心电数据床边采集系统的开发研究

2006-05-07 15:49:43来源: 电子技术应用

系统地介绍了心电数据床边采集系统的开发研究,着重其中的若干关键技术:具有多路选择功能的高性能前置放大电路,以51单片机为核心的软、硬件结构,具有12位分辨率的多通道A/D采样,实时高效的数据压缩算法等。
单片机  ECG信号压缩

    心电诊断较大程度地依赖于对心电数据的处理分析。传统的12导联心电放大系统中,体表心电信号由导联缓冲电路输入后由12路放大电路分别进行放大,最后接入微机系统的12位A/D采样板上。由于每一导联的心电放大电路的通道结构和组成元件完全相同,不同的只是输入信号。因此这些结构重复、功能相同的电路便利传统的心电放大器体积庞大,再加上存放数据的微机系统,使得整个数据采集装置不容易携带,给那些行动有障碍的病人带来不便。为此,我们设计了一种便携式的心电数据床边采集装置,借助于多路开关,只需一个放大器和16路A/D转换,便可完成对多路信号的采集。扩展的大容量存储器,可以在病人床连把必需的数据存储下来。整个系统由一片80C32单片机控制,其可靠性高,使用方便,可满足对采样频率的要求,方便客户使用和维护。

    该系统由两大部分组成:(1)以模块电路为主的放大电路;(2)以数字电路为主的采样存储电路。它在设计上存在两个难点:<1>16通道信号的采集时间不统一。16通道包括常规12导联心电同步采集是目前较普遍的一种心电采集方法,它可以放大出多路的心电信号,能够分析出相关信号间的细节;正交导联 的信号可用于CMP(心室晚电位、心房晚电位[2]、希氏束电位)、VCG(心向量)信号的分析;整形波可用来进行心率变异性的分析。分析信号类别不同,其采集时间也不同:12道常规导联波形要求每导采集8个波形;3道正交导联要求每导采集300个波形;整形波要求存储540个R-R间期。因此要在软件中对各段采集时间加以控制。<2>数据量大。政党成年人的心率在60~100次/分,取60次/分计算,上述三段波形采集的总数据量约为2M字节(以1kHz采样频率,12位分辨率)。因此需要适当的实时数据压缩,使数据量压缩到1M字节,同时要扩展数据存储。

1 放大系统

   
图1所示放大系统主要由导联部分、开关部分、放大部分和滤波部分构成。从人体引出的微弱心电位号[1]通过导联电路形成待放大的心电信号(如I、aVR、V1等)的组合,由多路开关对16路信号轮流切换,分别得到一对时分复用的信号,送至放大电路进行差分放大。放大后的信号再由一个多路开关还原成16路信号,最后经过低通滤波器滤除高频的开关信号即得到16路连续的放大信号。此时的信号连到单片机采样部分进行采样,或者连到示波器上对波形进行监视。放大部分采用多路开关技术对信号进行时分放大,只用一组放大器即可,大大减小了放大电路和整个系统的体积。

    放大电路的一些设计指标如下:

    电路放大倍数1000、2000、3000可调,共模抑制比CMRR≥100dB,输入电压≥2MΩ,短路噪声≤3uV,多路信号间有高隔离性[1]。

1.1 导联部分

   导联部分主要由运算放大器OP07构成,它具有高输入阻抗、低温漂、失调电压调零电路,可以通过调节使放大电路的基线为零电位。图2是心电信号导联I的输入电路,调节滑动变阻器Rw,可以使得两个导联电路的输入电阻平衡,提高放大电路的共模抑制比。

1.2 开关部分

    开关部分选用两片16选1的多路开关Max336,其导通电阻小,各通道间具有高隔离度,由4位地址信号选择导通的输入信号。前端开关由两片Max336构成,轮流切换输入的心电信号,开关的切换频率是24kHz。后端开关则将放大后的信号还原成16路信号,前后开关的地址信号一致,工作在同步方式下,保证同一时刻对某一路信号的放大与还原。

    16路开关的地址信号由时钟电路提供,NE555芯片构成24kHz的振荡器,然后通过16进制的计数器74LS161循环计数,计数值连到Max336的地址输入端。

1.3 放大部分

    放大电路由AD620构成,AD620内部的核心是三运放电路,有较高的共模抑制经CMRR,温度稳定性好,放大频带宽,噪声系数小。AD620只要外接一个电阻就可以设置1~3000范围的增益,而且调节方便。放大电路如图3所示。

1.4 滤波部分

    后端开关还原后的信号是高频且离散的,通过低通滤波器即可恢复成连续的放大信号,低通滤波器的截止频率是1kHz。在HRV信号的输出端再加上整形电路,对I导联的信号进行微分整形等处理,即可得到用于HRV采样分析的信号。

2 采样存储
采样存储结构如图4所示,其内部电路包括四个主要的功能块:12位A/D转换模块,控制处理模块(80C32),存储模块及微机的串行接口通讯模块。

2.1 A/D转换模块

    选用2片Maxim的MAX197作为16路信号的A/D转换器。MAX197是8通道12位A/D转换器,采用12位分辨率可以进行高频心电图[1]的分析研究。该元件使用单一±5V供电,内部有4.096V的参考电压,输入范围±10V,±5V,+10V可选,采样速率可达100ksps,使用简单灵活。而且它有8+4的并行接口,方便与单片机相连。经过放大并且滤波后的16路信号分别接到2片MAX197的16个输入通道分别进行A/D转换。

2.2 控制处理模块

    控制处理系统的核心以Intel公司的单片机[3]80C32以及外接程序存储器8K的EPROM组成。它可靠性好,功能强。片内有256个字节的RAM,方便数据的临时存储及压缩计算。在软件中,利用2个16位的定时器,先进行12道常规导联的同步采样。然后是3道正交导联的同步采样,最后实现对540个RR期间的计算与存储(下文中分别用A,B,C段采样表示)。

2.3 存储模块

    存储模块由两片AMD公司的512K字节的ELASH闪烁存储器AM29F040组成,每片内部都由8个64K字节的区段组成,任一区段可擦除或保护。两片总容量为1M字节,需20根地址线对其进行寻址,采用单片机的I/O口进行高位地址的扩展。模块之间电气结构独立,通过译码器构成片选。采用闪存,不但存储容量大,而且可以降低功耗

2.4 数据串行通讯

    MAX233是+5V供电的RS232收发器,实现用户板与微机系统之间的数据串行通讯。它无需外接电容,节省空间。其一端连接单片机的RXD、TXD,另一端通过9针连接器与微机串行口相接。把在病人床连采集的数据拿回分析室,与微机实现通讯后,在微机上按照压缩的格式进行反压缩形成原始数据。这些数据便是日后用来进行分析诊断的基础。

2.5 软件编程

    单片机的控制软件[4]主要包括分时采样、数据压缩以及对闪烁存储器的存储控制。其中,分时采样放在前后,通过定时控制各段采集的时间长度。数据压缩及存储控制放在后台,采用中断完成。定时器0用于1kHz频率定时启动A/D转换,定时器1用于控制分段采样,由于定时间长要配合软件计数器CONT一起使用。流程图见图5。

    关于ECG心电数据的实时压缩,我们采用的是一种算法简单、运算速度较快的“伪压缩算法”。考虑到心电信号频率较低,相邻两点之间的差值不大,我们只存储两点间的幅度差,就可以很方便地减少存储器的开销。假设采集的数字信号序列为an(n=0~∞),对其进行一次差分处理:

    bo=a0;ba=an-an-1(n=1~∞)

    存入存储芯片的是序列bn,它的值用一个字节就可以表示,从而实现了数据压缩。在数据与微机通讯后,通过“反压缩”,便可恢复原始数据。

    本系统主要完成的是对多路心电信号的数据采集,通过多路开关及高容量的内存,简化了放大电路的重复部件,大大缩小了体积(放大板25cmX15cm,采样存储板15cmX8cm),从而实现了床边数据采集的功能。所采集数据的格式(指恢复后的原始数据)均为1kHz采样频率,12位分辨率,它与本实验室自行开发的心电工作站(用于心电波形分析诊断的软件)能配套使用。

关键字:数据  床边  采集  系统

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/zhzx/200605/2263.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
数据
床边
采集
系统

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved