心电数据床边采集系统的开发研究

    摘要：系统地介绍了心电数据床边采集系统的开发研究，着重其中的若干关键技术：具有多路选择功能的高性能前置放大电路，以51单片机为核心的软、硬件结构，具有12位分辨率的多通道A/D采样，实时高效的数据压缩算法等。
    关键词：放大器  多路选择  单片机  ECG信号压缩

    心电诊断较大程度地依赖于对心电数据的处理分析。传统的12导联心电放大系统中，体表心电信号由导联缓冲电路输入后由12路放大电路分别进行放大，最后接入微机系统的12位A/D采样板上。由于每一导联的心电放大电路的通道结构和组成元件完全相同，不同的只是输入信号。因此这些结构重复、功能相同的电路便利传统的心电放大器体积庞大，再加上存放数据的微机系统，使得整个数据采集装置不容易携带，给那些行动有障碍的病人带来不便。为此，我们设计了一种便携式的心电数据床边采集装置，借助于多路开关，只需一个放大器和16路A/D转换，便可完成对多路信号的采集。扩展的大容量存储器，可以在病人床连把必需的数据存储下来。整个系统由一片80C32单片机控制，其可靠性高，使用方便，可满足对采样频率的要求，方便客户使用和维护。

    该系统由两大部分组成：（1）以模块电路为主的放大电路；（2）以数字电路为主的采样存储电路。它在设计上存在两个难点：<1>16通道信号的采集时间不统一。16通道包括常规12导联心电同步采集是目前较普遍的一种心电采集方法，它可以放大出多路的心电信号，能够分析出相关信号间的细节；正交导联 的信号可用于CMP（心室晚电位、心房晚电位[2]、希氏束电位）、VCG（心向量）信号的分析；整形波可用来进行心率变异性的分析。分析信号类别不同，其采集时间也不同：12道常规导联波形要求每导采集8个波形；3道正交导联要求每导采集300个波形；整形波要求存储540个R-R间期。因此要在软件中对各段采集时间加以控制。<2>数据量大。政党成年人的心率在60~100次/分，取60次/分计算，上述三段波形采集的总数据量约为2M字节（以1kHz采样频率，12位分辨率）。因此需要适当的实时数据压缩，使数据量压缩到1M字节，同时要扩展数据存储。

1 放大系统

    图1所示放大系统主要由导联部分、开关部分、放大部分和滤波部分构成。从人体引出的微弱心电位号[1]通过导联电路形成待放大的心电信号（如I、aVR、V1等）的组合，由多路开关对16路信号轮流切换，分别得到一对时分复用的信号，送至放大电路进行差分放大。放大后的信号再由一个多路开关还原成16路信号，最后经过低通滤波器滤除高频的开关信号即得到16路连续的放大信号。此时的信号连到单片机采样部分进行采样，或者连到示波器上对波形进行监视。放大部分采用多路开关技术对信号进行时分放大，只用一组放大器即可，大大减小了放大电路和整个系统的体积。

    放大电路的一些设计指标如下：

    电路放大倍数1000、2000、3000可调，共模抑制比CMRR≥100dB,输入电压≥2MΩ，短路噪声≤3uV，多路信号间有高隔离性[1]。

1.1 导联部分

   导联部分主要由运算放大器OP07构成，它具有高输入阻抗、低温漂、失调电压调零电路，可以通过调节使放大电路的基线为零电位。图2是心电信号导联I的输入电路，调节滑动变阻器Rw,可以使得两个导联电路的输入电阻平衡，提高放大电路的共模抑制比。

1.2 开关部分

    开关部分选用两片16选1的多路开关Max336，其导通电阻小，各通道间具有高隔离度，由4位地址信号选择导通的输入信号。前端开关由两片Max336构成，轮流切换输入的心电信号，开关的切换频率是24kHz。后端开关则将放大后的信号还原成16路信号，前后开关的地址信号一致，工作在同步方式下，保证同一时刻对某一路信号的放大与还原。

    16路开关的地址信号由时钟电路提供，NE555芯片构成24kHz的振荡器，然后通过16进制的计数器74LS161循环计数，计数值连到Max336的地址输入端。

1.3 放大部分

    放大电路由AD620构成，AD620内部的核心是三运放电路，有较高的共模抑制经CMRR，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小。AD620只要外接一个电阻就可以设置1~3000范围的增益，而且调节方便。放大电路如图3所示。

1.4 滤波部分

    后端开关还原后的信号是高频且离散的，通过低通滤波器即可恢复成连续的放大信号，低通滤波器的截止频率是1kHz。在HRV信号的输出端再加上整形电路，对I导联的信号进行微分整形等处理，即可得到用于HRV采样分析的信号。

2 采样存储
采样存储结构如图4所示，其内部电路包括四个主要的功能块：12位A/D转换模块，控制处理模块（80C32），存储模块及微机的串行接口通讯模块。

2.1 A/D转换模块

    选用2片Maxim的MAX197作为16路信号的A/D转换器。MAX197是8通道12位A/D转换器，采用12位分辨率可以进行高频心电图[1]的分析研究。该元件使用单一±5V供电，内部有4.096V的参考电压，输入范围±10V，±5V，+10V可选，采样速率可达100ksps，使用简单灵活。而且它有8+4的并行接口，方便与单片机相连。经过放大并且滤波后的16路信号分别接到2片MAX197的16个输入通道分别进行A/D转换。

2.2 控制处理模块

    控制处理系统的核心以Intel公司的单片机[3]80C32以及外接程序存储器8K的EPROM组成。它可靠性好，功能强。片内有256个字节的RAM，方便数据的临时存储及压缩计算。在软件中，利用2个16位的定时器，先进行12道常规导联的同步采样。然后是3道正交导联的同步采样，最后实现对540个RR期间的计算与存储（下文中分别用A，B，C段采样表示）。

2.3 存储模块

    存储模块由两片AMD公司的512K字节的ELASH闪烁存储器AM29F040组成，每片内部都由8个64K字节的区段组成，任一区段可擦除或保护。两片总容量为1M字节，需20根地址线对其进行寻址，采用单片机的I/O口进行高位地址的扩展。模块之间电气结构独立，通过译码器构成片选。采用闪存，不但存储容量大，而且可以降低功耗。

2.4 数据串行通讯

    MAX233是+5V供电的RS232收发器，实现用户板与微机系统之间的数据串行通讯。它无需外接电容，节省空间。其一端连接单片机的RXD、TXD，另一端通过9针连接器与微机串行口相接。把在病人床连采集的数据拿回分析室，与微机实现通讯后，在微机上按照压缩的格式进行反压缩形成原始数据。这些数据便是日后用来进行分析诊断的基础。

2.5 软件编程

    单片机的控制软件[4]主要包括分时采样、数据压缩以及对闪烁存储器的存储控制。其中，分时采样放在前后，通过定时控制各段采集的时间长度。数据压缩及存储控制放在后台，采用中断完成。定时器0用于1kHz频率定时启动A/D转换，定时器1用于控制分段采样，由于定时间长要配合软件计数器CONT一起使用。流程图见图5。

    关于ECG心电数据的实时压缩，我们采用的是一种算法简单、运算速度较快的“伪压缩算法”。考虑到心电信号频率较低，相邻两点之间的差值不大，我们只存储两点间的幅度差，就可以很方便地减少存储器的开销。假设采集的数字信号序列为an(n=0～∞)，对其进行一次差分处理：

    bo=a0;ba=an-an-1(n=1～∞)

    存入存储芯片的是序列bn,它的值用一个字节就可以表示，从而实现了数据压缩。在数据与微机通讯后，通过“反压缩”，便可恢复原始数据。

    本系统主要完成的是对多路心电信号的数据采集，通过多路开关及高容量的内存，简化了放大电路的重复部件，大大缩小了体积（放大板25cmX15cm，采样存储板15cmX8cm），从而实现了床边数据采集的功能。所采集数据的格式（指恢复后的原始数据）均为1kHz采样频率，12位分辨率，它与本实验室自行开发的心电工作站（用于心电波形分析诊断的软件）能配套使用。