多床位心電監(jiān)護儀設計與實現(xiàn)

摘要：為了實現(xiàn)對多個床位患者心電的監(jiān)護，提出多床位心電監(jiān)護儀設計思想，解決傳統(tǒng)心電采集過程中對單床位患者心電的監(jiān)護，實現(xiàn)醫(yī)生集中監(jiān)護病房中患者心臟跳動的目的。上位機采用Visual C++6．0開發(fā)監(jiān)護控制軟件，采用USB 2．0接口接收下位機上傳的心電數(shù)據(jù)；下位機用MCS-51單片機采集患者的心電數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：心電監(jiān)護；上位機；信號放大；心電采集

0 引言
    為了適應現(xiàn)代醫(yī)療業(yè)的迅速發(fā)展，心電監(jiān)護儀是臨床診療的一種必備檢查設備。心電監(jiān)護儀種類較多，如臨床使用的基于PC平臺的心電監(jiān)護儀，家用便攜式心電監(jiān)護儀，隨時攜帶便攜式心電監(jiān)護儀等。
    調(diào)查表明，心血管疾病已經(jīng)成為目前威脅人類生命的主要疾病之一，導致此類疾病的主要原因是人們生活節(jié)奏加快、人口逐漸老齡化以及生活不規(guī)律性。心血管疾病的主要特點是突發(fā)性、短暫性和危險性。如果不能及時發(fā)現(xiàn)并進行治療，將會導致患者死亡的嚴重后果。
    心電監(jiān)護儀是檢查、診斷和預防該類疾病的重要手段和依據(jù)，是監(jiān)護患者心臟狀態(tài)的一個重要儀器；對于心肌梗塞、心律失常等癥狀，心電監(jiān)護儀的使用貫穿于治療、康復的整個過程。由于傳統(tǒng)的基于PC機平臺的心電監(jiān)護儀，價格昂貴，體積龐大，不便于移動且主要集中在大醫(yī)院，給醫(yī)生和患者帶來了很大的不便。采用一臺PC機設計一種新型多床位心電監(jiān)護儀。它利用上位機來遠程監(jiān)視多位患者的心電，不但可以降低成本、縮小體積，而且還可以同時監(jiān)護多位患者，方便醫(yī)生隨時查看被檢查床位患者的病情。

1 心電波形知識
1．1 心電波形組成
    心電波形是由一系列的波組所構(gòu)成，每個波組代表著每一個心動周期。一個波組包括P波、QRS波群、T波和U波，如圖1所示。

    (1)P波。P波由心房除極所產(chǎn)生，是每一波組中的第一波，心臟的激動發(fā)源于竇房結(jié)，然后傳導到達心房，它反映了左、右心房的除極過程。前半部分代表右房，后半部分代表左房。
    P波呈鈍圓形，可有輕度切跡；P波時小于<0．11 s，雙峰間距小于0．04 s。
    (2)QRS波群。典型的QRS波群包括三個緊密相連的波，第一個向下的波稱為Q波，繼Q波后的一個高尖的直立波稱為R波，R波后向下的波稱為S波。因其緊密相連，且反映了心室電激動過程，故統(tǒng)稱為QRS波群。這個波反映了左、右兩心室的除極過程。
QRS時限小于0.11s。
    (3)T波。T波位于S-T段之后，是一個比較低且占時較長的波，它是心室復極所產(chǎn)生的。T波在24 h振幅變化較大。
T波鈍圓，占時較長，從基線開始緩慢上升，然后較快下降，形成前肢較長、后肢較短的波形；T波方向常和QRS波群的主波方向一致；T波的振幅不應低于同導聯(lián)R波的1／10。
    (4)U波。U波位于T波之后，比較低小，其發(fā)生機理未完全明確；一般認為是心肌激動的“激后電位”。
1．2 心電信號的特性
    一般電信號有三大特征：幅度、頻譜和信號源阻抗。作為生物電的心電信號也是如此：
    (1)微弱性。心電信號是自人體體表特定點處拾取的生物電信號，信號通常十分微弱，其幅度一般不超過5mV。
    (2)低頻特性。通常心電信號的頻率較低，其頻譜范圍一般為0．05～100 Hz，頻譜能量主要集中在0．25～35Hz之間。
    (3)高阻抗特性。作為心電的信號源，人體源阻抗一般較大，可達幾千歐到幾十千歐，它將給心電測量帶來誤差和失真。
    (4)不穩(wěn)定性和隨機性。人體是在內(nèi)環(huán)境與外環(huán)境相適應的條件下維持其新陳代謝和生命。為適應各種外環(huán)境的變化，人體內(nèi)各種系統(tǒng)的功能活動都在相互影響中不同地變化調(diào)整著，以在內(nèi)環(huán)境保持平衡。同時遺傳等因素也造成人體的個體差異。由于人體所處內(nèi)外界環(huán)境在時空上的復雜多變性和個體差異，使得人體心電信號表現(xiàn)出不穩(wěn)定性和隨機性。

2 多床位心電監(jiān)護儀的設計方案
2．1 總體功能目標
    開發(fā)多床位心電監(jiān)護儀主要實現(xiàn)以下功能目標：
    (1)對所監(jiān)護每一床位實現(xiàn)監(jiān)護、動態(tài)顯示心電波形和打印功能；
    (2)對所監(jiān)護每一床位患者的心電數(shù)據(jù)存儲，并具有查看重顯功能；
    (3)監(jiān)護軟件可以自動計算心率、并能顯示心率數(shù)值；
    (4)實現(xiàn)上位機的床位選擇功能，顯示多個床位的心電畫面，重點患者心電波形可置頂顯示；
    (5)實現(xiàn)上位機與下位機的通信功能；
    (6)實現(xiàn)下位機的心電數(shù)據(jù)采集功能；
    (7)實現(xiàn)上位機USB接口和串口RS 232的轉(zhuǎn)換設計；
    (8)患者心率為0時，實現(xiàn)上位機的報警功能；
2．2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    根據(jù)多床位心電監(jiān)護儀所要完成的功能和特點，建立該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    圖2中，PC主控機主要安裝有多床位心電監(jiān)護儀控制軟件，完成1～8個床位的監(jiān)護工作，同時要具備計算心率和心電報警的任務；8051單片機主要用來接收A／D轉(zhuǎn)換后的心電數(shù)字信號；A／D轉(zhuǎn)換完成心電的模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機要接收的數(shù)字信號；光電隔離電路用于心電信號進行去噪、濾波；心電采集和放大器完成對患者心電信號的采集并放大采集信號；心電導聯(lián)主要連接患者身體的檢測部位，采集患者的心電信號。
2．3 多床位心電監(jiān)護儀控制系統(tǒng)
    多床位心電監(jiān)護儀控制系統(tǒng)是基于Visual C++6．0開發(fā)的上位機監(jiān)控系統(tǒng)，主要完成的功能有開始監(jiān)護、停止監(jiān)護、重顯、心率顯示、取圖(波形顯示和波形采集)、網(wǎng)格圖紙顯示、存儲、打印、報警、時間和日期，以及利用Visual C++編寫USB驅(qū)動程序。
    系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

    (1)開始監(jiān)護。啟動多床位心電圖監(jiān)護軟件后，出現(xiàn)開機畫面，選擇要監(jiān)護的床位，在確認好患者的導聯(lián)采集裝置都連接好后，點擊開始監(jiān)護，對患者的心電信號進行實時采集，同時顯示心電網(wǎng)格圖紙、心電波形、監(jiān)護時間和保存心電數(shù)據(jù)，計算出患者當前的心率，達到對其中一個床位進行監(jiān)護的目的。如果有多個床位同時需要監(jiān)護，建立對應床位的監(jiān)護界面，點擊開始監(jiān)護即可進行。
    (2)停止監(jiān)護。監(jiān)護過程中，對不需要再繼續(xù)進行監(jiān)護的床位患者，選擇停止監(jiān)護；保存好患者的心電數(shù)據(jù)，用于醫(yī)生診斷時重顯監(jiān)護時的心電數(shù)據(jù)。
    (3)系統(tǒng)報警?；颊哌M行病情監(jiān)護時，如果心電波形出現(xiàn)異常，心功能參數(shù)超出標準范圍，心率為0時，系統(tǒng)會即時報警。
    (4)日期時間。顯示患者進行監(jiān)護時的時間，用于醫(yī)生診斷時對患者病情的了解，并能及時做好病情的診治。
    (5)取圖。完成來自USB接口采集的心電信號數(shù)據(jù)，以波形形式顯示到計算機屏幕上。
    (6)數(shù)據(jù)保存。數(shù)據(jù)保存的目的是將患者心電波形數(shù)據(jù)、監(jiān)護日期和時間都保存下來。
    (7)心率計算。心率計算是將采集的心電實時數(shù)據(jù)，利用RR間期的差值方法計算心率，并顯示到屏幕上的編輯框中，醫(yī)生第一時間就可以掌握患者的心率資料。
    (8)重顯。挑選出有典型意義的波形進行分析處理，調(diào)出患者某一時間的心電數(shù)據(jù)，顯示心電波形和時間，幫助醫(yī)生來分析患者的病癥。
    (9)打印。采集的心電波形、計算所得的心率、監(jiān)護時間打印到心電圖網(wǎng)格紙上，幫助醫(yī)生根據(jù)臨床經(jīng)驗，進行醫(yī)學診斷。

3 硬件設計
3．1 心電信號采集
    根據(jù)心電信號的特性，采用心電信號模擬器模擬產(chǎn)生心電信號。這種心電信號很微弱，最大只有4 mV。將提取后的心電模擬信號送入前置放大器初步放大，對各種干擾信號進行一定抑制后送入帶通濾波器，濾除心電頻率范圍以外干擾信號，主放大器將濾波后的信號進一步放大到合適范圍，經(jīng)由50 Hz和35 Hz陷波器濾除工頻和肌電干擾，得到符合要求的心電模擬信號，隨后就可由模擬輸入端送人8051單片機的ADC上，進行高精度的A／D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的采集存儲，如圖4所示為心電信號的采集過程。

    心電信號是一種低頻弱信號，對心電信號采樣精度的考慮主要是出自于對ST段異常分析處理的要求，ST段電平變化為0．05 mV，已經(jīng)得到公認，因此采樣精度至少為0．025V。根據(jù)美國心臟學會AHA標準和Nyquist采樣定律，當信號采樣頻率等于或大于信號最高頻率的2倍時，就可以從抽樣后的信號中不失真的還原出原信號。ECG頻率范圍為0．05～100 Hz，取采樣頻率為200 Hz，即采樣周期為5 ms。采用ADC08 09的逐次逼近8路模擬信號輸入的10位ADC，輸入滿刻度電壓為2．5 V，能分辨出來的輸入電壓變化的最小值為2．5／210=2．5 mV，心電采集放大倍數(shù)約為1 000倍，輸入端的最小分辨率約為2．5／1 000=0．002 5 mV，故滿足系統(tǒng)采樣要求。
3．2 前置放大電路
    設計選用儀表放大器AD620作為前置放大器，如圖5所示。有效解決了心電信號采集時伴隨的較強背景噪聲和干擾；同時解決了心電信號頻率低，變化緩、信號弱，信號源阻抗較高的特性。

    為防止前置放大器工作于飽和或截止區(qū)，其增益不能過大，實驗表明10倍左右效果較好。U3將R2，R3檢出的人體共模信號用來驅(qū)動導聯(lián)線屏蔽層，以消除分布電容，提高輸入阻抗和共模抑制比。U4，R5，R6，C1構(gòu)成“浮地”驅(qū)動電路，將人體共模信號倒相放大后，激勵人體右腿，從而降低甚至抵消共模電壓，較強地抑制50 Hz工頻干擾。U1，U2用于穩(wěn)定輸入信號和提高輸入阻抗，進一步提高共模抑制比。
3．3 帶通濾波及主放大電路
    由于心電信號頻帶主要集中在0．05～100 Hz之間，頻帶較寬，為此采用OP2177的兩個運放分別設計一個二階壓控有源高通和低通濾波器，組合成帶通濾波。帶通濾波由雙運放集成電路OP2177構(gòu)成，如圖6所示。

    主放大電路由OP1177(U7)，R12，R13構(gòu)成?？紤]到心電信號幅度約為0～4 mV，而A／D轉(zhuǎn)換輸入信號要求1 V左右，從而整個信號電路放大倍數(shù)需要1 000倍左右。而前置方法約10倍，因此本級放大倍數(shù)設計為100倍左右。
3．4 陷波和電平抬升電路
    (1)50 Hz陷波。雖然前置放大器對共模干擾具有較強的抑制作用，但工頻干擾是心電信號的主要干擾，部分工頻干擾是以差模信號進入電路的，且頻率處于心電信號頻帶之內(nèi)，必須專門濾除。為較好地濾除工頻干擾，專門設計了一個8階巴特沃斯50 Hz陷波器，采用的時鐘信號頻率為2．5 kHz，設計電路如圖7所示。

    經(jīng)測試陷波深度可達50 dB，效果較理想。
    (2)35 Hz陷波及電平抬升。人體肌電隨著個體的差異也會對心電信號造成不同程度的干擾，有時甚至淹沒心電信號，因而有必要加以抑制。研究表明，肌電干擾主要集中在35 Hz左右，為此，本系統(tǒng)還設計了如圖8所示的35 Hz的無限增益多路反饋型二階陷波器。其截止頻率約為35 Hz，Q約為7，可符合實際要求。
    經(jīng)過一系列信號調(diào)理后，陷波輸出的心電信號為交變信號，而該系統(tǒng)中單片機內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換輸入電壓范圍為0～4．98 V，因此，在送入ADC之前還需進行電平抬升，在圖8中，電平抬升部分由U11，R42，R43，R44構(gòu)成。

3．5 上位機中USB接口與RS 232接口轉(zhuǎn)換電路的設計
    設計該轉(zhuǎn)換電路時，采用CH341設計了一個簡單的3線RS 232串口，如圖9所示。通過實驗，可以達到系統(tǒng)的要求。

    圖10所示為系統(tǒng)在重顯時第一個床位的心電波形圖。

4 結(jié)論
    至此，利用心電信號模擬發(fā)生器，連接前置放大器、帶通濾波及放大器、50 Hz陷波和35 Hz陷波及電平抬升，與單片機實驗箱上的ADC0 809轉(zhuǎn)換器相連；將實驗箱上的單片機串口經(jīng)USB與RS 232轉(zhuǎn)換器連接至PC機。
    啟動PC機多床位心電監(jiān)護儀系統(tǒng)，選擇第一個床位監(jiān)護命令，按動心電信號模擬發(fā)生器產(chǎn)生心電信號，PC機接收下位機上傳的心電信號數(shù)據(jù)；并在第一個窗口中顯示了該心電波形。心電波形清晰，并能計算出心率和顯示，同時也顯示出監(jiān)護的時間達到了預期效果。