家用智能心电监测系统分析及硬件设计

2011-02-26 19:15:04来源: 电子产品世界 关键字:心电监测  系统设计  便携试心电图机

  本系统主要部分为智能心电监测分析,辅助以上位机存储及显示软件。根据系统要求心电监护仪不仅能够实时采集心电数据及显示心电波形,还需具备实时显示心率及数据分析的功能。要实现上述功能,需要一款功能强大、外设接口丰富,并且能够实现高速的实时心电信号处理的处理器。出于人机界面友好的设计理念,运行过程中将显示多幅图片,这对处理器的存储空间提出了很高的要求。基于以上考虑,本系统选择了亿旗公司的BF533(7.1)开发板做为设计主板,它含有触摸屏、SPI、SPORT、UART等外接端口并且含有128Mbytes的同步存储空间,符合本系统的设计需求。

  智能心电监护分析部分主要分为前端模拟信号采集、数据处理及分析和数据传输三部分。前端电路的设计制作包括放大电路、导联选择电路、滤波电路、 AD转换电路等单元。监测分析仪以ADSP-BF533作为处理器,循环采集8导心电信号,实时计算心率,并能做简单的病情分析,最后给出心电健康指数。本系统能够将采集后的心电信号进行系统存储以方便用户查看历史数据,也能将数据传输部分由串口将采集的数据传送到上位机程序。

  上位机软件可对收到的数据进行存储及显示,并可以进行心率、QRS间期等重要心电参数的计算,方便医生的进一步诊断。系统整体结构框图如图1所示。

 

功能与指标

智能心电监测分析部分

  (1)采集功能:前端模拟采集电路能够准确采集10导心电信号,分别为:RA、RL、LA、LL、V1~V6。

  (2)显示功能:用户进入导联选择界面后,可任意选择12导标准心电信号中的一导显示,也可以选择12导全部显示。

  (3)历史数据读取功能:进入系统后用户可以选择新建采集或者读取历史数据。

  历史数据有各家庭成员上次采集的历史数据。

  (4)实时心率计算功能:选择任一导显示心电波形的同时会显示实时心率计算结果。

  心率测量准确度:±1次/分钟。

  (5)自动分析功能:采集心电信号一段时间后,检测分析仪将自动进行数据分析,并给出病情分析和心电健康指数。

  (6)导联脱落检测功能:在检测过程中若显示50Hz正弦波及其谐波波形,说明导联脱落或未连接好。

上位机软件部分

  (1)通信功能:通过串口接收检测分析仪采集到的心电信号数据。

  (2)存储功能:将数据保存在上位机中,可随时调用。

  (3)显示功能:可选择任意一导心电信号在窗口中显示,通过互联网接入远程医疗专家会诊,方便医生观察诊断。

  (4)参数计算功能:将心电信号的心率、R-R间期等重要参数计算并显示出来,辅助医生诊断。

硬件设计

  前端的硬件采集部分主要完成心电采集、放大、滤波和AD转换等功能。整个硬件框图如图2所示。

  根据标准12导联的设计要求,需要在电路前端采集10导心电信号,分别为右臂电极RA、左臂电极LA、右腿电极RL、左腿电极LL、胸部6个电极V1~V6。右腿驱动主要用于消除诸如50/60Hz这样的共模信号及位移电流。LA、LL、V1~V6八导信号经过输入缓冲级放大电路作为输入端传送到AD8221放大电路;RA经过同参数缓冲级放大电路,作为参考端信号输送到AD8221。经过AD8221放大,得到八路信号LA-RA,LL- RA,V1-RA~V6-RA。将该八路信号分别送到导联选择器的输入端,根据地址选择信号的输出,后经50Hz陷波电路,高通、低通滤波电路,电平抬升电路以及AD转换电路后输送到BF533的SPORT口,进行后续的数字信号处理。

放大电路及右腿驱动电路

  本系统选用ADI公司的仪用放大器AD8221作为放大部分的主放大器,它具有高达10GΩ的输入阻抗和90dB(增益G=1)的共模抑制比,其内部具有很高的对称度,只需外接一个调节增益电阻即可实现对增益的控制,从而避免了因电阻不匹配造成的共模干扰。放大电路原理图如图3所示。

 

  第一级输入缓冲级放大电路由四运放运算放大器OP4177中的两个运放同相并联构成,该设计可以有效避免由于使用两个特性不一致的单独运算放大器而产生的对称性问题,从而提高电路共模抑制、抑制电路零点漂移;随后接入隔直电容C11和C13,该设计目的是隔离直流,只让交变信号通过;最后接入仪器放大器AD8221进行差动放大,该仪用放大器增益由增益调节电阻R26的阻值决定,其放大倍数计算公式为 。

  本电路还包含一个右腿驱动电路,右腿驱动可以消除诸如50/60Hz这样的共模信号,减轻位移电流的负作用。这里右腿驱动所用的放大器任然是 OP4177。右腿驱动电路从R7和R9电阻结点检出共模电压,经反相放大器放大后,再通过R3电阻反馈到右腿。R3在这里起保护作用,当病人和地之间出现较大电压时,反相放大器饱和,右腿驱动电路不起作用,反相放大器等效于接地,因此R3起到限流保护的左右。右腿驱动电路对共模信号有20倍的放大 (R36/R12=20)和70Hz的带宽:

 

  与电容C18串联的10KΩ电阻是用来稳定反馈回路的。

[1] [2] [3]

关键字:心电监测  系统设计  便携试心电图机

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2011/0226/article_1886.html
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