基于單片機(jī)的便攜式心電圖設(shè)計(jì)

1 引言 

　　隨著我國城市人口老齡化程度的加快,隨著物質(zhì)生活的改善,心血管、心臟病一類疾病也在不斷的增長,人們對這一類疾病的預(yù)防和診斷的需求也在增長。因此,人們希望有一種醫(yī)療儀器,能夠在家里隨時隨地進(jìn)行心電圖信號的測量,并且把心電圖信號記錄下來,做大概的判斷,在方便的時候到醫(yī)院讓醫(yī)生作進(jìn)一步的診斷。對于情況嚴(yán)重的患者或行動不便的人,希望能夠利用網(wǎng)絡(luò)通信的先進(jìn)技術(shù),立即把測量的心電圖信號通過遠(yuǎn)程傳送的方式,傳送到指定的醫(yī)院由醫(yī)生進(jìn)行診斷。作為一個醫(yī)生，在門診和查病房時，也希望有一個可以隨身攜帶的心電圖儀器，方便疾病的快速診斷。 

　　有鑒于此,根據(jù)目前的微電子、單片機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù),我們通過對現(xiàn)有心電圖儀器的應(yīng)用狀況進(jìn)行了調(diào)查,利用單片機(jī)研制成功一種便攜式心電圖儀,由LCD液晶顯示器以圖形的方式顯示心電圖。并通過RS-232串行接口與計(jì)算機(jī)相連接,可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息遠(yuǎn)傳,是一種新穎的臨床和家庭兼用的心電圖儀。

　　2 儀器性能 

　　1）儀器結(jié)構(gòu)形式 便攜式,二節(jié)5#電池供電 

　　2）電極結(jié)構(gòu) 固定式愛因霍文三角形結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián) 

　　3）圖形顯示方式 由單片機(jī)控制的LCD液晶顯示器以圖形的方式顯示,圖形可以放大、縮小、移動和存儲 

　　4）通信方式 以單片機(jī)的串行接口與計(jì)算機(jī)的RS-232相連接,由計(jì)算機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳送 

　　3 心電圖儀的組成  

　　3．1.硬件組成 

圖1 便攜式心電圖儀的硬件組成 

　　·心電圖電極 

　　心電圖電極是由銅質(zhì)金屬構(gòu)成,呈愛因霍文三角形結(jié)構(gòu),可以直接放置在人體的胸部，以標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)的方式獲得心電圖信號。 

　　·心電圖信號處理電路 

　　心電圖電極獲取的心電信號電壓非常微弱，只有1mV左右，需要對此信號進(jìn)行放大，一般要放大幾千倍，變換成0-5V，便于進(jìn)行A/D變換。 

　　·單片機(jī)系統(tǒng) 

　　單片機(jī)系統(tǒng)用于接收心電圖信號處理電路傳送來的0-5V電壓信號，把模擬電壓信號變換成數(shù)字信號，并對信號進(jìn)行處理后以圖形的形式在LCD液晶顯示器上顯示，并且把測量的心電圖信號通過自身的串行口傳送出去。單片機(jī)應(yīng)具有低電壓、低功耗的特點(diǎn)，一般8位單片機(jī)能夠滿足要求。LCD液晶顯示器采用點(diǎn)陣式圖形顯示器，128×64點(diǎn)陣的液晶顯示器基本能完整地顯示心電圖的波形，由于該種類型的LCD液晶顯示器本身帶有驅(qū)動器，因此單片機(jī)可以方便地進(jìn)行控制。 

　　·計(jì)算機(jī)系統(tǒng)-1 

　　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)-1是一臺普通的PC機(jī)，通過RS-232串行口，采集到單片機(jī)發(fā)送來的心電圖信號，通過高級語言編寫程序，在PC機(jī)上顯示心電圖的波形，存儲和打印心電圖的信號。并通過互聯(lián)網(wǎng)把信息遠(yuǎn)程傳送到遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)，供遠(yuǎn)程診斷用。 

　　·計(jì)算機(jī)系統(tǒng)-2 

　　該計(jì)算機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)訪問計(jì)算機(jī)系統(tǒng)-1，能實(shí)時觀察到遠(yuǎn)端患者的心電圖信號，通過心電圖波形的分析，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療遠(yuǎn)程診斷。 

　　3．2.軟件組成 

　　便攜式心電圖儀的軟件由單片機(jī)、計(jì)算機(jī)及遠(yuǎn)程通訊三部分組成。 

　　3．2．1 單片機(jī)軟件 

　　·數(shù)據(jù)采集 對心電圖信號處理電路傳送來的0-5V模擬電壓信號變換成數(shù)字信號，并進(jìn)行數(shù)字濾波等處理，得到有效的心電圖數(shù)字信號。 

　　·圖信顯示 根據(jù)人體心臟跳動的速度，實(shí)時地以圖形的形式在LCD液晶顯心電圖波形，并且可以使圖形放大、縮小、移動和存儲。 

　　·串行通訊 通過單片機(jī)本身具備的串行口，設(shè)置恰當(dāng)?shù)牟ㄌ芈?，把心電圖信號以串行方式傳送出去。 

　　3．2．2計(jì)算機(jī)軟件 

　　應(yīng)用VB高級語言，從RS-232口獲取心電圖實(shí)時信號，在顯示器上顯示心電圖波形。利用PC機(jī)的功能，對心電圖信號進(jìn)行分析、存儲、打印記錄。利用互聯(lián)網(wǎng)把心電圖信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。 

　　3．2，3遠(yuǎn)程通訊軟件 

　　在遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)，應(yīng)用遠(yuǎn)程通訊軟件，在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時獲得心電圖信號，供醫(yī)生在遠(yuǎn)端進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，在兩臺計(jì)算機(jī)之間必須實(shí)現(xiàn)具體的約定。 4 心電圖信號的測量  

　　心電圖是從人體體表記錄的心臟電位變化曲線，反映了心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過程中的生物電位變化。心電圖典型的波形圖如圖2所示。

圖2 心電圖典型波形 

　　在圖2中,P波的最高幅值不超過0.25mV;Q波的幅值約0.1mV;R波的幅值在0.5-1.5mV;S波的幅值約0.2mV;T波的幅值在0.1-0.5mV。因此,運(yùn)算放大器是對微弱電壓信號的放大,傳送給單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換電壓是0-5V。為此,采用多級放大，使用低噪聲、低漂移、高阻抗的儀用運(yùn)算放大器?？紤]到心電信號的變化極性，采用雙電源雙極性運(yùn)算放大器。心電圖信號處理電路框圖如圖3所示。 

　　心電圖電極輸出的微弱的心電信號經(jīng)過二級40倍運(yùn)算放大器的放大,得到1.6V左右的電壓信號,再經(jīng)過2-5倍的可調(diào)運(yùn)算放大器的放大,獲得0-5V的心電信號,輸出給單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換芯片。在對心電信號放大的同時,還要對共模信號、50Hz干擾信號等進(jìn)行處理,使輸出的心電信號完整、真實(shí)。 

　　5 心電圖的顯示  

　　在單片機(jī)中，采樣到的心電圖信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，以時間為橫坐標(biāo)，心電圖信號的電壓值為縱坐標(biāo)，直接在LCD液晶顯示器上顯示心電圖的圖形。在一屏上顯示二個完整的心電圖信號，單片機(jī)的采樣頻率在15Hz。通過操作按鈕來控制心電圖圖形的放大、縮小和移動。 

　　6 心電圖信號的判別  

　　根據(jù)采集的心電圖數(shù)據(jù)，采用模糊理論計(jì)算出心電圖上P、Q、R、S、T、u的幅值以及各個時間間隔，來判斷心電圖波形是否超出正常范圍，并根據(jù)嚴(yán)重程度給出提示。但不對病情提供直接的認(rèn)定，這是因?yàn)樾碾妶D檢查技術(shù)可以用來診斷某些心臟疾患，但是，它并不是萬能的，而是有一定的局限性。因?yàn)轭愅男碾妶D異常變化，可見于幾種不同的心臟病。也就是說，在這種狀況下，心電圖只能提示心臟病變的存在，而不能鑒別屬何種性質(zhì)的心臟病。 

　　總之，心電圖檢查技術(shù)只是診斷部分心臟疾患的一種輔助手段，必須結(jié)合臨床其它資料，進(jìn)行全面、綜合分析，方能發(fā)揮其正確的作用。

　　7 數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送與診斷  

　　在心電圖數(shù)據(jù)的傳輸和處理過程中，主要有兩個方面的內(nèi)容要處理： 

　　一種是從心電圖內(nèi)部將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)，經(jīng)過簡單處理后，將正?；虍惓５某醪皆\斷結(jié)論告知病人并提供給病人一些建議。 

　　另一種是將從心電圖獲得的經(jīng)處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程醫(yī)療中心，遠(yuǎn)程醫(yī)療中心需要對這些數(shù)據(jù)再做進(jìn)一步的分析和人工判斷。將最終的結(jié)論和建議返回給病人。這一步需要通過Internet網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。整個系統(tǒng)示意圖如圖4所示。 

圖4 心電圖信號遠(yuǎn)程傳送 

　　7．1 心電圖和PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送和處理 

　　心電圖和PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送實(shí)際上是單片機(jī)和PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送。在PC機(jī)一端。我們采用了VB6.0進(jìn)行串口實(shí)時數(shù)據(jù)的采集。在VB6.0中利用MSComm通信控件，通過串口采集心電圖的實(shí)時數(shù)據(jù)。由于VB6.0比較簡單，編程中我們注意到盡可能使給出的程序代碼具有通用性，并有詳細(xì)的注釋，使程序可以直接或稍加改動后用于其他數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中。便于在醫(yī)療器械領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。 

　　串口數(shù)據(jù)通信協(xié)議是：數(shù)據(jù)傳輸速率為 9600bps，1位開始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位。當(dāng)通信傳輸速率為9600bps，則最快速度1.04ms發(fā)送一個字節(jié)，心電圖每秒發(fā)送50個字節(jié)，平均20ms 發(fā)送一個字節(jié)，連續(xù)讀取串口數(shù)據(jù)時要在程序中添加循環(huán)等待程序。心電圖每秒發(fā)送50個數(shù)據(jù)，PC機(jī)收到一幀完整數(shù)據(jù)最多需要2s時間，為了能精確的測試，一般需要連續(xù)測試1分鐘以上，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。  

　　7．2 心電圖與遠(yuǎn)程醫(yī)療中心之間的數(shù)據(jù)傳送和處理 

　　心電圖與遠(yuǎn)程醫(yī)療中心之間系統(tǒng)的硬件主要由各種PC機(jī)和Internet上網(wǎng)寬帶組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。病人通過心電圖與PC的接口將測試的數(shù)據(jù)通過交換機(jī)路由器實(shí)時傳送到計(jì)算機(jī)Internet網(wǎng)絡(luò)上，遠(yuǎn)程醫(yī)療中心的服務(wù)器接受到數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，以數(shù)據(jù)和圖形方式顯示在終端上供經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生、專家進(jìn)行診斷，然后將結(jié)果返回給病人，同時將結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中，以便作為下一次診斷的參考和寶貴的醫(yī)學(xué)資料。 

　　8 結(jié)束語  

　　我們研制的便攜式心電圖儀能夠測量、記錄心電信號,能夠?qū)⑿碾姷纳硇盘栟D(zhuǎn)換成電信號,并在單片機(jī)上由LCD液晶顯示器以圖形的方式顯示,圖形可以放大、縮小、移動和存儲。便攜式心電圖儀的價格比較低,容易普及,可以使患者能夠方便地進(jìn)行自我測量,由于是一種便攜式心電圖儀,也為醫(yī)生臨床檢查提供一種新的診療設(shè)備。由于便攜式心電圖儀能夠現(xiàn)實(shí)測量信息的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸,為實(shí)現(xiàn)家庭醫(yī)療遠(yuǎn)程診斷進(jìn)行了前瞻性的研究。