ⅲ导联以及V1~V6等胸导联心电图的快速检测。


1.2 放大与模数转换

传统的心电采集前端模拟放大器多采用交流耦合的方式,主要使用仪表放大器集成电路(Integrated Circuit Instrumentation Amplifier,ICIA)芯片[5]或专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)芯片[6]来实现。不管是采用ICIA芯片还是ASIC芯片,多级模拟电路如前置放大、高通滤波、低通滤波、后置放大、50/60 Hz陷波等环节的使用导致系统内部噪声较大;同时过高的放大倍数使得放大器的输入信号动态范围(Input Signal Dynamic Range,ISDR)过小,在记录干扰比较大的直接接触得到的心电信号时,放大器容易饱和。本文采用低倍数的放大器[7]和高分辨率的模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)来解决这些问题。

心电信号的幅值一般不超过5 mV,但是直接皮肤接触式测量容易产生较大的极化电压,最高可达300 mV。如果选用的ADC的参考电压为2.5 V,则当放大器的增益设置为8倍时,系统才不会因为干扰过大而饱和。低放大倍数放大器的使用,还必须配合高分辨率的ADC提高测量精度。根据以上条件,本文选用TI(Texas Instruments)公司的ADS1255。ADS1255是一款24位的ΔΣ型ADC,内置输入缓冲器、低噪声可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier, PGA),共模抑制比可达110 dB。当数据采样率为500 SPS、PGA=8时,可提供20.9位有效分辨率,可以实现mV量级的分辨能力,完全能满足测量要求。


1.3 心电信号预处理

心电信号比较微弱,在记录过程中极易受到各种干扰的影响,如工频干扰、呼吸干扰、肌电干扰、电极极化噪声和电极接触噪声等,因此对记录的心电信号进行预处理是十分必要的。传统的心电信号记录在模数转换之前必须进行滤波预处理。由于采用低放大倍数放大器和高分辨率ADC,系统具有很高的ISDR,因此滤波可以放在ADC之后采用纯数字滤波器实现。考虑到应用于嵌入式设备,本文选用IIR滤波器。直接接触获取的心电信号的噪声,远大于传统采用凝胶型电极的导联模式。图2为采集的指端I导联心电信号,经过0.05 Hz~75 Hz的切比雪夫4阶滤波后,可以看出心电信号中还含有较大的干扰。这些干扰信号的频率与心电信号的频率存在着重叠,因此仅仅采用数字滤波的方法还无法将其消除,需进行进一步处理。


1.4 心电波形识别与提取

本文采用模版相似度峰值方法[ 8 ]进行心电P-QRS-T波形的识别,即将预先设定的P-QRS-T波形作为模版,对时间连续的每一个采样点数据及其邻近的不大于P-QRS-T时段的数据时段进行相似度计算。模板相似度P定义为:


式中Y为预设模板;X为心电记录数据或者其函数,N为P-QRS-T波形数据时段长度,t为心电数据记录时间并且不小于N。根据上述方法对记录的心电P-QRS-T波形的时间进行锁时,并对P-QRS-T波形时段的每一个数据进行锁时和空间叠加平均运算,以此消除随机噪声等干扰。图3为在PC机上模拟运行的结果。


1.5 系统的实现

  硬件系统结构框图和心电信号处理流程分别如图4和图5所示。

干性电极通过直接与皮肤接触采集人体体表心电信号,心电信号经过阻抗匹配和放大后送至高速24位ADC进行模数转换,得到的数字信号由微处理器(Micro Control Unit,MCU)先进行数字滤波预处理,然后完成心电P-QRS-T波形的识别和提取,结果在OLED屏幕上显示。

为了保证运算速度,微处理器选用微芯公司的PIC32MX4XXL。PIC32MX是32位高性能单片机,采用改进的哈佛构架,具有体积小、功耗低、功能强和速度快等优点。


2 结果

按照上述原理,开发了快速心电检测仪,如图6所示。通过干性金属电极直接接触右手食指和左手食指进行Ⅰ导联心电快速检测,图6显示了12 s心电图的提取波形和心率值。其他导联,如Ⅱ、Ⅲ、V1~V6等导联心电图,可保持放大器的负极接触部位不变,通过改变放大器的正极接触部位获得。


3 结论

本文采用低倍数放大、高分辨率模数转换和实时数字滤波等技术设计了一种手持式心电检测仪。利用干性电极直接皮肤接触即可完成心率和心电图的快速检测。该设备体积小、携带方便,操作简单,可用于心动过速、心动过缓、早搏、二联律、三联律、阵发性心动过速、漏博等心脏疾病的初步诊断。但是由于

心脏病患者缺乏心电图学相关的知识,对此类异常心电的自动诊断功能还需要进一步完善。

  

参考文献

[1] Yan L, Yoo HJ. A low-power portable ECG touch sensor with two dry metal contact electrodes[J]. J Semicond Tech Sci, 2010, 10(4): 300-308.

[2] Gómez-Clapers J, Casanella R. A fast and easy-to-use ECG acquisition and heart rate monitoring system using a wireless steering wheel[J]. IEEE Sens J, 2012, 12(3): 610-616.

[3] 李肃义, 杨美玲, 丁梅, 等. 动态心电采集记录系统的发展与展望 [J]. 生物医学工程学杂志, 2012, 29(1): 175-179.

[4] 黄岚, 宋凌鲲. 现代心电图学[M]. 北京: 化学工业出版社, 2011. 

[5] Nemati E, Deen MJ, and Mondal T. A wireless wearable ECG sensor for long-term applications[J]. IEEE Commun Mag, 2012, 50(1):36-43.

[6] Liu X, Zheng YJ, Phyu MW, et al. An ultra-low power ECG acquisition and monitoring ASIC system for WBAN applications[J]. IEEE J Emerg Sel Top Circ Syst, 2012, 2(1): 60-69.

[7] Tsau Y, Jiang XL, Yu Y, et al. A new approach to the diagnostic quality ambulatory ECG recordings[A]. P IEEE ICIA[C]. Shenzhen: IEEE Press, 2011: 85-90.

[8] 曹阳. 心电信号分析处理装置[ P ] . 中国实用新型专利: ZL200920133896.5.


原文:中国医疗器械杂志, 2013, 37(2): 109-111.


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