多床位心电监护仪设计与实现

(1)开始监护。启动多床位心电图监护软件后，出现开机画面，选择要监护的床位，在确认好患者的导联采集装置都连接好后，点击开始监护，对患者的心电信号进行实时采集，同时显示心电网格图纸、心电波形、监护时间和保存心电数据，计算出患者当前的心率，达到对其中一个床位进行监护的目的。如果有多个床位同时需要监护，建立对应床位的监护界面，点击开始监护即可进行。
(2)停止监护。监护过程中，对不需要再继续进行监护的床位患者，选择停止监护；保存好患者的心电数据，用于医生诊断时重显监护时的心电数据。
(3)系统报警。患者进行病情监护时，如果心电波形出现异常，心功能参数超出标准范围，心率为0时，系统会即时报警。
(4)日期时间。显示患者进行监护时的时间，用于医生诊断时对患者病情的了解，并能及时做好病情的诊治。
(5)取图。完成来自USB接口采集的心电信号数据，以波形形式显示到计算机屏幕上。
(6)数据保存。数据保存的目的是将患者心电波形数据、监护日期和时间都保存下来。
(7)心率计算。心率计算是将采集的心电实时数据，利用RR间期的差值方法计算心率，并显示到屏幕上的编辑框中，医生第一时间就可以掌握患者的心率资料。
(8)重显。挑选出有典型意义的波形进行分析处理，调出患者某一时间的心电数据，显示心电波形和时间，帮助医生来分析患者的病症。
(9)打印。采集的心电波形、计算所得的心率、监护时间打印到心电图网格纸上，帮助医生根据临床经验，进行医学诊断。

3 硬件设计
3．1 心电信号采集
根据心电信号的特性，采用心电信号模拟器模拟产生心电信号。这种心电信号很微弱，最大只有4 mV。将提取后的心电模拟信号送入前置放大器初步放大，对各种干扰信号进行一定抑制后送入带通滤波器，滤除心电频率范围以外干扰信号，主放大器将滤波后的信号进一步放大到合适范围，经由50 Hz和35 Hz陷波器滤除工频和肌电干扰，得到符合要求的心电模拟信号，随后就可由模拟输入端送人8051单片机的ADC上，进行高精度的A／D转换和数据的采集存储，如图4所示为心电信号的采集过程。

心电信号是一种低频弱信号，对心电信号采样精度的考虑主要是出自于对ST段异常分析处理的要求，ST段电平变化为0．05 mV，已经得到公认，因此采样精度至少为0．025V。根据美国心脏学会AHA标准和Nyquist采样定律，当信号采样频率等于或大于信号最高频率的2倍时，就可以从抽样后的信号中不失真的还原出原信号。ECG频率范围为0．05～100 Hz，取采样频率为200 Hz，即采样周期为5 ms。采用ADC08 09的逐次逼近8路模拟信号输入的10位ADC，输入满刻度电压为2．5 V，能分辨出来的输入电压变化的最小值为2．5／210=2．5 mV，心电采集放大倍数约为1 000倍，输入端的最小分辨率约为2．5／1 000=0．002 5 mV，故满足系统采样要求。
3．2 前置放大电路
设计选用仪表放大器AD620作为前置放大器，如图5所示。有效解决了心电信号采集时伴随的较强背景噪声和干扰；同时解决了心电信号频率低，变化缓、信号弱，信号源阻抗较高的特性。

为防止前置放大器工作于饱和或截止区，其增益不能过大，实验表明10倍左右效果较好。U3将R2，R3检出的人体共模信号用来驱动导联线屏蔽层，以消除分布电容，提高输入阻抗和共模抑制比。U4，R5，R6，C1构成“浮地”驱动电路，将人体共模信号倒相放大后，激励人体右腿，从而降低甚至抵消共模电压，较强地抑制50 Hz工频干扰。U1，U2用于稳定输入信号和提高输入阻抗，进一步提高共模抑制比。
3．3 带通滤波及主放大电路
由于心电信号频带主要集中在0．05～100 Hz之间，频带较宽，为此采用OP2177的两个运放分别设计一个二阶压控有源高通和低通滤波器，组合成带通滤波。带通滤波由双运放集成电路OP2177构成，如图6所示。

主放大电路由OP1177(U7)，R12，R13构成。考虑到心电信号幅度约为0～4 mV，而A／D转换输入信号要求1 V左右，从而整个信号电路放大倍数需要1 000倍左右。而前置方法约10倍，因此本级放大倍数设计为100倍左右。
3．4 陷波和电平抬升电路
(1)50 Hz陷波。虽然前置放大器对共模干扰具有较强的抑制作用，但工频干扰是心电信号的主要干扰，部分工频干扰是以差模信号进入电路的，且频率处于心电信号频带之内，必须专门滤除。为较好地滤除工频干扰，专门设计了一个8阶巴特沃斯50 Hz陷波器，采用的时钟信号频率为2．5 kHz，设计电路如图7所示。

经测试陷波深度可达50 dB，效果较理想。
(2)35 Hz陷波及电平抬升。人体肌电随着个体的差异也会对心电信号造成不同程度的干扰，有时甚至淹没心电信号，因而有必要加以抑制。研究表明，肌电干扰主要集中在35 Hz左右，为此，本系统还设计了如图8所示的35 Hz的无限增益多路反馈型二阶陷波器。其截止频率约为35 Hz，Q约为7，可符合实际要求。
经过一系列信号调理后，陷波输出的心电信号为交变信号，而该系统中单片机内置ADC转换输入电压范围为0～4．98 V，因此，在送入ADC之前还需进行电平抬升，在图8中，电平抬升部分由U11，R42，R43，R44构成。