1、目 录 中文 摘要 . 1 英文摘要 . 2 1 绪 论 . 3 1.1 课题背景 . 3 1.2 国内外研究动态及发展趋势 . 3 1.3 课题研究的意义 . 4 1.4 课题主要研究内容 . 5 2 心电信号医学基础 . 6 2.1 心电信号波形介绍 . 6 2.2 心电信号形成原理 . 7 2.3 心电信号干扰和噪声分析 . 8 2.3.1 生理干扰 . 8 2.3.2 技术干扰 . 9 2.4 心电信号干扰和噪声抑制 . 10 3 心电检测系统硬件设计 . 12 3.1 电极和导联 . 12 3.1.1 电极 . 12 3.1.2 导联 . 14 3.2 缓冲放大电路设计 . 15 3
2、.3 右腿驱动电路设计 . 15 3.4 屏蔽层驱动设计 . 16 3.5 前置放大电路设计 . 16 3.6 低通和高通滤波电路设计 . 19 3.7 主放大电路设计 . 21 3.8 50HZ 陷波电路设计 . 21 3.9 ADUC7020 . 22 4 心电检测系统软件设计 . 23 4.1 ECG 算法背景介绍 . 23 4.1.1 句法方法的算法 . 23 4.1.2 非句法方法的算法 . 24 4.2 ADUC7020 程序 . 28 5 结 论 . 30 5.1 结论 . 30 5.2 展望 . 30 6 谢 辞 . 31 参考文献 . 32 附 录 . 33 1 基于 ARM
3、 的心电检测模块 摘要 ： 心脏病是威胁人类健康的主要疾病之一，而心电图是其诊断的重要依据。临床医学实践 表明，对于心脏病的防治，最有效的手段是预防和保健，其中家庭保健环节尤为重要。因此，设计适合家庭使用的 便携 心电检测系统对心脏病的预防有非常重要的意义。 本文 设计了 基于 ARM的 心电 便携式 检测 模块 ，模块 由心电信号采集部分和心电信号处理部分组成。 心电信号 采集部分主 要由 缓冲放大电路、右腿驱动电路、屏蔽层驱动电路、前置放大电路、低通与高通滤波电路、主放大器电路以及 50Hz陷波电路 等组成。其功能是 将弱小的心电信号经过放大滤波，得到具有诊断价值的心电信号，然后由模数转换
4、电路 转换为数字信号，再经串口发送到 PC机做进一步处理。 心 电信号软件处理部分主要实现 QRS波检测 和心率计算等功能 。 课题作为 便携式心电检测系统的前期研究， 设计了 便携 式心电检测 模块 的 硬件和软件。实现了心电信号数据采集、 QRS波检测 及心率计算 等功能，达到了预期的目标，为下一步研究做了充分的准备。 关键词 ： 心电信号；数据采集； ECG 滤波； QRS 检测 2 Abstract: Cardiopathy is one of the most prevalent diseases in endangering peoples health.And ECG is an
5、 important diagnostic tool for assessing heart function.The clinic iatrology practices have shown the most effective way for treating heart disease is to prevent and to protect,especially by home health care.So it is valuable to design a portable domestic ECG detecting system to prevent heart diseas
6、es.This subject has designed a portable detection module which is based on ARM of ECG .The module is composed of the acquisition part of ECG signal and the processing part of ECG signal. The collection part of ECG signal is mainly made up of Buffer amplifier circuit,RL drive circuit,shield drive cir
7、cuit, Pre-amplifier circuit, Low-pass Filter Circuit and High-pass Filter Circuit, main amplifier circuit, and 50Hz notch filter circuit. Its function is to adjust the lower signal to acquire the valuable analog ECG signal and convert it to digital signal， which is sent to the PC process by serial c
8、ommuncation.The main function of the processing part of ECG signal are QRS detecting and calculation of the heart rate.As a preceding study of the module of portable ECG detecting system, the software and hardware are designed in this paper.This module has achieved the goals such as ECG singal acqui
9、sition,QRS detecting and the calculation of heart.Therefore,this groundwork will greatly facilitate the following researches. Keyword: ECG Signal Data Acquisition ECG Filter QRS Detecting 3 1 绪 论 随着我国人口老龄化的加剧， 心脏疾病的患病率也越来越高。据统计，目前有 1亿以上的人患有高血压，每年大约有 75 万人死于心脏疾病，心血管疾病的患病率仍在逐 年上升，而且呈低龄化趋势 1。 临 床医学实践表明
10、，对于心脏疾病的防治，最有效的手段就是预防和保健， 在对心 脏病患者进行经常性监测的基础上，尽早发现异常病变情况，及时进行治疗，以控制病 情的进一步发展。当前市面上心电检测设备在设计时都侧重于供医院和社区医疗使用， 而对适合家庭使用的便携式心电检测设备存在的问题研究较少。 现有心电检测设备对家庭使用 来说还存在较多 问题，例如价格昂贵、专业性强、用户操作不便、智能化比较低等缺点。因此，研究开发适合预防保健的便携式心电检测系统有着重要的意义。 1.1 课题背景 近些年来，随着社会的发展、科技的进步、生活水平的不断提高，人们的健康观念及保护健康的方式和途径都发生了深刻的变化，家庭医疗就是适应当前社
11、会发展需要， 将当代高新技术与临床医疗相结合的产物，并已成为当今世界医疗领域的研究热点。家 庭医疗实现医疗进入家庭，可以在家中对病人实施诊断、治疗、康复和保健。家庭医疗 符合现代社会日益老龄化、医疗费用日益高涨以及人们对身体健康标准不断 提高的趋势，同时家庭医疗网络化可以提高边远地区的医疗水平。因此，家庭医疗的发展具有强 大的生命力。 心电图作为一种无创伤检查手段，经过大量的临床研究，证明对心脏肥大、心肌梗 塞及其梗塞部位具有决定性的诊断价值，对某些心脏疾病，如心肌炎、心包炎、药物中 毒等引起的心脏病变具有辅助诊断意义 2。 1.2 国内外研究动态及发展趋势 目前，国外一些发达国家己经在家庭式
12、心电检测系统研究方面取得了卓越成就，并 且还在以更高的速度进行改进和提高，例如 SHAHAL公司的电话传输心电图监护系统、 Card Guard公司的 Card Guard 系列心电监护系统、 TIE公司的 Aerotel电话传输心电系统、美国的 HeartFAx、 HeartMiror、 HeartView系列心电监护系统、瑞典的4 caliberTrigger Monito系统，这些设备己经投入市场使用多年。我国在这个领域的研究是在 90年代中 期才刚开始起步，但经过近二十年的发展，在这方面的研究也已取得了很大进步，如珠海中立电子集团研究开发的院外心脏病集群监护系统、 “ 护心神”电话传输
13、心脏监护系 统，以及卡迪欧公司的“爱心”袖珍心电监护系统。其中“爱心”袖珍心电监护系统还荣获 第二届 全国发明展览会金奖和第十五届日内瓦国际发明金奖和特别奖，并通过了 ISO9002和欧洲 CE等质量体系认证 2。 综观当前心电检测仪器发展趋势，主要向以下几个方向发展 34： (1)数字化技术及其它先进技术的运用 运用先进的数字信号处理技术，使心电信号的处理速度及准确率得到充分保证。 (2)多导同步记录 多导同步记录心电检测设备，可以同步整体观察和测量多个导联在同一个心动周期的波形，从而提高分析各种 测 量参数的准确性，便于进行早搏定位，心律失常分析，预 激综合症的分型、定位，宽 QRS波心动
14、过速的鉴别诊断。现 在真正同步 12导联及正交 变换 18导联动态心电图机已应用于临床 。 (3)自动测量和分析诊断功能的完善 目前市场上的心电图机种类较多，其中部分机型具有自动检测和分析诊断功能，但 功能不是很完善。因此，未来心电图机自动检测的内容将更详细、自动分析诊断功能也会更强大。如邦健自动分析心电图机的自动诊断功能可以达到对 200多种病例的自动判 别。 (4)远程医疗 以计算机技术和网络通信技术为基础，将心电数据进行远程传输，在远端对心电数据加以分析处理并提出诊断结果，从而实现远程医疗。 1.3 课题研究的意义 心脏病作为一种常见 多发慢性疾病，由于其病情隐蔽、发展缓慢、发病危险性高
15、的 特点，长期以来一直威胁着人类的健康，尤其对中老年患者的危害性极大，及时发现和预防在减少心血管疾病危害及病人治疗与康复中极为重要。而心电图检查是发现心脏病变的重要手段。传统的心脏病检查都是在医院或社区完成的，这样就存在两个问题，第一，由于心电图检查费用较高，因此有些患者不可能随时进行心电图检查 ；第二， 因患者在医院就诊时容易产生心理压力造成心电图不正常，导致误诊。因此，研究开发一种价格低廉且操作简单的家庭式心电检测系统对家庭患者5 的心电检查有着重要的意义。 课 题所研究的家庭式心电检测系统可以使患者在家中完成传统心电图检查，同时 可以实现 QRS波参数检测及心率测量 。 1.4 课题主要
16、研究内容 本课题研究的家庭 便携 式心电检测系统是家庭 便携 式网络心电检测系统的前期研究。系统在 设计时本着为后续研究服务的思想，研究了心电信号数据采集部分的软硬件设计、 QRS波检测算法。课题在设计时采用先硬件、软件分开设计，再进行联机调试的思路。 硬件 电路主要内容有缓冲放大电路、右腿驱动电路、前置放大电路、带通滤波电路、主放大电路、 50Hz陷波电路 。 软件设计分主要包括，单片机主程序设计、 A/D转 换子程序设计及串口通信子程序设计。 6 2 心电信号医学基础 心脏是循环系统中重要的器官，由于心脏不断地进行有节奏的收缩和舒张活动，血液才能在闭锁的循环系统中不停地流动。心脏在机械性收
17、缩之前，首先由心肌产生电激 动，激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表，使体表不同部位产生不同的电 位。如果在体表放置两个电极，分别用导线连接到心电图机 (即精密的电流计 )的两端， 那么就会按照心脏激动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成一条连续的 曲线，这就是心电信号波形 5。 2.1 心电信号波形介绍 图 2.1为正 常心电图波形组成及测量示意图。由图可见，在心电图纸上的每个小方格中 ，横格每小格代表 0.04s，纵格每小格代表 0.lmV。基本测量参数包括心率 (RR间期 )、 P波时限、 PR(PQ)间期、 QRS时限、 QT间期、平均心电轴等。除特殊要求外，振 幅测
18、量单位统一用毫伏 (mV)表示，时间测量单位用毫秒 (ms)或者秒 (s)表示。 正常心电波形按顺序出现的是 P波、 QRS波及 T波，其各波形间的间期有 P-R间期、R-R间期、 Q-T间期，分析各个波的幅值及各波形间间期的变化可为诊断各种心脏 疾病或全身疾病提供依据。 P波 ： 最初产生的偏 离基线的波被命名为 P波，它反映心房除极过程的电位变化，代表了两个心房的去极 ； QRS波 ： 是心室激活产生的最大的波，它反映心室肌除极过程的电位变化，其正常 间隔是 0.08s-0.12s。典型的 QRS波群是指三个紧密相连的波 ： 第一个为向下的 Q图 2.1 正常心电图波形组成及测量示意图 7
19、 波 (这 个波不一定总是出现 )，第二个为向上的 R波，第三个为向下的 S波。 QRS是广义的代表心室肌的除极波，并不是每一个 QRS波群都具有 Q、 R、 S三个波，一个单相的负 QRS复合波被称为 QS波； P-R间期 ： 从 P波开始到 QRS复合波开始。它反映心房肌开始除极到心室肌开始除极的时限，正 常间期是 0.12s-0.20s。测量是从 P波的起点到 QRS复合波的起点， P-R间期是房室传导时间的一种度量，因此在临床诊断上很有价值； S-T段 ： 出现在 QRS波群以后 T波以前的一段平线，是左、右心室全部除极完毕到复极开始以前的一段时间。其在诊断心肌梗塞 (升高 )和局部缺
20、血 (降低 )方面的作用是 非常重要的，在正常情况下， S-T段可用作测量其它波形幅值的等电势线； T波 ： 代表心室肌复极过程引起的电位变化，正常时 T波的电压不超过 0.4mV，临床上可根据其高度来诊断有无心室后壁心肌梗塞 6。 2.2 心电信号形成原理 心脏是由大量心肌细胞组成的一块心肌，整个心脏的退极化与复极化是许多心肌细 胞退极化和复极化的结果。心肌细胞除极和复极的电生理现象是心脏运动的基础，由于 心脏内部产生的一系列非常协调的电刺激脉冲，分别使心房、心室的肌肉细胞兴奋，令其有节律的舒张和收缩，这些运动导致在体表的不同部位呈现不同的电位差，通常从体 表检测到的心电信号就是这种电位差信
21、号。 正常情况下，窦房结自律细胞的节律性兴奋活动是心肌电兴奋的源头，任意时刻心 肌兴奋传导到达的面 (任意时刻发生去极的心肌构成的面 )称为去极面，兴奋的传导就是 去极面在心肌中的推进 。因此，常把兴奋的传导过程称为去极波的传导过程，任意时刻 的去极面就是去极波的波前。心脏是一个不规则的空间体，且心肌纤维传导兴奋的能力差异很大，特别是在心肌中存在一系列由特殊心肌细胞组成的传导系统，所以兴奋传导过程中去极面的大小和空间方位是时刻变换的。为了理解心电活动规律，必须对心脏的传导系统有一个概括的了解。 人体心脏的原发性起搏兴奋点 窦房结位于上腔静脉和右心房的交界处，如图2.2所示。在正常情况下，由窦房
22、结的起搏细胞每分钟自发地产生 50-100次可传导的电兴奋，这种电兴奋以有序方式通过心房内的传导束，首 先激活右心房，然后是左心房。 兴奋通过房室结时，稍有延迟，然后进入希氏束，左、右束支到达普金野 (Purkinje)氏网。 普金野氏网是个大的细胞传导系统，其分布在两个心室内膜下，电兴奋通过普金野氏网 迅速激动心室壁的普通工作性心肌细胞，这样可使电兴奋波传播到整个8 心脏，从而完成 一次正常的心脏搏动。这种生物电的电位变化通过心脏周围的导电组织和体液反映到身 体表面，在身体各部位呈现随心动周期有规律的电位变化 7。 为了研究方便和简化分析，可将心脏等效为处在容积导积中一个大小和方向都随时 间
23、变化的电极偶子，简称心电偶。心电 偶在某一个时刻的电矩就是所有心肌细胞在该时 刻的电矩的矢量和，称为瞬时综合心电向量，简称心电向量。人体内大小和方向不断改变的心电向量在体表各点均形成随时间变化的电势，这种变化的电势就是心电，其幅值 范围是 10uV-4mV，典型值是 lmV。 图 2.2非常清楚的描述了心电信号的产生及其在心脏的传导活动。 心电信号从宏观上记录心脏细胞的除极和复极过程，从一定程度上反映了心脏各部 位的生理状况。心脏的病变会使心电信号在周期和形杏上发生畸变，因而心电图的检查在临床诊断上有重要意义。临床上为了统一和便于比较心电图波形，对心电 电极的安放位置及引线与放大器的连接方式有
24、统一规定，采用这些标准的连线方式称为心电图的导 联系统。 2.3 心电信号干扰和噪声分析 心电信号是心脏活动过程中心脏的肌肉和神经电活动的综合，属于直接信号又称为 主动信号，信源为心脏。由于人体自身的机理以及信号源的不可触及性，检测心电信号时，必须在体表测量。心电信号与人体其它系统产生的信号一样，具有以下几个主要特 点 ： 一是随机性较强，即信号无法用确定的函数式来描述；二是噪声背景强，待测的有用信号往往淹没在许多无用信号中；三是信号频率低。心电信号基本上是周期信号，同时又有着 非平稳的性质，心电信号随时都处于微小的变动之中，而不是固定不变的，即 使从群体中同一对象取得的心电信号，在不同时刻也
25、是不同的。 2.3.1 生理干扰 (1)由呼吸引起的基线漂移和心电幅值改变 图 2.2 心电传导图 9 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，这个正弦成分的幅值和频率是变化的，其心电图表现如图 2.3所示。呼吸干扰 引起的心电信号幅值变化可以达到15%，引起的基线漂移频率约是0.015Hz-0.03Hz。 (2)肌电干扰 肌肉伸缩会产生微伏级的电势，该信号来自于肌肉的收缩，其幅值 大约是心电波形峰峰值的 10%，维持时间大约是 50ms，频带范围可以在 0Hz-1000Hz。图 2.4是存在 肌电干扰的心电波形。 2.3.2 技术干扰 (1)工频
26、 50Hz及其各次谐波 无处不在的 50Hz交流电系统对检测系统会产生 50Hz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。该干扰的幅值最大可达到心电幅值峰峰值的50%，工频干扰的表现如图 2.5所示。导线的移动也会在心电图上产生一些峰值，还有在干燥气候下，干燥的皮肤、衣服、电极和导线彼此摩擦时会产生静电，这种静电放电 也会产生一些干扰。 (2)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，电极接触噪声的表现如图 2.6所示。电极接触噪声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 1s，幅值可使放大器输出饱和。 (3)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着电极移动发生了改变，引起源阻抗变 化，该阻抗将与放大器输入阻抗分压。因为放大器输入电压依赖于源阻抗，而图 2.3 呼吸干扰 图 2.4 肌电干扰 图 2.5 工 频干 扰 图 2.6 电极接触噪声
