心电信号采集记录系统的设计

　

　?726? 计算机测量与控制.2005.13(7)　Computer Measurement &Control

设计与应用

收稿日期:2004-07-21;　修回日期:2004-11-08。

作者简介:张飞(1979-),男,河南太康县人,在读硕士研究生,主要从事生物医学信号采集和处理方向的研究。

何继善(1934-),男,湖南省浏阳市人,中国工程院院士,博士生导师,主要从事地球物理学的研究。

文章编号:1671-4598(2005)07-0726-03 中图分类号:TP274;R541 文献标识码:B

心电信号采集记录系统的设计

张　飞1,赵于前1,王　烨1,廖云鹏2,何　刚1,何继善1

(1.中南大学信息物理工程学院,湖南长沙410083; 2.深圳理邦精密仪器有限公司,广东深圳518054)摘要:为了更好地解决心电信号的采集和处理问题,设计了以高性能DSP 芯片TMS320C32x 为核心心电信号的采集记录系统,对心电信号的放大、滤波部分的硬件设计进行了重点研究并针对实际应用设计了检测电路,以C 语言为基础设计了系统软件和针对于心电信号处理的自适应滤波器,实践证明该系统能很好地完成对心电信号的采集、滤波和记录。

关键词:数字信号处理器;心电信号;自适应滤波器

Design of R eal -time Acquisition and R ecord Instrument for ECG

Zhang Fei 1,Zhao Yuqian 1,Wang Ye 1,Liao Yunpeng 2,He Gang 1,He Jishan 1

(1.School of Info -physics and Geomatics Engineering ,Central South University ,Changsha 410083,China ;

2.Shenzhen Edan Instruments INC ,Shenzhen 518054,China )

Abstract :In order to better solve t he problems in t he acquisition and processing for ECG ,a system ,which is a real -time acquisition and record instrument for ECG wit h t he core of high -performance DSP chip :TMS320C32x is designed.And t he majority of t he paper is to study t he design of t he hardware of ECG ’s magnification and filter.A checking electronic circuit for practical use is designed.The hardware of t he system and t he adaptive filter for processing t he ECG is designed based on C language.The result shows t hat t he system can complete t he acquisition ,filtering and record very well.

K ey w ords :DSP ;ECG;adaptive filtering

0　引言

心血管疾病是人类生命的最主要的威胁,而心电(ECG ,electrocardiogram )信号是诊断心血管疾病的主要依据,因此实时检测病人心电活动、设计自动采集存储病人心电信号的便携式系统具有重要意义。

心电信号是由人体心脏发出相当复杂的微弱信号,其幅度

一般在10

μV ～5mV 之间,频率为0105～100Hz ,外界干扰以及其他因素的存在使其变得更难以检测[1]。心电信号采集处理系统以抑制干扰

、得到较为理想状态下的心电信号为目的。在心电信号滤波和处理算法中,要频繁进行大量的数据乘、加运算,如采用普通的单片机来实现,其自身结构的局限性使得数据处理的速度达不到要求。因此本系统采用高速数字信号处理器(DSP ,Digital Signal Processor )来满足要求[2]。

图1　系统总体框图

1　概述

心电信号采集处理系统有多路开关、放大电路、滤波电路、A/D 转换、DSP 、导联脱落检测电路、SDRAM 存储和USB 接口[3]等组成。为了使此系统携带方便,不影响患者的日常生活,设计时使用了尽量少的芯片,使最后开发的系统体积小,实现真正的携带方便[4]。同时采用大容量SDRAM 存储器,可以存储更长时间的心电信号,即使在断电的情况下数据也可以长时间保存。系统总体框图如图1所示。

2　系统组成

211　DSP 芯片TMS320C32[5-6]

TMS320C3X 为TI 公司生产的系列高速DSP 芯片。采用

哈佛结构和并行、流水线操作,在数据处理上很有优势。经比

较,TMS320C3X 不仅符合设计要求,并且性价比高,对此系统设计较适用。212　心电信号的传感、放大及滤波21211　心电输入电极[7]

电极对动态心电图采集记录心电信号的质量至关重要,采用电极应贴附力强、透气性好、吸汗、电极导电性能好、极化电压低的优质电极,此外还应该具有对皮肤刺激小、佩带舒适、拆卸方便等优点。通常采用表面镀有AgC l 的可

拆卸的一次性软电极,并在电极上涂有优质导电膏。21212　心电信号的放大

心电信号属于高强噪声下的低频微弱信号,且电极与体表的接触电阻一般高达几兆欧,所以要求前置放大级应具有高输入阻抗、高共摸抑制比、低噪声、高增益且可调、低功耗和抗干扰能力强的特点[8]。经过比较,选用Analog Device 公司的低价仪表放大器AD620。具体实现电路如图2所示。

第7期张飞,等:

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图2　心电信号的放大电路示意图

心电信号前置放大级的增益不易设定太高,以免在干扰较

强时信号引起严重失真。为更好的消除共模电压,设计了自举屏蔽驱动电路如图2所示。采用缓冲放大器将连接点的共模电位驱动到屏蔽线,在输入共模信号时使屏蔽线与芯线等电位,在差模信号输入时没有影响[9]!为了进一步提高电路的抗干扰能力,采用右腿驱动电路从根本上降低空间电场在人体上产生的干扰。具体电路如图2所示。此右腿驱动不是实际意义上的右腿驱动,因为由于此系统的侧重点在于便携操作,选用腹部右下侧设置电极。21213　电极脱落检测

由于此系统应用于人体日常生活中,人常常处于活动状态,这样输入电极很可能脱落,从而使系统不能正常工作。为此,设计了导联电极脱落检测电路如图3所示

。

图3　电极脱落检测电路图

正常情况下,正负电极对人体皮肤形成的极化电压可以互

相抵消。当一侧电极脱落时,将有较大的极化电压输入,通过一个比较器,当比较电压超出范围时,认为电极导联脱落,V o 输出电平由正常时的高电平变为低电平,下级三极管导通,蜂鸣器发声指示。

21214　心电信号的滤波

正常的心电信号频率范围为0105～100Hz ,而90%的心电信号(ECG )频谱能量集中在0125～35Hz 之间。受到各种噪声的干扰,噪声来源通常有下面几种:工频干扰、电极接触噪声、人为运动肌电干扰(EM G )、基线漂移等[10]。其中这些干扰中50Hz 的工频干扰最为严重,也是最难消除的。其他的各种噪声通过高截低通、高通低截滤波方法可以很好地消除,主要讨论50Hz 的工频干扰的滤除。由于采用TMS320C32,所以从硬件和软件两方面对其进行消除。硬件部分采用双T 有源滤波器[11]。其具体电路如图4所示

。

图4　双T 滤波示意图

3　后级PCG 、A/D 和FP GA [12]

从人体体表拾取的心电信号一般只有10

μV ～5mV ,频谱范围0105～100Hz 。心电信号正常输出时,其幅值约为1mV ,而A/D 转换器的输入电平要求达到1左右,即心电放大器的放大倍数约为1000倍。心电信号前置放大级的增益不易设定太高,以免在干扰较强时信号引起严重失真,为此要达到较高的合适的放大倍数就要有后级放大器,并且要可调增益。这里选用可编程增益放大器P GA204。其数字可编程增益1,10,100,1000,与前置放大级组合成合适的增益;其线性失调最

大值50μV ,基线漂移最大值±0125

μV/℃,能很好的满足系

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统需要。

经综合考虑,A/

D 转换选用ADS8325。ADS8325是16位,取样、模数(A/D )转换器,线性特性非常好,低燥声,低失真。典型转换速率100KSPS 。

FP GA (Filed -Programmable G ate Array ,现场可编程门阵列)模块主要提高系统的通用性和构件性,便于以后系统的扩展和重构。其实现数据接口与DSP 之间的数据缓冲、进行各种逻辑控制。经比较采用Atmel 的A T17C512芯片,实现对多路开关MUX 和P GA 进行逻辑控制,并作为DSP 的协处理器对数据进行预处理。

4　系统软件设计

系统软件主要有TMS320C32的软件引导程序、50Hz 工频数字滤波[13]、数据存储和发送。引导程序比较简单,把系统软件移到高速RAM 中。主程序流程图如图5所示

。

图5　主程序流程图

这里主要讨论50Hz 的数字滤波器的设计。在心电信号的

采集和记录过程中,50Hz 工频干扰是经常存在的。通常可以采用点阻滤波、分段滤波等手段来抑制。但由于50Hz 干扰信号落在心电信号的有效频带内,上述方法对心电信号的有效成分会造成一定的损害。本系统采用自适应滤波的方法去除50Hz 工频干扰。自适应的意思指针对不对的环境或条件可以自动进行调整滤波器参数,以更好的适应环境和条件,这在心电信号处理中很重要。这里给出滤波器等效的传递函数:

H (Z )

=E (Z )D (Z )

=1-2cos (ω0T )

Z -1+Z -21-2(1-μC 2)cos (ω0T )

Z -1+(1-2μC 2)Z -2其中,收敛因子μ=01001,C =5。滤波前后的心电波形分别

如图6、7所示

。

图6　

原始含干扰的心电信号示意图

图7　自适应滤波后的心电信号示意图

5　结论

该动态心电信号采集存储系统充分发挥DSP 芯片运算速

度快和浮点运算的优点,使滤波函数得以较好的实现,此系统具有体积小、存储量大、工耗低、工作时间长(连续24h 以上)等特点。由于采用了DSP 和新的算法,采集的信号失真小,保真度高,对ECG 信号的采集准确率大大提高。系统也充分考虑了实际情况,在设计中也预留了扩展接口,以便于以后系统的扩展。

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