程超

中南民族大學生物醫(yī)學工程學院信號檢測與處理實驗室 (武漢 430074)

心電信號與脈搏波信號同步采集系統(tǒng)的研制

程超

中南民族大學生物醫(yī)學工程學院信號檢測與處理實驗室 (武漢 430074)

心電信號和脈搏波信號都蘊藏有人體豐富的生理信息，它們可以很好地反映出人體內一些子系統(tǒng)的生理狀態(tài)和病理變化。研究兩者之間的變化關系，對于揭示心電和脈搏在生命過程中所存在的某些規(guī)律很有意義，為此本文設計了一種動態(tài)采集系統(tǒng)，用于對脈搏波信號和心電信號進行24h的同步采集，從而為揭示脈搏波信號與心電信號之間對應關系的研究做好準備。系統(tǒng)選用以ARM處理器S3C2440為核心來構造控制電路，用讀寫速度快、功耗低的低電壓外部數(shù)據(jù)存儲器SD卡存儲采集完的信號。通過實驗測試表明系統(tǒng)的信號采集效果較好，為后期工作奠定了基礎。

心電 脈搏 ARM S3C2440 SD卡

0 引言

研究表明，心電和脈搏波信號中包含著人體重要和基本的生理參數(shù)[1]。這些生理參數(shù)的日常監(jiān)護與檢測，對于慢性病患者和老年人的健康以及心臟疾病的治療都有著重要的臨床意義[2]。除此之外，對這些生理參數(shù)進行長期監(jiān)測，還可以了解人體健康狀態(tài)的變化趨勢，從而掌握一些疾病對人體健康產(chǎn)生的影響。因此，國內外的學者近幾十年來一直致力于心電信號和脈搏信號的分析，特別是計算機輔助診斷與分析，涉及到的領域包括：多種噪聲干擾下的微弱心電信號和脈搏信號的信息提取、心電信號和脈搏信號的模式識別與分類、心電數(shù)據(jù)庫、計算機輔助診斷等[3]。

由于已有的一些監(jiān)護儀系統(tǒng)大多采用個人電腦或是工控機作為波形顯示和數(shù)據(jù)處理的控制器，它們體積大，不易攜帶[4]。與此同時，一些檢測系統(tǒng)直接采用單片機做處理器監(jiān)護系統(tǒng)，功能較為單一，數(shù)據(jù)存儲量小，使用不是很方便[5]。

隨著微處理技術和電子技術的發(fā)展，這就為醫(yī)療技術提供了新的平臺，促使家庭化醫(yī)療成為醫(yī)療發(fā)展史上的一個新的方向。因此，在現(xiàn)有心電和脈搏信號的檢測和診斷的基礎上，開發(fā)具有家庭化特點的心電、脈搏信號采集和分析系統(tǒng)是一個很現(xiàn)實而且有意義的課題。我們以ARM處理器S3C2440為核心，設計并實現(xiàn)了心電與脈搏信號同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)裝置。該系統(tǒng)對脈搏信號和心電信號進行長時間同步采集，并通過液晶屏對脈搏信號和心電信號波形進行實時顯示。利用該系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，可以進一步探討研究心電和脈搏之間的變化關系，用于揭示在生命過程中二者所存在的某些規(guī)律。同時，它具有體積小，功能多，操作方便的特點，可以方便地在日常生活中使用。

1 系統(tǒng)整體結構

設計了一種基于S3C2440處理器和uC/OS-II操作系統(tǒng)的心電與脈搏信號同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由心電放大及濾波電路、32位ARM微處理器S3C2440、存儲器、液晶顯示模塊等組成。心電信號與脈搏波信號采集系統(tǒng)中硬件主要包括模擬和數(shù)字兩大部分，首先將來自電極的模擬信號進行放大、濾波處理；然后通過S3C2440處理器內部的10位A/D轉換器進行數(shù)模轉換。轉換完的數(shù)字信號一方面經(jīng)過無損壓縮后存儲到SD卡，另一方面?zhèn)魉偷揭壕罫CD上顯示心電和脈搏波波形。S3C2440處理器作為外圍控制電路的核心，控制液晶和數(shù)據(jù)信號的輸入與輸出。其中系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 心電采集模塊設計

心電采集過程：來自AgCl電極的心電信號送入前置放大器進行放大，為了增強電路的耐直流極化的能力，避免進入截止和飽和狀態(tài)，前置放大增益不宜過大，所以讓前置放大器放大5倍。然后將信號送入低通濾波器和高通濾波器，以濾除0.05Hz～100Hz以外的干擾信號，同時分別對輸入的信號進行放大。低通濾波器放大2倍，高通濾波器放大4倍。當信號進入50Hz的陷波電路后，濾除掉50Hz的工頻干擾信號。最后進入后置放大器，將心電信號電壓進一步放大25倍。因此，整個心電信號采集電路對輸入的模擬信號放大了1000倍左右。心電采集電路結構框圖如圖2所示。

下面簡單介紹各自的功能電路：(1)前置放大電路

由于人體心電信號比較微弱，其噪聲背景卻較強，故測試條件比較復雜。為不失真地檢測出有臨床價值的心電信號，往往要求心電采集系統(tǒng)具有高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲及強抗干擾能力等性能。其中前置放大電路是心電數(shù)據(jù)采集的關鍵環(huán)節(jié)，本設計采用AD公司儀用放大器AD623作為前置放大的核心器件。AD623具有低輸入偏置電流、低噪聲、高精度、較高建立時間、低功耗等特性，共模抑制比可達130dB，非常適用于醫(yī)療儀器放大器使用，其增益(范圍約1～1000倍)可通過一只連接在1管腳和8管腳之間的外接可調電阻Rg設置，其增益方程為：

圖2 心電信號采集電路結構框圖

(2)壓控電壓源二階低通濾波電路

C35、C37、R51、R68、R70、R71、UP2B 構成壓控電壓源二階低通濾波器，由于心電信號的頻率范圍在0.05Hz～100Hz，為此，將低通濾波器的截止頻率設計為100Hz左右。

(3)壓控電壓源二階高通濾波電路

C39、C41、C43、R52、R53、R76、R78、UP2A構成壓控電壓源二階高通濾波器，設計其截止頻率為0.05Hz左右。

(4) 50 Hz陷波電路

R54和R55為可調電阻。其中 R54調整陷波器的中心頻率，R55調整Q值。有源帶阻濾波器的帶寬B越窄，品質因數(shù)Q越高，則濾波器的抑制選擇性就越好。取C45＝C46＝C47＝C，Rc＝R83+ R54a，Rd＝R84＋R54b，R82＝3(2Rc＋2Rd)，可證明其陷波頻率為：

(5)后置放大電路

心電信號的幅度一般在0.05mV～4mV左右，因此整個放大電路放大倍數(shù)1000倍左右。在前置放大電路和高低通濾波電路中，心電信號已經(jīng)放大了40倍左右，所以在后級放大電路中，放大倍數(shù)大概為25倍。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

(6)電平整定電路

由于放大電路輸出的是雙極性信號會產(chǎn)生負的電壓值，為滿足S3C2440處理器內的A/D轉換電壓需求，信號放大濾波后輸出的信號需進行電平調整，使之變化范圍在0～3.3V之間，以滿足A/D轉換輸入信號的要求。

圖3 心電采集原理圖

2.2 脈搏波信號采集模塊設計

由傳感器所采集到的人體脈搏波，其相應的電信號幅度大小為毫伏級，而S3C2440處理器的A/D轉換器的輸入電壓范圍是0V～+3.3V。因此，為了滿足脈搏波信號A/D轉換的要求，脈搏波放大器就必須具有千倍左右的放大倍數(shù)。另外，脈搏波信號的頻率范圍在0.1Hz～5Hz，屬于低頻信號，所以電路中采用一個低通濾波器，這樣可以抑制其它的高頻噪聲。由于脈搏波信號極易受到運動偽跡等低頻干擾，所以電路中設計了截止頻率為0.1Hz的高通濾波器來抑制低頻干擾。

根據(jù)以上要求，電路總體由前置放大電路、低通濾波器、高通濾波器和后置放大電路4部分組成。我們所設計的電路結構框圖如圖4所示。

圖4 脈搏波放大、濾波電路結構框圖

各部分電路的工作原理及相關原理圖介紹如下：(1)前置放大電路

脈搏波前置放大電路如圖5所示。它是由一片集成運放芯片TL084組成的三運放電路，其增益可通過可調電阻R42來調節(jié)。該放大電路具有較高的抑制共模干擾能力，它因具有高輸入阻抗、低失調電壓、穩(wěn)定放大倍數(shù)和低輸出阻抗等優(yōu)點，被廣泛應用于生物醫(yī)學測量以及那些提供微弱信號而共模干擾較大的場合。

(2)低通濾波電路和高通濾波電路

低通濾波電路和高通濾波電路的原理圖如圖5所示，它是由TL084以及RF1、RF2、RF3、RF4、CF1、CF2組成的二階低通濾波器，其放大器的增益由RF4、RF3來控制。

由運放 TL084、CF3、CF4、RF5、RF6、RF7、RF8組成一個二階高通濾波器，其放大器的增益由RF7、RF8來控制。

另外，在高通濾波器后又設計了一個后置放大器，該放大器的放大倍數(shù)為6。

2.3 S3C2440為核心的控制模塊

2.3.1 以ARM處理器S3C2440為核心的控制電路設計

系統(tǒng)通過ARM處理器S3C2440來完成液晶控制，多通道異步串行通信。S3C2440處理器專為便攜式設備提供的高性能和高性價比的微控制器解決方案，在16/32位的低功耗RISC內核ARM920T核的基礎上，擴展了一系列完整的通用外圍器件，使系統(tǒng)成本及外圍器件數(shù)目降至最低，這些功能部件分為數(shù)據(jù)傳輸單元、系統(tǒng)時鐘管理單元、存儲單元和系統(tǒng)功能接口單元等。如圖6所示。

圖5 脈搏波采集原理圖

圖6 控制模塊功能圖

2.3.2 數(shù)據(jù)存儲單元設計

SD卡(Secure Digital Memory Card)中文翻譯為安全數(shù)碼卡，是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，它擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性，已廣泛應用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和許多便攜式裝置的消息類電子產(chǎn)品中。

S3C2440處理器的SDDATA0～SDDATA3連接SD卡的雙向數(shù)據(jù)傳輸線DATO～DAT3；SD卡的CLK為主機與卡的同步時鐘；CMD為雙向的命令/反饋信號，其接口電路原理圖如圖7所示。

圖7 S3C2440處理器與SD卡的連接

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計是此設計的重要組成部分。在軟件設計中，文章對系統(tǒng)的軟件需求按功能進行了嚴格劃分，先將每一部分內容形成模塊，然后將各個模塊組合在一起。設計的系統(tǒng)軟件總體結構如圖8所示。

圖8 軟件設計控制模塊

3.1 A/D轉換的程序設計

S3C2440內置8路10位A/D轉換器(AIN0-AIN7)，系統(tǒng)用2路A/D轉換通道(AIN0-AIN1)，分別獲得心電信號和脈搏信號的采樣數(shù)據(jù)[6]。由于沒有采樣保持電路，僅在較窄的頻帶(0～100Hz)范圍內的信號才可能獲得正確的采樣結果，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率必須大于信號中最高頻率的兩倍[7]。因此，A/D的采樣頻率必須大于200Hz。由于ARM系統(tǒng)的最小采集頻率遠大于200Hz，所以我們取它的最小采集頻率。令預分頻值為255，那么采集頻率將近0.2MHz，它的轉換時間為25.6us。

系統(tǒng)的采集程序流程方框圖如圖9。

圖9 采集程序流程圖

4 實驗結果

按照以上對該系統(tǒng)的詳細描述，我們已完成了該系統(tǒng)硬件部分的調試，其硬件實物波形顯示如圖10所示：

圖10 實物波形顯示圖

將A/D轉換出來的數(shù)據(jù)進行存儲，并通過MATLAB軟件進行數(shù)據(jù)圖形的還原，其顯示的波形圖像如圖11所示：

實驗結果表明，該心電脈搏采集系統(tǒng)能實現(xiàn)心電信號和脈搏信號的放大和實時采集與顯示，達到了預定的設計要求。

圖11 心電和脈搏波的波形顯示圖

5 總結

筆者所設計的結合生理參數(shù)檢測技術、微電子技術、和信號處理技術研制出的心電與脈搏信號同步采集系統(tǒng)，具有便攜性、易操作性等特點。具體如下：(1)兩個采集模塊的前置放大電路共模抑制比達到了90dB以上。我們用示波器觀察采集志愿者的心電和脈搏信號，檢測前置放大電路的效果，完全滿足設計的要求。

(2)本系統(tǒng)采用了uC/OS-II實時嵌入式操作系統(tǒng)，它能夠更好地幫助系統(tǒng)實現(xiàn)便攜式的采集、顯示和存儲等任務，從而彌補了一些檢測系統(tǒng)直接采用單片機做處理器監(jiān)護系統(tǒng)，功能較為單一的不足。并且，作為本系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)，其特有的優(yōu)點及強實時性，能夠很好地完成任務的調度和通信。

本系統(tǒng)可以方便地在家庭和社區(qū)使用，為實現(xiàn)社區(qū)護理提供了一種有效辦法。與此同時，根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)，我們可以建立心電信號與脈搏波之間的關聯(lián)數(shù)據(jù)，進而探討心電及其變化趨勢對人體脈搏波的具體影響。

[1]何菊人，生理學，上海醫(yī)科大學出版社，1988：10～15.

[2]沙憲政，尹勇，魏巍，基于USB的家庭健康監(jiān)護系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的設計，電子技術，2003，(1).

[3]李澤君，基于心電與脈搏信息的心血管功能檢測與監(jiān)護系統(tǒng)的研究，北京工業(yè)大學碩士論文，2004：1～5.

[4]Liu Xiaodong The design of a home front system for ECG and blood pressure telemonitoring network [D].Beijing Tsinghua University.1999.

[5]Xie Hongtao, Zhang Yonghong, ZhangJupeng Development of portable home ECG and blood pressure monitoring device based on 80C196KC micro-controller[J]Beijing Biomedical Engineering.2001,20(4):271～274.

[6]王黎明，陳雙橋，ARM9嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與實踐，北京：北京航空航天大學出版社，2008：153～161.

[7]鄭君里，應啟珩，楊為理，信號與系統(tǒng)(第二版)上冊，高等教育出版社，2001：157～159.

A Development of the Simultaneous Acquisition System of ECG Signal and Pulse Wave

CHENG Chao
College of Bioengineering, South-Central University for Nationalities (Wuhan 430074)

Designed a dynamic electrocardiogram(ECG)and Pulse Wave acquisition system, and used to collect 24-hour ECG and Pulse Wave signals. Using this data,we can find dynamic relationship between EEG and Pulse Wave, which would be help for health care and treatment of disease. This system adopts ARM S3C2440 as main controlling chip SD card as Mass Storage Facility. Results from a series experiments show that, the performance of this system is well. This work will establish a foundation for late reseanch.

electrocardiogram,pulse wave,ARM,S3C2440,SD card

1006-6586(2011)02-0018-05

：R459.7

：A

2010-12-13

程超，研究生