家用智能心电监测系统分析及硬件设计

　　本系统主要部分为智能心电监测分析，辅助以上位机存储及显示软件。根据系统要求心电监护仪不仅能够实时采集心电数据及显示心电波形，还需具备实时显示心率及数据分析的功能。要实现上述功能，需要一款功能强大、外设接口丰富，并且能够实现高速的实时心电信号处理的处理器。出于人机界面友好的设计理念，运行过程中将显示多幅图片，这对处理器的存储空间提出了很高的要求。基于以上考虑，本系统选择了亿旗公司的BF533(7.1)开发板做为设计主板，它含有触摸屏、SPI、SPORT、UART等外接端口并且含有128Mbytes的同步存储空间，符合本系统的设计需求。

　　智能心电监护分析部分主要分为前端模拟信号采集、数据处理及分析和数据传输三部分。前端电路的设计制作包括放大电路、导联选择电路、滤波电路、 AD转换电路等单元。监测分析仪以ADSP-BF533作为处理器，循环采集8导心电信号，实时计算心率，并能做简单的病情分析，最后给出心电健康指数。本系统能够将采集后的心电信号进行系统存储以方便用户查看历史数据，也能将数据传输部分由串口将采集的数据传送到上位机程序。

　　上位机软件可对收到的数据进行存储及显示，并可以进行心率、QRS间期等重要心电参数的计算，方便医生的进一步诊断。系统整体结构框图如图1所示。

功能与指标

智能心电监测分析部分

　　(1)采集功能：前端模拟采集电路能够准确采集10导心电信号，分别为：RA、RL、LA、LL、V1～V6。

　　(2)显示功能：用户进入导联选择界面后，可任意选择12导标准心电信号中的一导显示，也可以选择12导全部显示。

　　(3)历史数据读取功能：进入系统后用户可以选择新建采集或者读取历史数据。

　　历史数据有各家庭成员上次采集的历史数据。

　　(4)实时心率计算功能：选择任一导显示心电波形的同时会显示实时心率计算结果。

　　心率测量准确度：±1次/分钟。

　　(5)自动分析功能：采集心电信号一段时间后，检测分析仪将自动进行数据分析，并给出病情分析和心电健康指数。

　　(6)导联脱落检测功能：在检测过程中若显示50Hz正弦波及其谐波波形，说明导联脱落或未连接好。

上位机软件部分

　　(1)通信功能：通过串口接收检测分析仪采集到的心电信号数据。

　　(2)存储功能：将数据保存在上位机中，可随时调用。

　　(3)显示功能：可选择任意一导心电信号在窗口中显示，通过互联网接入远程医疗专家会诊，方便医生观察诊断。

　　(4)参数计算功能：将心电信号的心率、R-R间期等重要参数计算并显示出来，辅助医生诊断。

硬件设计

　　前端的硬件采集部分主要完成心电采集、放大、滤波和AD转换等功能。整个硬件框图如图2所示。

　　根据标准12导联的设计要求，需要在电路前端采集10导心电信号，分别为右臂电极RA、左臂电极LA、右腿电极RL、左腿电极LL、胸部6个电极V1～V6。右腿驱动主要用于消除诸如50/60Hz这样的共模信号及位移电流。LA、LL、V1～V6八导信号经过输入缓冲级放大电路作为输入端传送到AD8221放大电路;RA经过同参数缓冲级放大电路，作为参考端信号输送到AD8221。经过AD8221放大，得到八路信号LA-RA,LL- RA,V1-RA～V6-RA。将该八路信号分别送到导联选择器的输入端，根据地址选择信号的输出，后经50Hz陷波电路，高通、低通滤波电路，电平抬升电路以及AD转换电路后输送到BF533的SPORT口，进行后续的数字信号处理。

放大电路及右腿驱动电路

　　本系统选用ADI公司的仪用放大器AD8221作为放大部分的主放大器，它具有高达10GΩ的输入阻抗和90dB(增益G=1)的共模抑制比，其内部具有很高的对称度，只需外接一个调节增益电阻即可实现对增益的控制，从而避免了因电阻不匹配造成的共模干扰。放大电路原理图如图3所示。

　　第一级输入缓冲级放大电路由四运放运算放大器OP4177中的两个运放同相并联构成，该设计可以有效避免由于使用两个特性不一致的单独运算放大器而产生的对称性问题，从而提高电路共模抑制、抑制电路零点漂移;随后接入隔直电容C11和C13，该设计目的是隔离直流，只让交变信号通过;最后接入仪器放大器AD8221进行差动放大，该仪用放大器增益由增益调节电阻R26的阻值决定,其放大倍数计算公式为 。

　　本电路还包含一个右腿驱动电路，右腿驱动可以消除诸如50/60Hz这样的共模信号，减轻位移电流的负作用。这里右腿驱动所用的放大器任然是 OP4177。右腿驱动电路从R7和R9电阻结点检出共模电压，经反相放大器放大后，再通过R3电阻反馈到右腿。R3在这里起保护作用，当病人和地之间出现较大电压时，反相放大器饱和，右腿驱动电路不起作用，反相放大器等效于接地，因此R3起到限流保护的左右。右腿驱动电路对共模信号有20倍的放大 (R36/R12=20)和70Hz的带宽：

　　与电容C18串联的10KΩ电阻是用来稳定反馈回路的。

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导联选择电路

　　此部分电路采用电子开关ADG1408。此电子开关的最大导通电阻为5欧，最大波动电阻为0.5欧，功耗不足0.03uW。通过配置A0，A1,A2的电平来选择S1-S8八导信号。S1-S8分别连接着六个胸口电极以及左臂和左腿电极，如图4所示。

滤波电路设计

50Hz陷波电路

　　工频干扰是心电信号的主要干扰,虽然前置差分放大电路对共模干扰具有较强的抑制作用,但部分工频干扰是以差模信号方式进入电路的,且频率处于心电信号的频带之内,加上电极和输入回路不稳定等因素,前级电路输出的心电信号仍存在较强的工频干扰,所以必须专门设计滤波电路滤除。

　　在50Hz陷波电路具体采用RC有源双T网络来实现,陷波器中心频率计算公式为。50Hz陷波电路原理图如图5所示。

　　本系统将50Hz陷波电路设计为在45Hz时的下降幅度达到-3dB，在50Hz处的陷波深度为-33dB，可以较好地抑制工频干扰。

高通滤波电路

　　本系统采用运算放大器OP4177来构建有源高通滤波器，它的上限频率衰减频率为1.1Hz，它可以滤除由于电极活动而引起的直流漂移。高通滤波器电路原理图如图6所示：该高通滤波器截止频率计算公式为 其中由下式来确定

　　该高通滤波器截止频率计算公式为，其中由下式来确定 。

　　该高通滤波电路在1Hz附近的截止幅度为-3dB，可以较好地抑制低频信号。

　　后级低通滤波电路

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　　本级电路由OP4177组成反相输入一阶低通滤波器，用以滤除由于外界噪声和电路内部引起的高频干扰。电路的传递函数为

电平抬升电路

　　心电信号和右臂参考电极相比有正负信号，然而我们所使用的A/D芯片只能识别0伏以上的信号，所以必须事先加入电平提升电路。该电路原理图如图8，通过调节滑动变阻器R54来调节直流电平，使其可以输出0V-3V的直流电平。

AD采集电路

　　由于AD模块是连接模拟电路和数字电路的连接模块，AD的选择会直接影响后续的数字信号处理和信号分析的准确性。因此，除了考虑AD的工作方式和传输方式外，AD的采样速率和采样精度也是重要参考因素。本系统选用的是AD7476。

　　AD7476是一款低功耗、宽输入阻抗、高采样频率(最高达1MHz)12位AD，支持SPORT串行传输方式。其引脚图如图9所示。

　　AD7476与系统其它部分硬件连接:8导心电信号通过前端模拟电路滤波和放大后连接在电子开关ADG1408上，通过对BF533的3位GPIO口置位来控制其中一导信号(S1-S8)送入AD7476的输入端。考虑到BF533开发板上含有一个SPORT和一个SPI外接端口，因SPI已用做触摸屏控制，这里选择将AD连接到开发板的SPORT口上面，通过串行方式将AD采集到的数据传输到BF533内部寄存器。AD7476与系统其它部分的硬件连接如图10所示。

　　AD7476的电压输入范围为2.35V-5.23V;SCLK为串行输入提供时钟，与BF533的接收时钟端(RCLK)相连;SDATA是数据发送端，与BF533 的接收数据端(DR)相连;是片选端，低电平有效时允许数据传输，与BF533的GPIO口和接收帧同步(RFS)相连，由GPIO口信号控制数据的传输。