基于ARM7的远程心电监护终端设计与实现

1、 南京理工大学硕士学位论文基于arm7的远程心电监护终端设计与实现姓名:汪明申请学位级别:硕士专业:控制理论与控制工程指导教师:薄煜明20090608硕士论文 基于的远程心电监护终端设计与实现摘 要心脏类疾病具有突发性和高危险性,为了及时发现病情,需要对心脏类疾病患者进行有效监护。目前国内的心电监护倾向于在医院进行实时监护,这种监护手段价格昂贵,普通患者难以负担,同时也限制了病人的活动范围。基于目前心电监护在国内外的研究现状,本文提出了一种远程心电监护的实施方案。它以嵌入式技术为基础,结合的技术,通过对病人进行心电监护和定位跟踪,把病人的异常心电信号和位置信息通过网络远程传输到医院监护中心,从

2、而为抢救病人赢得了宝贵的时间。本文介绍了心电监护终端的相关技术及总体设计方案,并详细介绍了心电监护终端的软硬件设计。监护终端的硬件用系列作为嵌入式微控制器,外围扩展了心电信号采集电路、导联切换电路、数据存储电路、并结合了定位及远程通信模块。监护终端工作时,从人体采集心电信号并进行心率异常分析,如果检测病人心率异常则通过进行定位,把病人的心电数据及位置信息通过网络发送到医院监护中心,同时存储心电数据,实现对病人随时随地的心电监护。本文最后对监护终端的整体性能进行了调试与测试。该终端能准确采集不同导联的心电信号,并能对心电信号进行有效地数字滤波及复波识别,初步达到了预期的目的。关键词:远程心电监护

3、,复波。, . 。, , ., . ,. ., , ? . ,】. ,?铆., . .: ,声 明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名:刃年莎月扣日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容,可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文,按保密的

4、有关规定和程序处理。研究生签名:硕士论文 基于的远程心电监护终端设计与实现绪论.课题研究背景及意义心脏类疾病是一类常见的多发慢性疾病,由于病情隐蔽、发展缓慢、发病危险性高、成为威胁人类生命的主要疾病之一,尤其对中老年患者的危害性很大。因此,及时发现心电异常并采取有效治疗是预防心脏类疾病突发的重要方法之一。但是要预防心脏类疾病突发,必须对患者进行长期的跟踪治疗,并实时监护。随着科学技术的发展,心电图成为人们检测心脏类疾病的重要方法之一。心电图是心脏生理功能的直观体现,许多心脏生理功能失常可以从心电图波形的改变中反映出来。心电图对分析和鉴别各种心率失常、判断心脏药物治疗或其它疾病的药物治疗对心脏功

5、能的影响、指导心脏手术的进行等方面发挥着非常重要的作用【】。为了观察心电图,现阶段国内的主要方法是患者去医院进行检测。然而这种检测手段价格昂贵,普通患者难以承担,并且医院的心电图设备体积庞大,携带不方便,这样患者的活动范围受到了很大的限制。患者一旦出院,就因为没有心电图设备而失去有效的检测。目前市场上出现了多种便捷化的监护系统,如心电系统,解决了患者只能去医院进行检测的问题。但是该系统只是记录病人小时的心电图,没有自动诊断功能,为了让医生进行分析,患者还必须把记录的心电图送到医院。同时该系统不能携带,不能实现随时随地检测,更没有数据传输的功能。针对目前心电检测设备存在的一些问题,本文提出了一种

6、适用家庭监护,同时也适用户外监护的便捷式无线远程心电监护终端。该终端解决了不能携带、不能自动诊断、不能远程传输等问题,同时还增加对病人进行定位跟踪的功能。这样医院在病人发病时就能更快地得到病人的位置信息,为抢救病人赢得了宝贵的时间。.国内外远程心电监护的现状及发展趋势国内外很多医疗公司或单位都已经研制出多种远程心电监护设备。目前远程心电监护设备主要有三种:心电机系统、心电系统和心电实时监护系统。心电机系统:心电机系统的监护端由心电图监护记录单元和通信单元组成。监护记录单元监护患者的心电情况,当发现心电异常或患者感到身体不适时可以按下按钮记录一定时间的心电图,然后将监护记录单元放在通信单元上,将

7、记录的心电图通过接口转换经电话线送往医院【】。该监护端体积小,记录单元类似于机大小,但其缺点是实时性差,而且信息量有限。硕士论文绪论心电系统:该系统由心电磁带记录器和心电磁带回放仪两部分构成,是一种对心脏病患者进行小时心电信号监测与记录的仪器。心电磁带记录器记录患者的心电数据,然后将记录器带回医院,由医院专用的心电磁带回放仪进行回放,并进行诊断【】。虽然该系统能小时记录病人的心电图,并且不用在医院进行监护,但是该系统不具备自诊断性,不能对采集到的心电数据进行分析,同时该系统不具备传输数据的功能,不能对采集到的心电数据进行远距离传输。心电实时监护系统:心电实时监护系统也是一种心电远程监护设备,一

8、般由一个便捷式心电检测仪和一台智能心电实时监护仪器构成。检测仪检测患者心电信号,然后以无线方式发送心电图给监护仪,监护仪接受心电图并实时处理心电图,当发现异常心电图时自动拨号通过调制解调器实时送往医院【】。该系统具有心电信号实时检测功能,但患者不能随身携带,不具备移动性,应用范围受到了很大的限制。随着因特网和移动通信网等现代通信技术的不断普及和发展,远程心电监护系统正沿着因特网或无线通信等方向快速发展。基于因特网或无线通信的远程心电监护系统一般由心电监护终端.、互联网或无线网络以及医院监护中心的服务器三个部分组成。监护终端采集到心电信号,通过互联网或无线网络将需要的数据远程传输到医院监护中心,

9、医院监护中心根据接收到的结果决定治疗方案。近几年嵌入式技术的飞速发展,使监护终端已经开始采用先进的嵌入式微处理器或微控制器对心电信号进行处理,同时监护终端融合复杂的数字信号处理算法,使心电信号的处理速度、能力、精度以及抗干扰能力得到显著提高。随着移动通信网提出了新的移动定位功能,将位置服务结合到监护终端上,使心电监护终端迅速获得病人的位置信息,缩短了抢救病人的时间。目前远程心电监护还未在国内普及,但随着现代通信技术以及嵌入式技术的飞速发展,融合这些技术将会让心电监护的功能更加完善,同时也会让普通患者有能力去购买。因此,基于因特网和移动通信网的心电监护系统将会让远程心电监护得到更加广泛地推广和应

10、用。.远程心电监护实施方案本文提出了一种基于的远程心电监护的实施方案。该方案利用技术对病人进行定位,并利用网络与医院监护中心进行远程通信。整个系统是由心电监护终端、卫星、基站、网络、因特网以及医院监护中心服务器几个部分组成,如图.所示。基于的远程心电监护终端设计与实现硕士论文厂一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一,图.基于的远程心电监护系统示意图心电监护终端由微控制器、电源电路、心电采集电路、导联切换电路、数据存储电路、定位及无线传输电路等部分组成,具有心电信号采集、心率异常分析、心电数据存储、对病人进行定位和远程数据传输等功能。卫星和基站实现定位。该定位方式特点是精度高、灵敏度高

11、、室内室外都可以进行准确定位。克服了传统只能在室外进行定位的缺点,在远程心电监护中利用该技术可以更好的实现家庭和户外心电监护。医院监护中心服务器通过移动通信接入设备接收到心电数据和位置信息,医生在机上分析病人的心电信号,如果需要及时治疗或抢救就按照接收到的位置信息前往指定地点进行诊治。.论文的主要工作本文的主要工作是设计远程心电监护系统中的心电监护终端部分。远程定位通信及医院监护中心服务器由本课题组的其他同学完成,在此不做详述。监护终端分为信号采集部分和信号分析部分,信号采集部分从人体采集心电信号、送到微控制器进行数据处理、分析。该终端具有实时检钡分析信号能力。同时还具有体积小、操作简单、携带

12、方便等特点。论文的具体工作如下:终端模拟电路的设计设计了可以实时采集人体心电信号的模拟电路,包括输入缓冲电路、导联选择电路、放大电路、右腿驱动电路、滤波电路以及电平抬升电路。终端数字电路的设计采用位微处理器作为终端的微控制器,设计了基于的心电监护硬件平台,包括微控制器单元电路、电源管理电路、/转换电路、数据存储绪论硕士论文电路以及和通信模块进行数据通信的接口电路。终端软件的设计编写了终端底层软件,包括对心电信号采样、设计数字滤波器进一步滤除干扰、编写复波检测算法检测波、心率异常分析、按键处理、卡驱动及串口通信程序。终端性能的测试对心电监护终端的性能进行了测试,包括信号采集部分各单元电路的性能测

13、试、复波检测算法的测试。.论文的章节安排本论文的章节安排如下:第一章:绪论。介绍了远程心电监护的背景及意义、远程心电监护的现状以及发展趋势、远程心电监护的实施方案以及本文的主要工作。第二章:远程心电监护系统相关技术及监护终端总体设计。介绍了心电图的基本知识,包括心电波形的特征、导联系统、心电信号的特点和干扰噪声,并介绍了技术及监护终端的总体设计。第三章:心电监护终端硬件设计。详细介绍了终端的硬件设计,包括电源管理电路、模拟电路和数字电路,并简单介绍了通信模块电路的设计。第四章:心电监护终端软件设计。详细介绍了终端底层软件设计,包括按键处理、心电信号预处理、复波检测、常见心率异常分析、卡驱动及串

14、口通信,并简单介绍了定位实现过程。第五章:终端性能测试。对监护终端的的单元电路进行了测试,并采集了不同导联方式的心电图,并对终端的部分软件及算法进行了测试。第六章:总结与展望。总结了心电监护终端所达到的效果,并对其不足的地方进行展望。硕士论文 基于的远程心电监护终端设计与实现远程心电监护相关技术及总体设计远程心电监护终端需要从人体提取出心电信号进行分析。心电信号是一种属于强噪声背景下的低频微弱信号,因此了解心电图产生的机理以及基本特征有助于更方便地采集心电信号,同时了解技术可以更好地规划心电监护终端的整体设计方案。本章将简单介绍一下这两项基本知识,并介绍远程心电监护系统的总体设计及心电监护终端

15、的总体设计方案。.心电图基本知识正常人体内,在每一个心动周期中,心脏各部分兴奋过程中出现的电信号变化的方向、途径、次序和时间都具有一定的规律。这种生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液传导到身体表面,使身体各部分在每一心动周期中也都发生有规律的电变化。把测量电极放置在人体表面适当部位记录出来的心脏电变化曲线即为临床常规心电图,反映了心脏兴奋的产生,传导和恢复过程的电变化【。.心电图的典型波形心电图波形虽然是不规则的,但是具有一定的特征。心电图典型波形如图.所示。 图.心电图典型波形由图中可以看出,典型的心电图信号主要包括以下几个波形【】:波:由心房的激动所产生,前一半主要由右心房产生,后一半主

16、要由左心房产生。正常波的宽度不超过.,最高幅度不超过.。复合波:反映左、右心室的电激动过程。称波群的宽度为的时限,代表全部心室肌激动过程所需的时间,正常人最高不超过.。远程心电监护相关技术及总体设计 硕士论文波:代表心室肌复极化过程的电位变化。在波为主的心电图上,波不应低于波的/。波:位于波之后,可能是反映激动后电位的变化,人们对它的认识仍在探讨之中。同时心电波形可以分为以下几个典型期间和典型段【】:.段:从波终点至波群起点。同样,这一段正常人也是接近于基线的。.间期:从波起点到波群起点的相隔时间,代表从心房开始兴奋到心室开始兴奋的时间,即兴奋通过心房、房室结和房室束的传导时间。这一期间随着年

17、龄的增长而有加长的趋势。期间:从波开始至波终了的时间间隔。代表两侧心室肌包括心室间隔肌的电激动过程。.段:从复合波的终点到波起点的一段,代表心室肌复极化缓慢进行的阶段。正常人的.段是接近基线的,与基线间的距离一般不超过.。.间期:从波开始到波结束的时间,代表心室去极化和复极化总共经历的时间,一般小于.,受心率影响较大【】。.心电图导联在人体体表记录心电图时,必须解决两个问题:一是电极的放置位置,二是电极与放大器的连接形式。在心电图的专业术语中,将记录心电图时电极在人体体表的放置位置以及电极与放大器的连接方式成为心电图的导联。目前广泛应用的是国际标准十二导联体系,分别记为、。、导联为双极导联,、

18、为单极导联。下面详细介绍国际标准十二导联体系的具体连接方式。在国际标准十二导联体系中,需在人体放置个电极,分别位于左臂,右臂,左腿,右及胸部个电极。在记录心电图时,右腿电极一般为参考电极,其余个电极作为心电电极【】。标准导联】标准、导联由于年发明,又称为标准肢体导联,简称标准导联。它是以两肢体间的电位差做为所获取的体表心电。三种标准导联的连接方式如图.所示。硕士论文 基于的远程心电监护终端设计与实现拧暇 静鼹喇铮联.图.标准导联、图中为放大器,为右腿驱动电路。电极安放位置以及与放大器连接为:导联:放大器正输入端接左上肢,放大器负输入端接右上肢;导联:放大器正输入端接左下肢,放大器负输入端接右上

19、肢;导联:放大器正输入端接左下肢,放大器负输入端接左上肢。标准导联时,右下肢始终接输出端,间接接地。以、分别表示左上肢,右上肢,左下肢的电位值,则,?, .每一瞬间都有:.标准导联的特点是能比较广泛的反映出心脏的大概情况,如后壁心肌梗塞、心律失常等,在导联或导联中可记录到清晰的波形改变。但是,标准导联只能说明两肢间的电位差,不能记录到每个电极处的电位变化。单极肢体导联【】单极理论由威尔逊于年提出,他认为单极导联可以更准确地反映探查电极下局部心肌的电位变化情况,因此提出了单极肢体导联的连接方式。记录单极肢体导联方式的心电图时,将一个电极安放在左臂、右臂或者左腿,成为探查电极,另一个电极放置在零电

20、位点,称为参考电极,探查电极所在部位电位的变化即为心脏局部电位的变化。在实验中发现,当人的皮肤涂上导电膏后,右上肢、左上肢和左下肢之间的平均电阻分别为.,.,如果将这三个肢体连成一点作为参考电极点,在心脏电活动过程中,这一点的电位并非正好为零。首先由威尔逊提出在三个肢体上各串联一只的电阻可在之间选,称为平衡电阻,使三个肢端与心脏间的电阻数值互相接近,因而把它们连接起来获得一个接近零值的电极电位端,称它为中心电端,中心电端电位记为,如图.所示。远程心电监护相关技术及总体设计 硕士论文图. 中心电端的电极连接图这样在每一个心动周期的每瞬间,中心端的电位都为零。将放大器的负输入端接到中心电端,正输入

21、端分别接到左上肢、右上肢、左下肢或记为,便构成单极肢体导联的三种方式,记为瓦、瓦、巧,如图.所示。肌图.加压导联加压导联获得的电压分别记为、.、。设中心电端电位记为,实际为,右上肢的电位值为,左上肢的电位值为,左下肢的电位值为,单极肢体导联分别记为%、圪、珞,则有%一% .硕士论文基于的远程心电监护终端设计与实现%圪/ .%一%,圪圪一%,%咋一% .因为单极肢体导联向量和为零,即%圪% .所以一.%一%二故与珞之间的关系为.口职%一%瓦%一一寺巧%昙瓦同理有气一一.丢圪,詈%由计算结果可知,加压导联所获得的心电波形形状不变,而波形幅度增加%。单极胸导联【】单极胸导联是将探查电极安放在前胸壁上

22、的六个固定位置即在右胸骨边缘第四肋间、在左胸骨边缘第四肋间、在和中间、在锁骨中线与第五肋间的交点、为腋下线前与同水平、在腋下线上与同水平,以表示。如图.所示。图.单极胸导联电极位置.心电信号特点及干扰噪声心电信号是从人体表面提取出来的,一般具有如下特点:微弱性。从人体采集的心电信号电压很低,一般只有.;低频性。从人体采集的心电信号频率很低,一般只有.;高阻抗性。由于人体阻抗较大,所以提取心电信号时具有高阻抗性;不稳定性。人体和外部环境有密切关系,且人体内部各器官也相互影响,因此,人体内部或外部环境的变化会影响心电信号的提取;随机性。人体心电信号反映的是人体机能的信号,是整个人体系统信息的一部远

23、程心电监护相关技术及总体设计 硕士论文分。人体的不均匀性导致了心电信号的随机性。同时由于心电信号非常微弱,频率也比较低,因此容易受到如下干扰和噪声【:由呼吸引起的基线漂移和心电幅值的改变。呼吸引起的基线漂移可以看成是将一个呼吸频率的窦性成分正弦曲线加入到心电信号中。呼吸干扰引起的心电信号幅值变化可以达到%,引起的基线漂移频率约是.;肌电干扰。肌肉伸缩会产生微伏级的电势,其幅值大约是心电波形峰峰值的%,维持时间大约是,频率范围可以在;工频及其各次谐波。无处不在的交流电系统对检测系统会产生干扰,如照明设备、各种电子仪器设备等都是这一类型的干扰源;电极移位干扰。电极移位干扰是由于电极与皮肤间的阻抗随

24、着电极的移动发生了改变,引起源阻抗变化,该阻抗将与放大器输入阻抗分压。同时放大器输入电压依赖于源阻抗,而源阻抗是随电极改变而变化的,所以在这种情况下信号就会发生变异。电极移位干扰的维持时间大约是,幅值可达到心电峰峰值的%;电极接触噪声。电极接触噪声是由于电极和皮肤接触不良或是被测人体和检测系统脱离引起的瞬间干扰,它可以认为是一个随机发生的快速基线改变,这种改变可能只发生一次,产生一个阶跃干扰,也可能快速发生好几次。该噪声信号维持时间大约,幅值可使放大器输出饱和;电子设备产生的高频仪器噪声。外科手术器械的高频电流会完全改变心电信号。它的幅值非常大,如果心电信号的采样频率在之间,他们的频率大约在之

25、间。它的幅值约是心电峰峰值的倍,维持时间为。.技术介绍在移动通信网络中,通常有以下几种定位技术【,刀:基于传统的定位技术。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统,卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息,用户接收到这些信息后,经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息;的定位技术。它由网络侧获取用户当前所在的基站信息以获基于取用户当前位置,其精度取决于移动基站的分布及覆盖范围的大小;是基于的定位技术。独有的技术,在定位操作时,手机/终端同时监听多个基站的导频信息,利用码片时延来确定到附近基站的距离,最后用三角定位法算出具体位置;基于无线网络辅助定位技术的定位技术。将终端的工

26、作简化,由网络侧的定位服务器与终端相互配合完成定位工作,即将卫星扫描及定位运算等最为.繁重的工作从终端一侧转移到网络一侧的定位服务器完成。硕士论文基于的远程心电监护终墙设计与实现基于卸的混合型定位技术。岛是美国高通公司为基于位置业务开发的定位技术,采用/方式。它将无线辅助和高级前向链路三角定位法两种定位技术有机结合,实现高精度、高可用性和较高速度定位。在这两种定位技术均无法使用的环境中,会自动切换到扇区定位方式,确保定位成功率。.工作原理混合定位技术将无线网络辅助定位及三角定位功能嵌入到终端芯片中。首选无线网络辅助定位,在卫星视线被全部或部分阻挡的情况下全部或辅助采用三角定位技术进行辅助定位【

27、】。定位原理示意图如图.所示。圈.定位原理示意图这种无线网络辅助与三角运算的有机结合使两种定位技术在不同定位环境中的优劣势得到互补:在农村或郊外三角定位因无线基站稀少精度较差,而无线网络辅助定位在这些环境中正好充分发挥优势:相反,在地下停车场.高架桥下及商楼大厦林立等区域,无线网络辅助定位较为困难,而在这些区域由于基站分布较为密集,因此三角定位技术的优势得以充分发挥;如果前两种技术定位失败,会自动切换到 扇区定位方式吼.定位方式一有两种定位方式,方式和方式。方式是由终端发起的定位硕士论文远程心电监护相关技术及总体设计方式,方式是由网络侧发起的定位方式,现在分别简单介绍一下这两种方式。方式移动端

28、发起的主动定位方式,定位示意图如图.所示。图.发起的定位过程不慈图其过程如下:移动台向移动定位中心发起定位请求;移动定位中心向用户/内容提供商数据库发送鉴权消息,检查发起定位的用户和相应的移动台是否被授权:用户/内容提供商数据库向移动定位中心返回鉴权结果;移动定位中心向定位实体发送消息,开始定位,启动定时器;移动定位中心向移动台发送定位响应;定位实体与移动台之间消息交互,对移动台的位置进行计算;定位实体向移动定位中心返回定位结果,终止定时器。方式网络侧发起的定位方式,定位示意图如图.所示。图. 发起的定位过程示意图硕士论文 基于的远程心电监护终端设计与实现定位服务客户端向移动定位中心发送指定目

29、标移动台的定位请求;移动定位中心向用户/定位内容提供商数据库发送鉴权消息,对定位服务客户端鉴权;用户/定位内容提供商数据库向移动定位中心返回鉴权结果:移动定位中心向定位实体发送消息,开始定位,启动定时器;移动定位中心通过短信中心向目标移动台发送短消息,要求移动台对查询发起者作授权检查并触发定位进程,启动定时器;目标移动台向移动定位中心发送短消息,同意定位,关闭定时器;定位实体与移动台进行消息交互,对移动台的位置进行计算;定位实体向移动定位中心返回定位结果,关闭定时器;移动定位中心存储定位结果,并在收到移动台的应答短消息,表示用户同意被定位后,向定位服务客户端返回定位结果。.的优点与传统的定位技

30、术比较,有如下优点【】:技术将定位与通信两种技术相结合,室内室外都可以定位,并且在移动定位通信中只需一个模块就能完成定位于无线通信两种功能:定位精度较高,平均室外定位精度为米;定位灵敏度高,在有信号覆盖的情况下都可以定位;终端成本低、耗电少、尺寸小、冷启动速度快。远程心电监护系统总体设计远程心电监护系统的整体功能是监护病人的心率异常情况,如果检测心率异常则通过获取病人位置信息并通过传输到医院监护中心。因此,远程一电监护系统可以从心电监护部分、定位及数据传输部分、监护中心服务器三个部分来设计。系统整体结构如图.所示。图.监护终端总体结构图远程心电监护相关技术及总体设计硕士论文心电监护终端。采集人

31、体心电信号并对信号进行分析;定位及数据传输模块。实现对病人的准确定位和对数据的远程传输,当心电监护终端检测心率异常时就把数据传输到该模块。中心服务器。远程接收心电数据由医生或专家进一步分析决定治疗方案,并对监护终端进行远程控制。.心电监护终端总体设计心电监护终端的功能是从人体采集心电信号,并对心电信号进行数字滤波,从而检测复波来计算心率,如果发现心率异常则通过传输异常心电数据到监护中心,因此,在设计心电监护终端时,需要从心电信号采集及心电信号分析两方面考虑。.心电信号采集方案设计在设计心电信号采集电路时,必须针对心电信号的特点和干扰来进行设计。因此本设计信号采集采取的方案如下:由于心电信号非常

32、的微弱,幅值范围为.,因此,必须设计合理的放大电路。同时为了抑制放大电路的零点漂移,进一步提高共模抑制比,放大电路应该分多级实现。人体采集的心电信号的频率很低,一般频谱范围为.,同时为了抑制基线漂移及高频噪声,需要设计合理的带通滤波电路使心电信号在此频率范围内不失真地检测出来。心电采集过程中无时无刻不受到工频干扰,为了去除心电信号中混有工频干扰,必须设计合理的陷波电路以及右腿驱动电路进行专门去除。心电图有十二种导联方式,为了尽可能采集不同导联的心电信号,有必要设计导联切换电路进行各种导联切换。从人体采集到的心电图有负电压信号,为了能够让单片机进行心电信号处理,还需要设计电平抬升电路,将心电信号

33、抬升到正电压。.心电信号分析方案设计为了能够对心电信号分析,在设计信号分析方案时,有必要从以下几个方面进行考虑设计:采集到准确的心电信号以后,由于模拟电路自身缺陷,信号的干扰不可能完全滤除,因此在分析心电信号之前,有必要设计合理的数字滤波器进行进一步滤除。同时为了实时分析心电信号,数字滤波算法还必须能在微控制器上实时处理。心电波形虽然是不规则波形,但还是有明显的特征,其中最主要的特点是复波突出。因此,如果利用特定算法检测到复波,将有助于分析心电信号以及心硕士论文 基于的远程心电监护终端设计与实现率的计算。当检测到心电异常以后,需要将心电数据传输到通信定位模块。病人的异常心电信号需要医生或专家的

34、进一步诊断,因此有必要存储心电数据便于以后的分析。.心电监护终端的总体设计方案确立通过分析心电监护终端两个方面的设计方案,本文确立了监护终端总体设计方案。如图.所示。厂一一一一一一一一一一一一一一一一一 信号采集部分 抑制基线漂移信号放大 滤除及高频信号彳 彳 彳 彳多级 带通 工频 右腿放大 滤波 陷波 驱动电路 电路 电路 电路?。?。?一图.监护终端总体设计方案图.本章小结本章首先介绍了心电图基本知识,包括心电图典型波形、心电图导联、心电信号特点及干扰噪声。然后简单介绍了技术的工作原理、定位方式及采用技术定位的优势,了解这些知识为设计心电监护终端打下了良好的理论基础。最后重点对监护终端的

35、总体设计进行了详细的介绍,针对心电信号的特点和干扰噪声确立了信号采集电路的设计方案;针对分析心电信号的需求确立了信号分析方案。硕士论文 基于的远程心电监护终端设计与实现心电监护终端硬件设计心电监护终端的硬件是整个终端的基础,硬件设计的好坏直接影响到整个终端能否正常工作。本章将详细介绍监护终端的硬件设计。.硬件总体设计心电监护终端硬件电路按工作类型可分为电源管理电路、模拟电路和数字电路三个部分。电源电路分为模拟电压源和数字电压源,分别给模拟电路和数字电路供电;模拟电路主要实现信号采集功能:数字电路主要实现数据的处理。整个心电监护终端的系统结构如图.所示。图.监护终端系统结构图模拟电路通过一次性心

36、电电极从人体提取到心电信号,这时心电信号中混杂着各种干扰信号。为了滤除这些干扰信号,必须设置合理的抗干扰或去除干扰的电路,同时还要对信号进行合理的放大,使心电信号尽可能不失真地采集到数字电路进行处理。电源电路采用锂电池供电,并设计锂电池充电电路和电源管理电路,实现监护终端硕士论文心电监护终端硬件设计的低功耗,小型化与便捷化。数字电路通过对采集到的心电信号进行进一步地数字滤波,然后对心电信号进行复波识别来计算心率,分析心率是否异常,决定是否进行远程定位与通信,同时存储心电数据。硬件电路的设计指标:低功耗,小型化,便捷化;心电信号放大倍数为倍左右;带通滤波器的带宽为.?左右;陷波器的陷波频率为;能

37、在一定时间内存储病人的心电数据。.电源管理电路心电监护终端是便捷式设备,具有移动性。当病人在室内监护时,可以采用外部电源供电,而当病人在户外进行监护时,就需要采用锂电池供电。而锂电池电量有限,如果对锂电池不进行有效地管理,终端工作的时间就不会太久。因此本论文设计了电源管理电路。当某个模块空闲时就将其关闭减少耗电量。监护终端在供电时可以分为两个部分:微控制器和模拟电路在终端工作时就必须供电;需要数据存储时给卡供电。因此本设计在降低终端功耗时采取了以下措施:在有外部电源时采用外部电源供电;当需要存储数据时才启动卡。微控制器需要.数字电压,卡要.数字电压,模拟电路运算放大器正电源需要.模拟电压,负电

38、源需要.模拟电压。整个系统的电源管理结构如图.所示。图.电源管理结构图硕士论文 基于的远程心电监护终端设计与实现.锂电池充电管理电路采用锂电池供电虽然便捷,但是在电量不足的情况下需要对电池充电,为此本论文设计了锂电池充电管理电路,采用可以对单节锂电池进行恒压/恒流充电的线性充电芯片.。该芯片有如下特点【:可以用或交流适配器对单节锂离子或者锂聚合物可充电电池进行充电;为了减小功耗,在电池电压较低时采用小电流的预充电模式;采用恒流/恒压/恒温模式充电,既可以使充电电流最大化,又可以防止芯片过热;输出电压.,精度可达%,且用户可编程的持续恒流充电电流可达。本终端设计的锂电池充电电路如图.所示。图.锂

39、电池充电电路图当输入电压大于电源低电压监测阈值或芯片使能端接高电平时,开始对电池充电,引脚输出低电平,指示灯发光,表示充电正在进行。如果电池电压低于,芯片利用小电流对电池预充电;电池电压超过时,芯片采用恒流模式对电池充电。充电电流大小由管脚和之间的编程电阻确定。当电池电压接近电池端调制电压时,充电电流减小,进入恒压充电模式;当充电电流减小到充电结束阈值时充电结束,引脚输出高阻态。如果将接低电平,充电将被禁止【】。.数字电源和模拟电源电路.电源电路采用.芯片,本文由于用到/转换,需要给提供模拟电源和地。为了降低噪声和出错机率,模拟电源和数字电源用的电感进行隔离【】。电路如图.如示。.图. .供电

40、电路心电监护终端硬件设计 硕士论文.负电源电路本设计模拟电路所采用的运算放大器都是采用双电源供电,因此需要负电源电压。本设计为了提供.电压,采用的是变极性.变换器芯片。该芯片通过.变换器可以将正电压输入变为负电压输出。这种变换器利用振荡器和多路模拟开关实现电压极性的转换,因而静态电流小、转换效率高、外围电路简单,另外还具有如下特点:工作电压范围宽.,温度范围为.。;空载时没有内部压降,转换效率达.%,接负载后可向负载提供的电流,其转换效率为%典型值;外围电路简单,只需外接两个电容即可工作,并可采用串联方式实现倍压输出;当电源电压小于.时,能承受持续短路。.电源电路如图.所示。图.供电电路该电路

41、只需外接两个电容、即可将。转换到.。.卡供电电路卡的.电源采用.芯片,选用该芯片的优点是该芯片有充电使能端,当需要卡存储数据时,输出高电平使能该芯片,芯片为卡供电;在不需要数据存储的情况下输出低电平禁用该芯片,从而降低整个系统的功耗。电路如图.所示。图. 卡供电电路硕士论文 基于的远程心电监护终端设计与实现.模拟电路硬件设计模拟电路主要功能是采集心电信号并去除信号的干扰,主要包括电极采集、输入缓冲、导联选择、前置放大、右腿驱动、高通滤波、低通滤波、陷波、后级放大以及电平抬升电路。模拟电路的结构功能如图 .所示。皇坚竺兰竺“图 模拟电路结构功能蹦.电极与导联线电极是用来提取心电信号的金属导体,其

42、阻抗、极化特性、稳定性等对测量的精确度影响很大。常用的生物心电电极有体表电极、传导型电极、静电耦台型电极和体内电极?。本设计采用的是上海申风公司生产的一次性传导型电极。采集一电信号时,需要传输信号的导线即导联线。导联线是一条五苗或多芯的带金属屏蔽网的绞合线。因为心电信号为微弱信号,在传输的过程中,外界的噪声干扰对信号会产生特别大的影响,采用带屏蔽网的绞合线可以有效地滤除部分干扰。本设计采用的是五芯的导联线。该导联线四支接到肢体电极,一支接到胸部电极。电极和导联线实物如图 所示。图 一次性心电电极和导联线.输入缓冲电路电极从体表采集心电信号,经导联线传到输入缓冲电路,该输入缓冲电路为电压跟】硕士

43、论文心电监护终端硬件设计随器。该电路的特点是输入阻抗很高,而输出阻抗很低,便于和后级放大器匹配。该电路的作用是将人体与前端放大电路隔离、提高输入阻抗、稳定输入信号、提高实际的共模抑制比、充分发挥的性能。电路如图.所示。图.输入缓冲电路电路中电阻的作用是能与人体阻抗匹配,人体阻抗大小在以上,取。本设计除了放大电路和陷波电路,所有的运放芯片采用的是公司的】,该芯片具有高精度、高共模抑制比、低噪声、低功耗、低偏移电压、低输入偏置电流等特点,适合用在医疗设备的产品设计中。.导联选择电路输入缓冲电路的输出信号经导联选择电路进行导联选择。导联选择电路由威尔逊网络和多路开关集成电路构成。威尔逊网络是用个电阻

44、组成的平衡电阻网络【】,如图.所示。个电阻组成三角形,如图中电阻、。个电阻组成星形,如图中电阻、。顶点、通过输入缓冲电、路分别与左臂、右臂、和左腿电极相连,顶点、?为加压肢体导联的相应参考点,中心为威尔逊网络中心端,均连接到多路开关集成电路的输入端。中心端的电位与人体电偶中心点的电位相等,均可视为零电位。图.威尔逊网络多路开关集成电路的作用是通过微控制器对、三个引脚输出高低电平,使得到不同的真值,对输入信号进行选择,从而进行导联切换。、引脚的硕士论文 基于的远程心电监护终端设计与实现巧.一一啪薹姗一?眦心一舶融配鹳科黔珏新?一一一一一一一图.多路开关集成电路导联切换信号与输出信号的关系表如表.

45、所示。表.导联切换信号与输出信号关系表导联切换信号正极输入信号 负极输入信号 输出信号导联方式一导联二导联三导联 矿足 呢, 胸导联,由威尔逊网络和多路开关集成电路构成的导联选择电路,既可减小均压电阻对心电信号的衰减,又不影响放大器的输入阻抗。.前置放大电路心电信号经过导联选择电路以后开始进行放大。由于人体的心电信号幅值小、频率低、不稳定、随机性强、易受干扰,且通过心电电极提取时,信号源的阻抗因人而异,提取的心电信号中还存在较强的共模干扰信号。因此,在选择放大器时,必须从增益、频率响应、输入阻抗、共模抑制比、噪声和漂移等几个方面综合考剧】:增益心电信号特点之一是非常的微弱,幅值范围为.,一般电

46、路的设计要求是硕士论文心电监护终端硬件设计心电信号在正常输入即输入为时,输出电平达到左右,能被单片机处理,所以心电放大器的总放大倍数应在倍左右。同时在设计时为抑制电路的零点漂移,进一步提高共模抑制比,要求放大电路应该分多级实现。频率响应人体心电信号的频谱范围为.,故要求心电运算放大器在此频率范围内必须不失真地放大所检测的心电信号。共模抑制比共模抑制比是衡量心电放大器对共模干扰抑制能力的一个重要指标,也是克服温度漂移影响的重要因素。为了防止心电信号的输出淹没在工频、电极极化和其他的共模干扰电压之下,一般要求放大器的共模抑制比应达到以上。输入阻抗由于心电信号具有高阻抗的特性,而心电信号是非常微弱的

47、,如果心电放大器的输入阻抗不高,那么经过分压之后,心电放大器输入端的信号就非常微弱了,心电信号损失严重。通常心电信号源阻抗为,放大器的输入阻抗应该比信号源阻抗高两个数量级才能不失真地引出心电信号,一般要求放大器的输入阻抗为.或。低噪声、低漂移心电放大器工作过程中的噪声主要表现为电子线路的固有热噪声和散粒噪声。为了获得一定信噪比的输出信号,对放大器的低噪声性能有严格的要求。另外,温度变化会造成零点漂移,心电放大器基线漂移本质是由于心电放大器的输入端引入了直流电压增益的缘故。电极和皮肤间接触电阻、电极本身电阻的变化和电极电位的改变都会增大基线漂移。因此,放大器应选用低噪声、低漂移、高输入阻抗并具有

48、高共模抑制比的集成运放电路。综合上述原因,本终端设计选用了公司的仪表放大器作为心电信号放大器的核心器件。为一个低成本、高精度的单片仪器放大器。它的主要特性有】:增益范围为之间,只需一个外部电阻就可以实现放大;输入偏移电压最大为,输入偏置电流最大为;低功耗,最大电流仅.;低噪声,输入电压噪声为/;高共模抑制比,增益时共模抑制比达到;高输入阻抗,阻抗达到。的增益公式如下:. 一:丁.心这样通过增益公式可以确定外部放大电阻的大小:.”一如:筹?为了防止放大器工作在饱和区或截止区,前置放大器增益不能过大,一般增益为硕士论文 基于的远程心电监护终端设计与实现左右,本设计的前置放大增益为左右。由式.计算放

49、大电阻为.。前置放大电路如图.所示。图.前置放大电路的号引脚为输入信号的正极性端,号引脚为输入信号的负极性端,电容、的作用可以滤除输入信号的高频信号,、号引脚接入电阻就可以实现信号的放大,号引脚输出放大以后的信号。为右腿驱动电路的输入端,用来降低共模电压。.右腿驱动电路去除人体携带的交流共模干扰的一种有效方法是采用右腿驱动电路。该电路的原理是通过从前置放大电路的增益调节电阻处提取反馈信号,并将反馈信号输入到放大器的负端反相放大,并通过限流电阻输出。如果从反馈信号中检测出共模电压,会通过反馈到右腿。人体的位移电流不是流向地,而是流向的输出。而当病人和地之间出现很高电压时,辅助放大器饱和,右腿驱动

50、电路不起作用,等效于接地【】。右腿驱动电路实际上可以看成以人体为相加点的共模电压并联负反馈电压,任何流入人体的位移电流基本等于反馈电阻上的驱动电流。只要放大器的开环增益足够大,那么即使有较大的位移电流流入人体,人体的电位也能基本保持零电位【。本设计采用的右腿驱动电路如图.所示。图.右腿驱动电路心电监护终端硬件设计 硕士论文采用右腿驱动电路,可以有效地抑制干扰。但是由于右腿驱动电路存在交流干扰电压的反馈环路,可能有交流电流流经人体,因此电路中的作用是对人体限流保护,的大小为。.滤波电路由于心电信号来自于人体,信号非常微弱,这样在采集的过程中不可避免地引进一些干扰信号,尤其是的工频信号。这些干扰信号如果不进行处理,将会完全淹没心电信号。因此,设计合理的滤波电路是信号采集成功的关键。本论文的滤波电路设计了高通滤波电路、低通滤波电路以及消除工频干扰的带阻滤波电路。心电信号的频带范围主要集中在.,为了不损失心电信号的高低频成分,论文设计高通滤波器的转折频率为左右,低通滤波器的转折频率为.左右。高通滤波电路高通滤波电路采用的是二阶巴特沃斯有源滤波器,电路如图.所示。图.高通滤波电路图电路中心,放大倍数为。电路的性能指标如下:.:?坐:刍/彳。了;一一转折频率为:?.荔面一再石万丽零蓊孬蒂岙葡品质因数为:一.妒奇言