蔣求生 周姣

摘要

康復(fù)治療床通過(guò)心電信號(hào)控制器檢測(cè)患者的心電信號(hào)，根據(jù)心電信號(hào)智能調(diào)整治療狀態(tài)，達(dá)到最佳的治療效果。心電信號(hào)控制器由無(wú)線充電供電模塊、心電信號(hào)處理模塊、信號(hào)的Wi-Fi發(fā)送模塊，本文重點(diǎn)介紹心電信號(hào)模塊的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】康復(fù)治療床 心電信號(hào) Wi-Fi

康復(fù)治療床可用于術(shù)后、老年人、肢體受傷者進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)治療，治療床具有自適應(yīng)調(diào)整功能，即根據(jù)設(shè)定的工作范圍與患者的心電信號(hào)，智能控制康復(fù)治療床的工作頻率與運(yùn)動(dòng)幅度。當(dāng)心電信號(hào)正常時(shí)提高工作頻率與工作幅度，當(dāng)心電信號(hào)出現(xiàn)異常趨勢(shì)時(shí)，降低工作頻率與幅度，甚至停止運(yùn)動(dòng)治療，確保患者安全，達(dá)到最佳治療效果。

1 設(shè)計(jì)需求

1.1 功能需求

康復(fù)治療床采用無(wú)線充電與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕y(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。所以心電信號(hào)控制器的供電由無(wú)線功率接收器給鋰電池充電，充電后由鋰電池供電;心電信號(hào)控制器通過(guò)電極獲取心電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大以及ADC處理，將心電信號(hào)的波形數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)設(shè)定的Modbus通訊協(xié)議通過(guò)Wi-Fi通訊模塊發(fā)送給康復(fù)治療床的主控制系統(tǒng)。

1.2 性能參數(shù)

I導(dǎo)聯(lián)+右腿驅(qū)動(dòng)電路的心電信號(hào)采集;體積小便攜;無(wú)線信號(hào)傳輸;無(wú)線充電;每5ms傳輸一次心電信號(hào)。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 心電信號(hào)放大

心電信號(hào)具有如下典型特征，即：

（1）信號(hào)幅度小，在0.05-5mV之間;

（2）阻抗高，在幾十到幾十萬(wàn)歐姆之間;

（3）頻率低，在0.05-100Hz之間;

（4）不穩(wěn)定因素多，如環(huán)境變化，個(gè)體差異等。

MCU在進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換時(shí)，其輸入范圍為0-3.3V，所以系統(tǒng)的信號(hào)放大器的放大倍數(shù)約為1000，由于人體的高阻抗存在，為獲取較好的心電信號(hào)，放大電路的輸入阻抗要求高，另外放大器的帶通范圍為0-100Hz。

2.2 心電信號(hào)濾波

心電信號(hào)的干擾信號(hào)多，故濾波電路的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，首先是肌電干擾，肌電信號(hào)的頻率為5-2KHz，與心電信號(hào)重疊，相對(duì)心電信號(hào)來(lái)說(shuō)為高頻干擾;其次是工頻干擾，由于市電采用50Hz交流電，人體的分布電容與電極之間會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生工頻干擾，需要采用50Hz的陷波電路濾除工頻干擾;再次是基線漂移，由于電極與皮膚的接觸電阻分壓以及人體組織器官運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致心電信號(hào)發(fā)生變化，產(chǎn)生高頻干擾。所以心電信號(hào)的硬件濾波有低通、高通、限波電路，以及軟件濾波算法。

3 設(shè)計(jì)說(shuō)明

3.1 心電信號(hào)控制器總體設(shè)計(jì)

心電信號(hào)控制器如圖1所示構(gòu)成，其中無(wú)線充電電路接受無(wú)線功率發(fā)射器的電能，轉(zhuǎn)換為直流電對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，充完后控制器由鋰電池供電，電源變換模塊是將鋰電池的直流轉(zhuǎn)換為心電信號(hào)放大器所需的+5V和-5V，以及MCU即STM32嵌入式系統(tǒng)所需的+3.3V，Wi-Fi數(shù)據(jù)傳送模塊的+5V。

3.2 心電信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

如圖2所示，前置放大電路從電極RA、LA獲取心電信號(hào)，利用差分三運(yùn)放進(jìn)行專業(yè)放大，同時(shí)通過(guò)取樣心電信號(hào)利用運(yùn)放產(chǎn)生反相的肌電驅(qū)動(dòng)信號(hào)送給PL。低通濾波器與高通濾波器組成系統(tǒng)的帶通濾波器，通頻帶范圍為0.05-100Hz。主運(yùn)放用于放大信號(hào)，因?yàn)樵谇爸梅糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)為10，所以主運(yùn)放的放大倍數(shù)為100。電壓抬升電路將有+有-的心電信號(hào)進(jìn)行直流抬升，使其轉(zhuǎn)換為全+的電壓信號(hào)。

3.3 MCU控制模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中的MCU從系統(tǒng)的處理速度、穩(wěn)定性、可靠性、性價(jià)比以及存儲(chǔ)空間等方面進(jìn)行綜合考慮采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RBT6，具有72MHzde時(shí)鐘頻率，雙路12ADC，三個(gè)16定時(shí)器，1個(gè)PWM，128KFLASH，84個(gè)中斷。STM32在系統(tǒng)中的作用：

（1）進(jìn)行信號(hào)的數(shù)字濾波，

（2）對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，

（3）將數(shù)字化的心電信號(hào)用ModBus協(xié)議通過(guò)Wi-Fi發(fā)送給康復(fù)治療床的主控系統(tǒng)。

3.4 前置放大電路設(shè)計(jì)

前置放大電路以AD620位核心器件，AD620內(nèi)置三運(yùn)放差分放大器，外接元件少，使用簡(jiǎn)單可靠，輸入阻抗達(dá)10G歐姆，電壓溫漂低至1uV/℃，噪聲電壓低至0.28uV，放大倍數(shù)可通過(guò)外置反饋電阻R5（如圖3）方便調(diào)節(jié)，本電路配置放大倍數(shù)為10，其共模抑制比（CMRR）可達(dá)100dBo信號(hào)RA、LA從AD620的-IN、+IN輸入，從OUT輸出給下級(jí)電路。OP07、R1、R2、R3、R4、C1構(gòu)成右腿驅(qū)動(dòng)電路，從R3，R4的分壓中得到輸入心電信號(hào)的肌電信號(hào)分量，通過(guò)反相放大器進(jìn)行處理輸出給PL作用于患者大腿，用于動(dòng)態(tài)抵消肌電信號(hào)的干擾。

3.5 高通濾波電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，高通濾波采用由C11、R13組成的一階RC濾波電路，其中C11=4.7uF，R13=1MΩ，將RC的值代入式（1）中，計(jì)算得到高通截止頻率為0.05Hz，即低于0.05Hz的信號(hào)不能進(jìn)入電路。

3.6 低通濾波電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，低通濾波采用有R14、C12組成的一階濾波電路，其中R14=15KΩ，C12=0.1uF，將RC的值代入式（2）種，計(jì)算得到低通截止頻率為108Hz，即高于108Hz的信號(hào)不能通過(guò)電路。

3.7 電壓抬升電路設(shè)計(jì)

電壓抬升電路由R21、R22、R23、R24以及運(yùn)放OP07構(gòu)成，如圖5所示，利用運(yùn)算放大器的虛短與虛斷原理，根據(jù)電路的伏安定律可構(gòu)建方程式（3），其中Vc為R21、R22對(duì)+5V的分壓，通過(guò)調(diào)節(jié)R21，R22可改變Vc的大小，將方程式（3）化解為方程式（4）可知，V_out不僅與V_in有關(guān)，更提高了一個(gè)固定的電壓值。

4 測(cè)試

測(cè)試條件為供電采用6800MA鋰電池5V大容量聚合物充電電池，示波器采用泰克150M雙蹤示波器。測(cè)試方法為利用電極探頭RA、LA、PL連接人體，在心電信號(hào)控制器的AD轉(zhuǎn)換輸入端獲取心電信號(hào)的模擬信號(hào)，連接到示波器進(jìn)行觀察，觀測(cè)波形如圖6所示。

5 結(jié)語(yǔ)

康復(fù)治療床的心電信號(hào)控制器主要用于患者的心率以及心臟的供血情況，采用RA、LA、PL的三電極連接法，簡(jiǎn)化的系統(tǒng)的功能，測(cè)試表明，波形清晰的展示了患者的心電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的要求，滿足了系統(tǒng)的功能要求。

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