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。
- 3DES算法的FPGA高速实现(06-21)
- 基于DSP的Max-Log-MAP算法实现与优化(05-27)
- DSP中DMA操作的无阻塞请求实现(06-18)
- 二维DCT编码的DSP实现与优化(09-08)
- 基于DSP处理器上并行实现ATR算法(01-29)
- 基于DSP的H.324终端设计(05-27)