1 引言

YZ袖珍式心電記錄器是為捕捉偶發的異常心信號而設計的，其對早期心臟病的診斷有著重要的作用。它是一個以SPCE061A凌陽單片機^[1]為核心的數據采集、處理、保存和回放系統。其體積小，功耗低。具有三個干式電極，可產生9種導聯方式、記錄300s的心電信號，回放系統利用普通心電圖機進行回訪。

2 主要問題及對策

為了減少電極數量和記錄較多導聯方式，我們采用三電極的形式，兩個圓電極，一個頸電極，可以記錄標準導聯，模擬雄導聯多種導聯方式的心電信號。

心電信號QRST波群^[2]的主要頻率成分為30Hz以下，我們將記錄器的頻帶設計在0.16～35Hz。由抽樣定理，記錄35Hz的信號，其抽樣頻率大于70Hz。我們將記錄器的抽樣頻率設定為200Hz，這樣既可以保證將心電信號記錄下來，又可以將硬件未過濾掉的50Hz干擾信號取近來再用軟件濾波。

各種干擾，特別是50Hz交流電的干擾，使各類心電記錄器的設計過程中十分棘手的問題。在常規心電圖機中，一般采用高共模抑制比的放大器，嚴格的接地措施、右腿驅動電路、隔離放大器及限制周圍電磁干擾等方法來解決。但是，由于本儀器采用三個電極且是便攜式的，所以不能采用常規方法解決干擾問題。我們采用下述方法解決干擾問題。在輸入電路中加上截止頻率較高的對稱濾波器以消除無線電高頻電磁成分的干擾，然后采用三運放組合而成的高CMRR、低放大倍數的數據放大器。數據放大器能夠將50Hz的干擾信號衰減60dB以上。為了減少肌電干擾，我們設計了線性相位的濾波器^[3]，以程序的形式存在內存中。為了降低功耗，全部集成電路均采用CMOS器件和高速CMOS器件，并使用CPU休眠狀態和設置電源自動關閉電路。

3 硬件設計

心電記錄器硬件框圖如圖1所示。

數據放大器采用三運放組合形式，輸入阻抗大于10MΩ，對不同皮膚的電阻有較大的適應性。

圖1 心電記錄器硬件框圖

Fig1 Hardware construction of ECG recorder

在多數情況下皮膚不需要處理即可直接提取心電信號，并在輸入端采取了保護措施。數據放大器對50Hz共模信號抑制能力大于80dB。由于電極直接與患者的皮膚接觸，因此可能產生較大的極化電壓，實驗測得一般最大為200mV。抑制極化電路設計為可抑制300mV的極化電壓。

低通放大器采用漂移低噪聲的運算放大器，減小了高頻噪聲對數模轉換器的影響，轉折頻率為60Hz。模數轉換器將獲取的模擬心電信號轉換成數字信號以輸入計算機，抽樣頻率為200Hz。

單片機^[4]是本儀器的核心。由它控制模數轉換器、數模轉換器、存貯器、電源、聲光指示電路工作。單片機還能夠對獲取的心電信號進行數字濾波，抑制基線漂移等處理^[3]，并能夠識別電極是否與皮膚接觸良好。在硬件不變的情況下，軟件可不斷豐富分析和識別功能，使本機能夠檢查和預測多種心臟病。

存貯器芯片用于保存所獲取的心電信號，對存貯器的要求是容量大、功耗低。數模轉換器的作用是在回放時把數字形式存入存貯器內的心電信號轉換成模擬信號。為了使數模轉換器輸出的模擬信號，能夠通過普通心電圖機回放，設立一個衰減器電路。

為保證在電源電壓變化時，記錄器的放大倍數和模數轉換、數模轉換的精度不變，故設立精密電源電路，以保證在電源電壓6.5V變至4.5V時，1mV標準信號的變化小于5%。

4 軟件設計

軟件流程圖見圖2。

4.1 初始化

每次采集數據或回放數據前，應檢查數據記錄的次數、存放數字濾波器的系數，確定下一快數據的起始地址，在未用到的存貯器空間中，保留1mV方波信號。

4.2 采集數據

由單片機內的計數/定時器每5ms產生一次中斷，即采樣頻率為20Hz，采集由模/數轉換后的數據，并存放在外部數據存貯器中。

圖2 軟件流程圖

Fig2 Software flow chart

4.3 實時處理數據

為清除工頻干擾，我們采用了有限沖激響應(FIR)^[5]低通數字濾波器。為減少數據存貯的空間，采用實時處理的方法，并壓縮數據^[6]，達到每秒鐘存貯100個數據。FIR數字濾波器的設計采用等波紋切比雪夫逼近法。即在濾波器通帶和阻帶內部分別以切比雪夫函數逼近，使這些峰值的絕對誤差最小，獲得最佳設計^[7]。由于這種最佳解是唯一的，可以采用標準最優化設計方法來求解濾波器的系數。

4.4 分析數據

每采集完一次數據，要執行分析程序，檢查是否有空采集，或者電極接觸不良造成數據不好。若采集完后，有聲光提示，提示使用者重新采集數據，并且將前一次不好的數據清除。

4.5 回放數據

由單片機內的計數/定時電路每5ms中斷一次，將采集的數據^[8]送到D/A轉換電路，直至心電圖機。將記錄的數據按采集時間的先后順序逐塊秒計。最多描記10塊。描記完后，將消除所記錄的數據，也可在描記心電圖的過程中停止描記，這樣仍保留原有數據，可以重新描記，回訪數據，每兩個記錄間內插一個點輸出，使描記曲線平滑。

4.6 輸出1mV方波

在還沒有記錄心電數據時，若回放數據就是輸出1mV的方波，它作為一標準信號，用于校驗心電圖機。另外，本程序在回放數據時，自動產生快標志，此標志也為1mV方波。

4.7 電源電壓檢測

開始采集數據時，首先檢測電源電壓，當其值小于4.2V時，即會有聲光報警，保證正常地采集數據。

5 結束語

本儀器經山東省立二院、濟南中心醫院、濟南第五醫院試用證明達到設計要求。在捕捉突發性有感心電失常方面，有較好的效果，具有體積小、價格低、使用方便的特點。

參考文獻

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