便携式快速心电仪的设计与实现

杨磊，张超，梅杨杨，张伟国，黄勇，张学龙

1. 上海理工大学医疗器械学院 上海医疗器械高等专科学校，上海 200093；2. 上海碧埃荻电子科技有限公司，上海 200433

便携式快速心电仪的设计与实现

杨磊1,2，张超2，梅杨杨2，张伟国2，黄勇1，张学龙1

1. 上海理工大学医疗器械学院 上海医疗器械高等专科学校，上海 200093；2. 上海碧埃荻电子科技有限公司，上海 200433

本文主要介绍一种智能便携心电采集分析仪的设计及关键技术。该仪器具有体积小、抗干扰能力强、灵敏度高和超低功耗等特点；其主要由数据采集模块、数据分析处理模块、数据显示和保存模块等组成。处理芯片采用MSP430F149单片机。该分析仪在现代应急医疗处置场所（灾难现场、车站、码头、机场）中，能为快速诊断提供更为有效可靠的临床数据，具有广泛的市场应用前景和医疗价值。

便携式快速心电仪；心电图；应急医疗

本文导读 >>

研究背景：课题受上海市创新创业基金资助，主要针对现代应急医疗处置场所（灾难现场、车站、码头、机场）需求，能为快速诊断提供更为有效可靠的临床数据。该仪器具有体积小、抗干扰能力强、灵敏度高和超低功耗等特点，具有广泛的市场前景应用和诊疗价值。

团队/实验室：本团队依托碧埃荻-医专医疗电子工程研发中心为平台，主要针对现代医疗发展趋势，坚持走“产学研”合作道路，主要研制便携式医疗设备，其中包括：便携式医学影像设备、便携式生命体征检测仪器以及医学实验基础设备等。

应用要点：“便携式快速心电仪”具有小型化、高集成度以及低功耗的特点，可广泛应用于急救、复杂环境、体育竞技赛场、战地、抢险救灾等领域。

心电图是心脏疾病诊断的重要工具之一，目前心电图仪在医院临床中也已经有了广泛的应用，给医生诊断病症带来很大的帮助。但随着社会的发展和变化，对医疗诊断也提出了新的要求[1-3]，不再是单纯的在院诊断和治疗，现在应急医疗、社区保健作为常规医疗的补充有着更为重要的意义。这些非常规医疗场所的应急需求兼有经常性和突发性，正是由于这些特征，对于迅捷检测人体常规生理信号[4]，如心电信号[5]等，提出了新的要求。为此本文介绍一种新的便携式快速心电仪的设计与实现，不仅解决了难度较大的微弱信号检测，而且还增加了心电诊断分析功能，使其能在现代应急医疗处置场所（灾难现场、车站、码头、机场）具有广泛的临床应用和医疗价值。

1 心电图波形的形成

心脏在机械性收缩之前，首先产生一个电激动，然后，心肌激动所产生的微小电流就可经过身体组织传导到体表，使体表不同部位产生不同的电位。如果在体表放置两个电

通讯作者邮箱：xuelongz@yahoo.com.cn极，分别用导线连接到精密仪器(如心电图机) 的两端，就能按照心跳活动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，从而形成一条连续的曲线[6]，即图1所示的心电图。

图1 心电图波形

2 心电导联

在临床上，为了获取便于医生用来分析比较的心电波形，对用于探测心电波形的电极位置，以及导联线与放大器的连接方式都有严格统一的规定，人们将这种电极组及其连接到放大器的方式称为心电图的导联系统。临床上广泛应用的是标准12导联系统，分别为标准Ⅰ、标准Ⅱ、标准Ⅲ、加压导联avR、avL、avF、胸导联V1-V6。

3个标准导联、3个单极性加压导联以及6个单极胸导联组成了目前广泛应用的12导联。实际上各导联之间并无实质差别，只是从不同角度反映心脏的功能，各导联配合使用以便正确诊断心脏疾病。

3 系统设计

本系统的设计主要考虑便捷、快速、准确，性价比等因素，所以仪器有以下特点：

(1)采用电池供电；

(2)元器件和芯片尽量选用最小封装，以减小电路板面积。整个电路板尺寸为30mm×25mm；

(3)选用低功耗的的MSP430F149芯片做MCU。

整个系统原理图如图2所示：

图2 便携式快速心电仪的主要功能模块

该系统采用运动专用电极通过心电信号采集模块将信号拾取，心电信号处理模块主要是对信号进行放大、滤波、基线漂移控制；动态校零主要是对系统连续工作时放大器的零点漂移进行校正[7]；由于需要适应不同场合的使用，该系统使用4节7号电池为系统供电， +3.3V电压由MAX1675提供，同时使用电压检测电路（HT7033A）对电源进行监测、报警；MSP430F149对波形分析后，显示于LCD。

3.1 心电信号放大电路

心电放大器的电路图见图3，其主要采用AD公司生产的低价格，高精度的仪用放大器AD620 构成。并且采用低噪低漂移的LM324构成跟随器作为前级放大部分，同时还使用了右腿驱动电路。AD620 的增益范围为1～1000 , 由其放大增益关系式：G= 1+49.4kΩ/Rg, 考虑到心电信号比较微弱，若前置级放大倍数过大，噪声也会被放大。这样对后期心电信号的处理带来不便。所以取Rg=5kΩ//48.7kΩ，则G=12。其主要特点是：① 高输入阻抗、低噪、低漂移；② 高共模抑制比。

图3 心电放大器电路

3.2 心电信号处理电路

心电信号频率主要集中在0.05～35Hz[8]，因此，系统中的处理电路应包括两个部分：带通滤波器和50Hz陷波器。其中U2A构成带通滤波器：C3和R9构成高通滤波，截止频率为0.05Hz，C2、R8和R10构成低通滤波，截止频率为35Hz，放大倍数G1=70。U2B构成50Hz陷波电路用于滤除工频干扰，放大倍数G2=1.5。心电信号处理电路如图4所示。

图4 心电信号处理电路

3.3 MSP430 单片机的特点

MSP430F149是德州仪器公司（TI）推出超低功耗Flash型16位单片机特别适合于电池供电场合或手持设备，它的结构是“冯-诺依曼”型[9-10]，RAM、ROM和全部外围模块都位于同一地址空间内，其特点如下：

(1)功耗低。电压范围宽（1.8～3.6V），在1MHz、1.8V条件下工作电流仅为160A，休眠时为0.1μA，这时RAM中的数据依然能够有效保持，真正达到了微安级。MSP430F149单片机具有五种节能模式：LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4，这五种模式为其低功耗管理提供了极好的性能保证。

(2)强大的处理能力 。MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

(3)片内集成模块丰富。MSP430 F149片内集成了以下模块：看门狗定时器、1个精确的模拟比较器、2个具有捕捉/比较寄存器的定时器、8路12位A/D转换器、2个串行通信接口、1个硬件乘法器、6个I/O端口（每个有8个I/O口）、60kB的Flash ROM、2kB RAM。

3.4 单片机接口连接

硬件连接包括MSP430F149单片机、心电采集和处理模块、HT7033A电压检测芯片、AH5012动态校零模块和RT12864点阵式液晶显示器，连接图如图5所示。

图5 硬件连接图

3.5 系统软件构架

图6 程序主循环流程图

系统开机初始化后，首先对电池电量进行检测，接着为了对系统连续工作时放大器的零点漂移进行校正，采取软件控制的动态校零；实现在心电信号中快速准确地检出QRS波群是计算相关参数和诊断的前提，本装置的软件设计是通过差分阈值法对QRS波群进行检测与分析，最终进行显示。程序主循环流程如图6所示。

4 结果分析

整个硬件系统经设计、制板、联合调试之后，经过多次实验表明，该系统稳定实用。基于对健康志愿者的测试实验结果，如图7所示。通过和图1的对比，可见该系统显示心电波形和标准心电图波形相吻合，所以该系统采集和处理分析心电信号的方法是可行的，达到了临床诊断的要求。

图7 系统心电波形显示图

5 结束语

该便携式快速心电仪相对于以往的心电图仪器在抗干扰、便捷、快速以及稳定性方面都有很明显的改进。一旦应急需求产生，最新的信息便具有最大的价值，作为常规医疗配备、社区、公园以及应急医疗处置场所（灾难现场、车站、码头、机场）里的使用具有重要的意义——为快速诊断和现场处置提供可靠的依据，在更大程度上保障和挽救生命。

[1] 刘晨光,张永红,白净,等.基于TMS320VC5402的便携式心电监护仪的研制[J].航天医学与医学工程,2004,17(2):135-139.

[2] 杨孙永,张永红,白净,等.一种基于掌上电脑的便携心电血压监护仪[J].航天医学与医学工程,2005,18(1):66-71.

[3] 齐林,白净,张永红,等.多用户共享型便携式心电监护仪的设计与实现[J].航天医学与医学工程,2007,20(1):47-50.

[4] 张正刚,等.家庭睡眠监测仪的研制[J].中国医疗设备,2009,24(11):28-29.

[5] 金安,等.无线心电监测系统的设计[J].中国医疗设备,2009,24(11):30-31.

[6] 肖连,杨瀚波,等.快速心电检测系统的设计[J].电子元器件应用,2009,1 (1):51-56.

[7] 倪锋.便携式动态心电信号数据采集器的设计[J].医疗卫生装备,2006,27(7):14-15.

[8] Eckart Hartmann,ECG Front—End Design is Simplified with MicroConverter[J].Analog Dialogue,2003,Volume 37,Number 11 .

[9] 刘乃文.冯·诺依曼机原理的教学研究与应用[J].计算机工程与设计,2006,27(10):1831-1834.

[10] 侯立亚,吴水才,白燕萍.嵌入式心电监护仪的研制[J].北京生物医学工程,2005(6):20-22.

Design and Realization of Portable Rapid Electrocardiograph

YANG Lei1,2,ZHANG Chao2,MEI Yang-yang2,ZHANG Wei-guo2,HUANG Yong1,ZHANG Xuelong1
1. Shanghai Medical Instrument College,Medical Instrument College of University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Shanghai BIT Electronic Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200433,China

This paper mainly introduces the design and key technology of an intelligent portable ECG acquisition and analysis instrument, which has signifcant features of small, high anti-inteference, high sensitivity, and ultra low power in performance.It consists of data acquisition module, data analysis and processing module,data display and storage module.The MCU is MSP430F149 microprocessor.This instrument can provide more effective and reliable clinical data for the rapid diagnosis in modern emergency medical treatment areas,such as disaster site, railway stations, wharves, airports. It has important medical value and broad market prospects.

portable rapid electrocardiograph;ECG;emergency medical

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.08.004

1674-1633(2010)08-0011-03

2010-03-07

2010-05-26

上海市重点学科（P0502）项目；上海市高校科技发展基金（07ZZ93）项目；上海市重大科研（06DZ11311）项目；河南省自然科学基金（0611051500）资助项目。

本文作者：杨磊，生物医学工程硕士。

张学龙，教授，研究方向：医学物理与工程。