基于单片机的便携式心电图仪的研究

1 引言 

随着我国城市人口老龄化程度的加快,随着物质生活的改善,心血管、心脏病一类疾病也在不断的增长,人们对这一类疾病的预防和诊断的需求也在增长。因此,人们希望有一种医疗仪器,能够在家里随时随地进行心电图信号的测量,并且把心电图信号记录下来,做大概的判断,在方便的时候到医院让医生作进一步的诊断。对于情况严重的患者或行动不便的人,希望能够利用网络通信的先进技术,立即把测量的心电图信号通过远程传送的方式,传送到指定的医院由医生进行诊断。作为一个医生，在门诊和查病房时，也希望有一个可以随身携带的心电图仪器，方便疾病的快速诊断。 

有鉴于此,根据目前的微电子、单片机和计算机技术,我们通过对现有心电图仪器的应用状况进行了调查,利用单片机研制成功一种便携式心电图仪,由LCD液晶显示器以图形的方式显示心电图。并通过RS-232串行接口与计算机相连接,可以实现网络信息远传,是一种新颖的临床和家庭兼用的心电图仪。

2 仪器性能 

1）仪器结构形式 便携式,二节5#电池供电 

2）电极结构 固定式爱因霍文三角形结构的标准导联 

3）图形显示方式 由单片机控制的LCD液晶显示器以图形的方式显示,图形可以放大、缩小、移动和存储 

4）通信方式 以单片机的串行接口与计算机的RS-232相连接,由计算机通过互联网进行远程传送 

3 心电图仪的组成  

3．1.硬件组成 



图1 便携式心电图仪的硬件组成 

·心电图电极 

心电图电极是由铜质金属构成,呈爱因霍文三角形结构,可以直接放置在人体的胸部，以标准导联的方式获得心电图信号。 

·心电图信号处理电路 

心电图电极获取的心电信号电压非常微弱，只有1mV左右，需要对此信号进行放大，一般要放大几千倍，变换成0-5V，便于进行A/D变换。 

·单片机系统 

单片机系统用于接收心电图信号处理电路传送来的0-5V电压信号，把模拟电压信号变换成数字信号，并对信号进行处理后以图形的形式在LCD液晶显示器上显示，并且把测量的心电图信号通过自身的串行口传送出去。单片机应具有低电压、低功耗的特点，一般8位单片机能够满足要求。LCD液晶显示器采用点阵式图形显示器，128×64点阵的液晶显示器基本能完整地显示心电图的波形，由于该种类型的LCD液晶显示器本身带有驱动器，因此单片机可以方便地进行控制。 

·计算机系统-1 

计算机系统-1是一台普通的PC机，通过RS-232串行口，采集到单片机发送来的心电图信号，通过高级语言编写程序，在PC机上显示心电图的波形，存储和打印心电图的信号。并通过互联网把信息远程传送到远端的计算机，供远程诊断用。 

·计算机系统-2 

该计算机通过互联网访问计算机系统-1，能实时观察到远端患者的心电图信号，通过心电图波形的分析，实现医疗远程诊断。 

3．2.软件组成 

便携式心电图仪的软件由单片机、计算机及远程通讯三部分组成。 

3．2．1 单片机软件 

·数据采集 对心电图信号处理电路传送来的0-5V模拟电压信号变换成数字信号，并进行数字滤波等处理，得到有效的心电图数字信号。 

·图信显示 根据人体心脏跳动的速度，实时地以图形的形式在LCD液晶显心电图波形，并且可以使图形放大、缩小、移动和存储。 

·串行通讯 通过单片机本身具备的串行口，设置恰当的波特率，把心电图信号以串行方式传送出去。 

3．2．2计算机软件 

应用VB高级语言，从RS-232口获取心电图实时信号，在显示器上显示心电图波形。利用PC机的功能，对心电图信号进行分析、存储、打印记录。利用互联网把心电图信息发送到网络上。 

3．2，3远程通讯软件 

在远端的计算机，应用远程通讯软件，在网络上实时获得心电图信号，供医生在远端进行远程诊断，在两台计算机之间必须实现具体的约定。 

4 心电图信号的测量  

心电图是从人体体表记录的心脏电位变化曲线，反映了心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电位变化。心电图典型的波形图如图2所示。



图2 心电图典型波形 

在图2中,P波的最高幅值不超过0.25mV;Q波的幅值约0.1mV;R波的幅值在0.5-1.5mV;S波的幅值约0.2mV;T波的幅值在0.1-0.5mV。因此,运算放大器是对微弱电压信号的放大,传送给单片机的A/D转换电压是0-5V。为此,采用多级放大，使用低噪声、低漂移、高阻抗的仪用运算放大器。考虑到心电信号的变化极性，采用双电源双极性运算放大器。心电图信号处理电路框图如图3所示。 




心电图电极输出的微弱的心电信号经过二级40倍运算放大器的放大,得到1.6V左右的电压信号,再经过2-5倍的可调运算放大器的放大,获得0-5V的心电信号,输出给单片机的A/D转换芯片。在对心电信号放大的同时,还要对共模信号、50Hz干扰信号等进行处理,使输出的心电信号完整、真实。