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一種集成化的心電圖采集方法



文/研發部尹鵬

1.引言

心電圖是人體最重要的生物電信息之一。心電信號是一種周期性的電生理信號,由人體組織傳到體表,在體表產生電位差。在醫學臨床上,通??梢杂酶鞣N儀器和設備將體表產生的電位差測量出來并描繪成曲線,然后形成心電圖。體表的心電信號測量方法通常是采用貼在體表特定位置的電極獲取微弱的心電信號,再通過心電導聯線將上述微弱的心電信號輸送到心電預處理電路進行處理后,經A/D數字化轉化為數字信號,并送入MCU,由MCU進行心電圖特征點的識別和處理,最后將處理后的心電信號傳送給上位機進行顯示。

傳統的心電圖采集系統和裝置使用了分立的元器件對心電信號進行采集,主要包括了前級保護電路、電刀抑制電路、前端阻抗匹配電路、導聯脫落識別電路、主放大電路、起搏檢測電路、高通濾波電路、二級放大電路、低通濾波電路、右腿驅動電路、A/D轉換電路以及MCU電路組成 。由于采用分立元器件來實現,不可避免會運用大量的集成電路、電阻和電容等元器件,(將會)造成該裝置的體積大、功耗高、設計復雜靈活性低等缺點。由于集成電路、電阻和電容元器件等個體之間存在諸多的差異性,造成了心電圖各個導聯的參數和指標具有差異性(典型的如共模抑制比、輸入阻抗等)。電阻和電容差異性過大,還容易造成前端濾波電路濾波特性的變化,造成了心電圖各個通道帶寬的不一致性。

2.詳細設計方案

本文針對現有心電采集裝置存在的問題,提出了一種集成化的心電圖采集方法,該方法采用集成化的ASIC芯片取代傳統的分體式電路,將心電采集的前端阻抗匹配電路、導聯脫落識別電路、主放大電路、起搏檢測電路、二級放大電路、右腿驅動電路、AD轉換電路集成到一片ASIC芯片中,降低了體積、功耗以及成本,內部集成了24位高分辨率的A/D轉換器,最大程度保留了心電信號的細節。由于減少了電子器件,提高各導聯心電參數指標的一致性。將分體式電路中的高通濾波和低通濾波電路采用數字濾波器來實現,不僅穩定可靠,還增加了設計的靈活性,避免了由于電阻和電容差異造成濾波特性不一致,引起心電信號的失真。這在很大程度上提高了心電采集系統的精度以及信噪比。本采集方法,可通過硬件電路和軟件控制進行實現。

2.1 硬件電路部分

硬件部分由前端的保護電路、電刀抑制電路、ASIC芯片電路、主控電路、電源電路以及接口電路組成。心電信號通過患者導聯線傳輸給前端的保護電路和電刀抑制電路,經過電刀抑制電路RC濾波之后進行ASIC芯片的內部處理,主要包括了心電信號的放大、導聯脫落檢測、起搏脈沖檢測以及A/D數字化處理,經ASIC處理之后通過SPI接口傳輸給主控芯片DSP進行濾波處理以及特征點的識別,DSP處理完成以后通過接口電路將處理和識別后的心電信號和處理結果發往上位機進行顯示,其原理框圖如下圖所示:


ASIC芯片電路采用了一種集成化的ASIC芯片,該芯片將前端阻抗匹配電路、導聯脫落識別電路、主放大電路、起搏檢測電路、二級放大電路、右腿驅動電路及24位A/D轉換電路集成到一個ASIC芯片中,ASIC芯片由主控DSP通過SPI接口進行控制,ASIC芯片將心電信號處理和A/D數字化之后,送給主控DSP進行數據處理;ASIC的集成框圖如下所示:


2.2軟件控制部分

軟件部分主要由系統控制軟件部分、濾波部分以及心電特征點識別部分組成;系統控制軟件部分的流程如右圖所示,首先上電初始化主控芯片外設資源,主控芯片通過SPI總線初始化ASIC內部寄存器(內部寄存器包括了心電導聯、起搏檢測、導聯脫落控制等寄存器),初始化完成以后等待ASIC芯片返回握手數據,然后開始定時接收ASIC芯片發送的數據包(包括心電數據、起搏狀態數據以及導聯脫落狀態數據),然后判斷是否有導聯脫落以及起搏狀態數據,如有導聯脫落數據,主控芯片發送導聯脫落標志,如果有起搏狀態數據則對心電信號進行去起搏信號處理,處理完成以后進行心電信號的濾波以及特征點的識別,最后發送處理完成的數據給上位機進行顯示。


3.結論

本文所述的心電采集裝置采用集成化的ASIC芯片替代傳統元器件的方式,縮小了心電信號采集系統的體積,減少了系統的功耗,同時亦可以降低系統的設計成本。采用集成化ASIC芯片的心電信號采集方法,使得心電信號采集的微型化和便攜化成為可能。同時,由于集成化的心電信號采集方法減少了大量電子元器件的使用,提高了各個導聯心電參數指標的一致性、可靠性和穩定性。


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