便携式心电监测仪华中科技大学电工电子实验示范中心

1、 便携式心电监测仪设计报告自动化0902 U200914298 关欣自动化0902 U200914291 柯海良自动化0902 U200914278 张露林2012-6-5摘要：本系统使用ADI公司ADUC7026微处理器，四节5号电池供电，实现了便携式心电图监测。系统分为终断和上位机两部分。终端采用简易心电电极提取心电信号，实现了心电图在12864液晶上的实时显示，并检测实时心跳。同时终端可将心电数据实时存储到SD卡中供上位机读取。上位机采用MFC编写，可通过蓝牙串口实时无线接收中断传输的心电数据，实时显示并得出心跳数和初步诊断结果。另外上位机程序还可存储并回放波形，并能进行初步的日志管理。

2、关键词：心电监测； 便携式； 无线传输； 实时分析 目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc326699809 一、系统设计目标 PAGEREF _Toc326699809 h 4 HYPERLINK l _Toc326699810 1、基本设计目标 PAGEREF _Toc326699810 h 4 HYPERLINK l _Toc326699811 2、发挥与拓展 PAGEREF _Toc326699811 h 4 HYPERLINK l _Toc326699812 二、系统方案设计与论证 PAGEREF _Toc326699812 h 4 HYPERLINK

3、 l _Toc326699813 1、系统方案选择与比较 PAGEREF _Toc326699813 h 4 HYPERLINK l _Toc326699814 心电传感器选择 PAGEREF _Toc326699814 h 4 HYPERLINK l _Toc326699815 1.2 前置放大器选择 PAGEREF _Toc326699815 h 4 HYPERLINK l _Toc326699816 1.3 无线传输模块选择 PAGEREF _Toc326699816 h 4 HYPERLINK l _Toc326699817 1.4 上位机开发环境选择 PAGEREF _Toc3266

4、99817 h 5 HYPERLINK l _Toc326699818 2、系统框图 PAGEREF _Toc326699818 h 5 HYPERLINK l _Toc326699819 三、理论分析计算 PAGEREF _Toc326699819 h 5 HYPERLINK l _Toc326699820 1、数字滤波器选择 PAGEREF _Toc326699820 h 5 HYPERLINK l _Toc326699821 低通滤波器 PAGEREF _Toc326699821 h 5 HYPERLINK l _Toc326699822 高通滤波器 PAGEREF _Toc326699

5、822 h 6 HYPERLINK l _Toc326699823 四、电路设计 PAGEREF _Toc326699823 h 7 HYPERLINK l _Toc326699824 1、信号采集 PAGEREF _Toc326699824 h 7 HYPERLINK l _Toc326699825 2、信号调理 PAGEREF _Toc326699825 h 7 HYPERLINK l _Toc326699826 前置放大 PAGEREF _Toc326699826 h 7 HYPERLINK l _Toc326699827 滤波 PAGEREF _Toc326699827 h 8 HYP

6、ERLINK l _Toc326699828 后级放大 PAGEREF _Toc326699828 h 9 HYPERLINK l _Toc326699829 电平提升 PAGEREF _Toc326699829 h 9 HYPERLINK l _Toc326699830 3、电源供电 PAGEREF _Toc326699830 h 9 HYPERLINK l _Toc326699831 六、微处理器软件设计 PAGEREF _Toc326699831 h 10 HYPERLINK l _Toc326699832 1、ADC模块 PAGEREF _Toc326699832 h 10 HYPER

7、LINK l _Toc326699833 2、SD卡模块 PAGEREF _Toc326699833 h 10 HYPERLINK l _Toc326699834 3、蓝牙模块 PAGEREF _Toc326699834 h 11 HYPERLINK l _Toc326699835 4、数据处理 PAGEREF _Toc326699835 h 11 HYPERLINK l _Toc326699836 软件低通滤波 PAGEREF _Toc326699836 h 11 HYPERLINK l _Toc326699837 软件高通滤波 PAGEREF _Toc326699837 h 12 HYPE

8、RLINK l _Toc326699838 滤波器的软件实现 PAGEREF _Toc326699838 h 12 HYPERLINK l _Toc326699839 计算心跳数 PAGEREF _Toc326699839 h 12 HYPERLINK l _Toc326699840 5、人机交互 PAGEREF _Toc326699840 h 13 HYPERLINK l _Toc326699841 七、上位机软件设计 PAGEREF _Toc326699841 h 14 HYPERLINK l _Toc326699842 1、数据接收与显示。 PAGEREF _Toc326699842 h

9、 14 HYPERLINK l _Toc326699843 2、数据处理 PAGEREF _Toc326699843 h 14 HYPERLINK l _Toc326699844 初步检测R点 PAGEREF _Toc326699844 h 14 HYPERLINK l _Toc326699845 排除漏检与多检 PAGEREF _Toc326699845 h 15 HYPERLINK l _Toc326699846 2.3 找局部最大值确定准确R点位置 PAGEREF _Toc326699846 h 15 HYPERLINK l _Toc326699847 2.4 确定QS点位置 PAGER

10、EF _Toc326699847 h 15 HYPERLINK l _Toc326699848 2.5 心率失常分析 PAGEREF _Toc326699848 h 15 HYPERLINK l _Toc326699849 3、数据存储回放 PAGEREF _Toc326699849 h 16 HYPERLINK l _Toc326699850 4、日志管理 PAGEREF _Toc326699850 h 16 HYPERLINK l _Toc326699851 八、测试方案与测试结果 PAGEREF _Toc326699851 h 17 HYPERLINK l _Toc326699852 1

11、、测试方案 PAGEREF _Toc326699852 h 17 HYPERLINK l _Toc326699853 2、测试仪器 PAGEREF _Toc326699853 h 17 HYPERLINK l _Toc326699854 3、测试结果 PAGEREF _Toc326699854 h 17 HYPERLINK l _Toc326699855 心电波形图 PAGEREF _Toc326699855 h 17 HYPERLINK l _Toc326699856 3.2 PC端波形显示与分析 PAGEREF _Toc326699856 h 18 HYPERLINK l _Toc3266

12、99857 九、收获、体会与建议 PAGEREF _Toc326699857 h 18一、系统设计目标心电图是心脏兴奋的发生、传播及恢复过程的客观指标，是医疗诊断的重要工具，而便携式的心电监测与监控装置是目前医疗电子设备的一个重要分支。本课题将要实现的便携无线心电监控系统以采集、分析、显示人体心电图为目标，整体可以划分为三大模块：心电前端模块、微控制器模块和PC端模块1、基本设计目标（1）心电前端模块采用高共模抑制比的放大电路实现对人体心电电位信号的采集与放大；（2）微控制器模块利用模数转换模块实现对模拟信号的数字化转换，然后将心电波形/心率数值显示在LCD上。如果系统包括PC端，该模块还需要

13、控制与PC的数据通信。2、发挥与拓展PC端模块通过无线通信实现与微控制器模块的信息交互、数据存储及处理，实现对终端设备的监控管理、日志记录以及存储回放功能。二、系统方案设计与论证1、系统方案选择与比较心电传感器选择方案一：采用心电图机专用心电四肢夹方案二：采用简易心电电极（选择）心电图机专用心电四肢夹价格约100元，但可重复使用，整体成本较低。但它体积较大，不便于携带，在便携式心电监测中较少使用。同时简易心电电极虽然是一次性的，但每个只需几毛钱，开销不大且使用方便，所以选择方案二。1.2 前置放大器选择方案一：采用通用运算放大器组合，如NE5532.方案二：采用集成仪用放大器，如AD620。（

14、选择） 通用运算放大器组合价格更便宜，但功耗高，且共模抑止能力不及集成仪用放大器。系统采用电池供电，降低能耗十分关键。同时，心电信号共模干扰很严重，前置放大器共模抑止能力会直接影响模拟信号调理成败。综上，选择方案二。 无线传输模块选择方案一：NRF24L01无线模块方案二：HC-06蓝牙模块（选择） 两种模块价格均为40元左右，NRF24L01理论传输距离稍远。蓝牙技术十分成熟。HC-06模块可进行透明传输，即可当作串口使用，十分方便。考虑到本系统的核心并不是无线传输，同时之前项目中使用过HC-06模块，证明它十分可靠，传输距离10米左右也满足需求，综上，选择方案二HC-06蓝牙模块。 上位机

15、开发环境选择方案一：采用C#。方案二：采用MFC。（选择） C#是微软.net框架的核心语言。它语法简单，开发效率高。但由于我们不熟悉C#，而系统开发周期较短，采用C#风险较大，同时MFC又完全能满足要求，所以我们采用方案二MFC。2、系统框图图1 系统组成框图三、理论分析计算1、数字滤波器选择采集的心电信号存在较多的干扰，实际上采用动态的方式检测到的心电信号所受到的干扰远比静态时测得的大得多。其中50Hz 工频干扰，基线漂移，肌电噪声及运动伪迹等是最主要的干扰源。低通滤波器抑制工频干扰的数字滤波方法基本可分为两类，一是采用经典滤波器的方法，平滑滤波器或固定中心频率的窄带陷波器；二是采用自适应

16、滤波的方法。采用适应滤波的方法虽然可以自适应跟踪工频信号的偏移，但通常需要工频干扰的参考输入信号，以实现滤波器系数的自适应调整，而这一参考信号通常由采集系部分引入，对于本系统暂时不易实现。平滑滤波易于实现，但是滤波效果不算理想。在研究中我们发现采用整系数数字滤波器来实现实时信号处理非常方便。该滤波器具有整数值的滤波系数，具有线性相位的特性，所以滤波时通带内的信号不会发生畸变。该低通滤波器传递函数为低通滤波器递推关系式其频谱特性如下图所示图2 低通滤波器频谱图高通滤波器滤波器传递函数为滤波器递推关系为滤波器频率特性见下图所示，实践证明，该滤波器可有效抑制基线漂移。图3 高通滤波器频谱图为了进一步

17、直观地说明滤波器的效果，我们用以上滤波器处理MIT-BIH心电数据库的101号数据文件，读取其中前1200个点，图见附录。实践证明，滤波器效果良好。四、电路设计心电采集处理电路是整个系统中非常重要的部分，电路的放大特性、抗干扰能力及其稳定性直接关系到系统中采集数据的质量，信号采集处理电路的框图如图4所示。电极提取心电信号前置放大低通滤波电平提升高通滤波后级放大A/D转换图4 心电采集处理电路框图整个心电采集电路主要由信号提取电极、前置放大电路、滤波电路、后级放大电路、电平提升电路和A/D转换电路组成。其中，由于所采用的单片机内部已集成了ADC模块，所以省去了A/D采样电路的设计。1、信号采集心

18、脏跳动时会产生微弱的电流并能向身体各个部位传导，引起人体皮肤表层的电位发生变化。由于人体各部位组织不同，与心脏的距离也不同，因此人体皮肤表层的不同部位心电电位的变化也不同将皮肤表层特定部位之间的电位差以时间为函数记录做曲线便可得到心电信号，即心电图。获取心电信号的方法是依靠于肢体接触的银/氯化银电极，电极通过多股绝缘芯线绞成的屏蔽线与信号调理电路相连。电路设计中导联的电极接法为右臂接放大电路反相输入端，左臂接放大电路同相输入端，右腿作为参考电极，接心电放大电路参考点。2、信号调理输入信号中含有很强的共模成分，任何磁性体或通电导体周围都存在磁场，人和测试仪器均处于电磁场中，人体随时携带50Hz的

19、干扰电压，且幅度较大，有可能完全淹没微弱的差模心电信号。采取右腿驱动电路可以消除人体上的共模电压。当人体右腿接地时，会有感应电流经过人体到地，形成50Hz的共模干扰电压。为了消除干扰电压，图5所示电路将右腿不直接接地，而是通过与右腿驱动放大电路的输出端相连，形成一个以人体为相加点的共模电压并联反馈，可以大大降低人体上的共模干扰电压。图5 右腿驱动电路采用单片集成仪表放大器组成集成心电放大电路易于达到更高的共模抑制比、更小的偏置电流和更高的温度稳定性。ADI公司的AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，并且功耗很低（最大工作电流仅1.3mA），因而非常适合电池供电

20、及便携式应用。此外，AD620还具有低噪声、低输入偏置电流特性，使之适合ECG等医疗应用。有源低通滤波器的作用是滤除心电信号中夹杂的高于100Hz的干扰信号，以满足系统的高频响应特性。为了获取频带外衰减更陡峭的截止特性，采取两个二阶滤波器级联，组成四阶贝塞尔滤波器，如图6所示。图6 四阶贝塞尔滤波器放大器的温漂、皮肤电阻的变化、呼吸和人体运动，都会造成心电信号出现所谓的“基线漂移”现象。从频谱上讲，这些影响都可以归结为一个低频噪声干扰信号，其频率小于5Hz。可以设计一个无源高通滤波器滤除这种干扰信号。无源高通滤波器与有源高通滤波器组合成一个频率较宽的带通滤波器，滤除各种高低频干扰，确保获得较高

21、信噪比的信号，电路如图7所示。图7 带通滤波器滤波器输出信号幅值较小，由于已是较高信噪比的信号可以直接放大，方便后面的A/D采样。实际表明后级放大倍数为100时便可符合要求。经过带通滤波器后，心电信号的直流分量被滤除，存在负电压，而A/D转换的参考电压为2.5V，所以在A/D转换前必须把心电信号的极线太高，电平提升电路如图8所示。TL431是一个精密的基准电压源，可产生2.5V基准电压。为了增强TL431的驱动能力，后面接了一个运放构成的电压跟随电路。由于每个人的心电图特征不一定相同，如幅值、基线等，即使是同一个人不同时刻不同位置导联方式测得的信号也不一定一样，所以为更灵活地控制信号的电平提升

22、程度，电平提升采用可调方式。如图8中的精密电位器，使用者可以根据自己的实际情况对电平提升的效果可调控制。经过以上处理的心电信号进入单片机的A/D采样通道进行信号采集。图8 电平提升电路3、电源供电便携式心电检测基于电池供电，信号调理电路使用5V供电，即压差为10V，考虑升压电路供电。LM2577-ADJ是输出电压可调的开关电压调整器，输出最大电压为60V，输入电压范围为3.540V，启动冲击电流小，片内还有过流保护、过热保护和低压失步保护等。将5.5V（4节干电池）左右的电压通过LM2577-ADJ升至10V。对于多数的OTL功放器件而言，其内部一般都设置了对称的偏置电路结构，这就使其输出端的

23、直流电位近似为电源电压的一半，根据上述原理可以利用集成功放LM386将10V单电源转换为5V双电源，如图9所示。图9 电源供电电路事实上，由于内容参数的离散性以及自举电路结构的影响，集成功放输出端的电压不是绝对的VCC/2，从而造成正负输出电压不平衡的现象。对此只需将一只10-100k的精密电位器串联在正负电源之间，并把LM386第3引脚输入端接到电位器的中间抽头，而第2引脚保持悬空。对电路进行上述改进后，通过调节功放的直流输入电平就可以在芯片的输出端得到大小非常接近的正负电压值。六、微处理器软件设计1、ADC模块本设计中采用了ADuC7026芯片自带的12位AD，精度符合要求。由于心脏跳动的

24、频率一般为11.6Hz，一般来说采样频率要求到信号频率的10倍以上，可以得到较好品质的。考虑到信号会受到很多干扰，其中50Hz 工频干扰，基线漂移，肌电噪声及运动伪迹等是最主要的干扰。因此为消除50Hz 工频干扰，选择200Hz的采样频率（其他50Hz整偶数倍数的采样频率也行，当采样频率为50Hz的4倍、6倍、8倍可以使得一个周期内，50Hz工频干扰对采样点的干扰经各点累加后可以消去）。对于ADuC7026的AD分为三个模式，分别是差分模式、伪差分模式和单端模式。我们采用单端模式，编程步骤如下： 图10 ADC数据采集流程图要实现200Hz的采样频率，可以利用ADuC7026的时钟定时功能来完

25、成。（1）可以将AD设为单次采样，采完一次后即停止。在每次计时完成后，让其开始采样一次；（2）也可将定时器计时中断作为AD模块的触发源，同样能实现这一目标。2、SD卡模块本系统外加了一个SD卡模块，用以记录采样结果。SD卡中建有三个文件，可以将不同测试者的数据分开保存。利用我们组编写的上位机软件，可以读出SD卡中各文件中的数据，以波形的形式显示在电脑上。SD卡的读写都要以一个扇区为单位，即如果要对SD卡进行写操作，要一次写512个字节；如果要对SD卡进行读操作，要一次读512个字节。我们先用Winhex软件在SD卡中特定的几个扇区建立了文件，编写单片机程序时就在特定扇区进行写操作，这样数据就写

26、到了文件中。编程步骤如下：图11 SD存储流程图3、蓝牙模块我们选用蓝牙模块实现题目要求的无线通信功能。其传输最大距离大约为10米。蓝牙模块既可以让蓝牙主机模块和蓝牙从机模块进行配对，也可以让蓝牙从机模块和 蓝牙进行配对，如果 上有相应的软件，对于接受到的数据进行处理和画图，则在 屏幕上可以显示相应的心电图。在这次竞赛中我们也实现了这一功能。除此之外，蓝牙还有便于调试和安装的优点。4、数据处理软件部分的重点是数据的处理和分析。而数据分析处理的首要任务就是完成对QRS 波的检测，如果QRS波被检测正确，这就可以数出心跳的次数。但是，由于心跳信号非常微弱，难以检测，又容易被其他信号干扰，因此除了硬

27、件电路搭建了调理电路、滤波电路外，还需要进行软件滤波，并且对于滤波结果用有效的算法进行分析。在这里我们借鉴了余永纪在他硕士学位论文便携式心电监测仪的设计中的算法。我们采用整系数数字滤波器来实现实时信号处理非常方便。该滤波器具有整数值的滤波系数，具有线性相位的特性，所以滤波时通带内的信号不会发生畸变。我们选用的传递函数如下式所示：取采样频率为200Hz，主要目标去除50Hz干扰，则公式可变为以下形式：即：软件高通滤波构建软件高通滤波器的目的是消除直流和信号基线漂移。这方面的滤波器有很多种，在这里可以先设计好相应的低通滤波器，然后将其与一个具有相同传输延迟和增益的全通网络相减，便能得到所需的高通滤

28、波器。在采样频率为200Hz的前提下，传递函数为：即：前面已将各传递函数转换成差分方程形式，这样一来软件实现起来就方便了很多。可以建立长度为32的数组，数组第一位数据为当前值，处理完后整个数组的数据向右移一位，原数组最后一位数据可看作距此时时间过长，于是可舍去。数组第一位数x0对应x(n)，xi对应x(n-i)。首先对其中一段心电数据进行一阶差分和二阶差分运算。设原始信号为x(n)，其长度为l 。对x(n)分别求一阶差分和二阶差分为：d(n)=x(n+1)-x(n)，n=1，2，l -1 e(n)=d(n+1)-d(n)，n=1，2，l -2这样做的目的是二阶差分的极小值对应QRS波的R波，因

29、此先求二阶差分的局部极小值。具体做法是，在软件设计时，定义了6个长度为150的数组，装入二阶差分值；求取每个数组的最小值，然后求得阈值:在二阶差分中数二阶差分波形负穿越的次数，即可算出心跳的个数。由于人的心跳不可能太频繁，则负穿越的点之间的距离不可能太近，可以在此也做一限定。流程图如下：图12 终端数据处理流程图5、人机交互本系统利用12864液晶模块作为显示模块，外加4个按键，构成了一个简单的人机交互模块。菜单选项包括：(1)波形的显示：在液晶屏幕上显示心电波形。(2)报表的显示：显示当前心跳数，并且根据心跳数，做出一个初步的评价，是心跳正常还是心跳过慢还是心跳过快。(3)设置：设置当前数据

30、记录到SD卡中的那个文件中。(4)退出：退出系统。图13 人机交互流程图七、上位机软件设计上位机采用MFC设计，有数据接收与显示，数据处理，数据存储回放，简单的日志管理功能。1、数据接收与显示。程序采用CSerialPort类接收蓝牙串口数据。主程序响应WM_COMM_RXCHAR消息，实时将心电数据显示到主界面。通过菜单可选择自动实时监测(显示最新波形)或手动实时监测（手动显示波形）。图14 波形显示界面2、数据处理数据处理滤波部分与微处理器软件设计相同，这里不再赘述。这里借用了余永纪在他硕士学位论文便携式心电监测仪的设计中的算法。初步检测R点设心电数据采样频率为fs(在这次设计中为200H

31、z)，原始心电数据为x(n)，d(n)、e(n)分别为其一阶差分和二阶差分。以0.75fs 的长度对e(n)数据进行划分(选取0.75Hz为区间长度主要考虑与一般人的心率接近)，求出每个区间的极小值，并记下该极小值点的位置，然后求出各极小值的均值，以均值的一半作为e(n)极小值的初始阈值th1。即取每个区间最大幅值的均值作为R 波幅值的初始阈值th2，即：在二阶差分中找出e(n)th1 的各个区间的极小值点，设其在e(n)中的位置为Le(i)，i=1，2，m(m 为划分的区间的个数)，这些点初步确定为R 波点。同时，两次心跳之间存在不应期，时间间隔不应小于200ms，因此，如果检测到相邻的两个

32、R 波点的时间间隔小于200ms，则认为这两个点中必存噪声点。此时，保留两者中极小值更小者且其幅值较大者，否则保留极小值更小者。排除漏检与多检引入两次心率的时间间期RR(i)和间期阈值th3。设第i点的与下一点之间的间期为阈值th3 为该段心电数据所有间期的均值，即经反复的监测实验，我们确定：如果，则表明Le(i)与Le(i+1)之间可能存在漏检点；如果，则表明Le(i)与Le(i+1)之间可能存在多检点。若可能存在漏检点，搜索幅值满足h0.25th2 的点集，取幅值最大的点作为漏检点。如果有新找到的R波点，重新计算阈值th3，再次定位R波点。否则，视该区间无漏检。若可能存在多检点，此时比较这

33、两点所对应的幅值，保留幅值较大者。2.3 找局部最大值确定准确R点位置经过上述处理后，最终确定的极小值点Le(n)便认为是真实的R 波在二阶差分所对应的极小值的位置，因为数据在处理的过程可能存在时延，所以检测到的R 波也不一定十分精确。在定位出R 波之后，可以在原始信号的该点位置向前向后搜索一定的区域，取幅值最大的点作为R 波点，对R 波进行精确定位。2.4 确定QS点位置确定R点后，向前搜索距离，取该区间最小值极为Q点。向后搜索距离，取该区间最小值极为S点。时间表明搜索距离定为0.15秒左右较好。2.5 心率失常分析最基本的心律失常类型有窦性心动过缓、窦性心动过速、室性早搏、室性心动过速等。

34、以下判定依据中RR(i)代表心率， QRS(i)代表QRS 波宽度、HRV(i)代表心率变异性，其中i 代表当前R 波的位置，i-1 或i+1 分别代表上一个或下一个R 波位置，i+2 等依此类推。各特征指标计算公式如下(LS为S点的位置，LQ为Q点的位置)：RR(i)=LS(i+1)- LS(i)/200HRV(i)=|RR(i+1)- RR(i)|QRS(i)=LS(i)-LQ(i)/200各种常见的心律失常判别条件如下(1) 窦性心动过缓：QRS(i)0.12 且(2) 窦性或室上性心动过速：QRS(i)0.12 且HRV(i+1)0.12 且(4) 室性心动过速：QRS(i)0.12

35、且QRS(i+1)0.12 且且RR(i)0.5 且RR(i+1)0.12 且HRV(i+1)0.12 且(5) 窦性停博：QRS(i)0.12 且QRS (i1) 0.12 且QRS (i且RR(i) 2 且RR(i1) 2 且RR(i2) 2(6) 房性传导阻滞：QRS(i)0.12 且QRS (i1) 0.12 且QRS (i且1.7RR(i) 2 且1.7RR(i1) 2 且1.7RR(i2) 2(7) 房扑或房颤：QRS(i)0.4 且(8) 二联律：QRS(i)0.12 且QRS (i且QRS(i3) 0.12 且QRS (i4) 0.12 且QRS (i(9) 三联律：QRS(i