摘要:心電信號(hào)是一種生物電信號(hào),它是心臟的電活動(dòng)在體表綜合的體現(xiàn),因?yàn)樾碾娦盘?hào)從不同層次上反映了體內(nèi)心臟工作的狀態(tài),所以在心臟疾病的診斷和治療中具有特別重大的參考意義。本文介紹了一種基于DSP的心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)候主要是采用具有一定復(fù)雜性的可編程的邏輯器件。采用這種系統(tǒng)存在較多優(yōu)勢(shì),經(jīng)濟(jì)便宜,且測(cè)量的精度高,功耗要求低,符合醫(yī)療儀器設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。
關(guān)鍵詞:心電信號(hào) 可編程邏輯器件 數(shù)字信號(hào)處理器
中圖分類(lèi)號(hào):TH77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)09(c)-0139-01
心電信號(hào)能被放置于體表的電極通過(guò)一定的聯(lián)接方式檢測(cè)出來(lái),心電信號(hào)的檢測(cè)是心臟疾病臨床診斷的關(guān)鍵。隨著家庭保健意識(shí)的增強(qiáng),心電檢測(cè)儀器逐漸開(kāi)始進(jìn)入普通家庭。DSP技術(shù)的發(fā)展,也為心電檢測(cè)儀器的便攜化與小型化提供了技術(shù)保證。本文對(duì)基于DSP芯片的心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。
1 人體心電信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理
心電綜合反映了眾多的心肌細(xì)胞的心電活動(dòng),心肌細(xì)胞受到刺激的過(guò)程導(dǎo)致了心電的產(chǎn)生。當(dāng)一端心肌細(xì)胞的細(xì)胞膜受到刺激,它對(duì)鈉、鉀等離子的通透性改變,導(dǎo)致膜內(nèi)外產(chǎn)生離子流動(dòng),并使心肌細(xì)胞復(fù)極化與除極化,這個(gè)過(guò)程中和尚處于靜止?fàn)顟B(tài)的鄰近細(xì)胞膜構(gòu)成一對(duì)電偶,這個(gè)變化過(guò)程可以被放置于體表的電極檢測(cè)出來(lái),這就是心電信號(hào)的生成機(jī)制。
2 基于DSP的心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
基于DSP的心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)包括信號(hào)模擬與數(shù)字這兩部分,圖1為該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖。心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)電路包括前端放大電路與右腿驅(qū)動(dòng)電路、濾波電路、電平抬高電路與主放大電路等。心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)電路包括電源管理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、存儲(chǔ)器模塊電路、TMS320VC5509處理器模塊電路、液晶顯示接口電路、鍵盤(pán)模塊等。其處理過(guò)程如圖1所示:首先利用傳感器來(lái)將心電信號(hào)獲取,然后處理信號(hào),包括濾波處理以及模擬放大。再通過(guò)DSP進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,將心電的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理得到平滑準(zhǔn)確的心電信號(hào)數(shù)據(jù), 最后將經(jīng)過(guò)濾波的心電信號(hào)與計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)通信。本系統(tǒng)由復(fù)雜可編程邏輯器件作為外部控制電路, 控制LCD與多通道異步串行通信。
2.2 模擬部分
前置放大器在經(jīng)過(guò)電極收集的心電信號(hào)時(shí),會(huì)將其初步進(jìn)行放大,一般放大十倍左右,當(dāng)干擾信號(hào)被抑制,再送往低通濾波器中,將0.05~100Hz之外的一些干擾信號(hào)濾除掉。而主放大器則可以將心電信號(hào)的電壓放大到約一百倍的范圍。
2.2.1 前置放大
前置放大作為最關(guān)鍵的一步, 直接影響整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集是否成功。前置放大器要求具有高共模抑制比、低漂移、高輸入阻抗、低噪聲等性能,通常采用差模輸入設(shè)計(jì)。
2.2.2 主放大電路以及帶通濾波
心電信號(hào)的頻率在0.05~100 Hz范圍內(nèi),可采用LM324的2個(gè)運(yùn)放設(shè)計(jì)成低通濾波電路與二階有源高通組合成帶通濾波。模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入要求為0~3.3V,而心電信號(hào)的幅度大概在0~5mV之間,這就需要把心電信號(hào)放大一千倍左右,由于前置放大了十倍,從理論計(jì)算,主運(yùn)放將信號(hào)應(yīng)放大一百倍。
2.3 數(shù)字部分
數(shù)字部分主要任務(wù)是對(duì)心電模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以及信號(hào)處理,然后與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信,完成其存儲(chǔ)和顯示。
2.3.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換
該系統(tǒng)使用的TMS320VC5509模數(shù)轉(zhuǎn)換器是十位連續(xù)逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器,用戶通過(guò)其內(nèi)部可編程分頻器設(shè)置不同參數(shù)以產(chǎn)生不同的采樣率,該ADC在模擬輸入中采用的是十位的采樣位寬,同時(shí)具有四路的輸入,其心電信號(hào)的頻率在0.05~100Hz范圍內(nèi),它能夠滿足采樣的要求,因此,得到的心電信號(hào)也很準(zhǔn)確。
2.3.2 設(shè)計(jì)復(fù)雜可編程邏輯器件控制電路
本系統(tǒng)對(duì)LCD及多通道的異步串行通信系統(tǒng)控制是和DSP一起實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)通過(guò)功能強(qiáng)大的復(fù)雜可編程邏輯器件擴(kuò)展了異步串行通信口,使DSP能與多臺(tái)主機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。復(fù)雜可編程邏輯器件通過(guò)地址譯碼,選擇通信端口與串行通信功能,以特定的比特率同計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。
3 軟件部分
軟件部分采取的是模塊化編程方式, 主程序的主要功能是對(duì)各個(gè)子程序進(jìn)行組織、調(diào)用、協(xié)調(diào)工作。子程序包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊子程序、數(shù)字信號(hào)處理程序、系統(tǒng)初始化程序、LCD顯示程序、計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序、鍵盤(pán)掃描程序等。系統(tǒng)充分利用了MATLAB的仿真功能,針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。
4 測(cè)試結(jié)果和分析
利用DSP開(kāi)發(fā)軟件,對(duì)比了數(shù)字濾波前后的心電信號(hào)仿真圖,通過(guò)對(duì)比我們發(fā)現(xiàn), 雖然原始心電信號(hào)經(jīng)過(guò)了濾波設(shè)計(jì), 但是受到噪聲的影響導(dǎo)致效果仍然比較差。由于設(shè)備的電氣特性以及電磁兼容等方面的原因,并因?yàn)槟M部分并沒(méi)有對(duì)50Hz工頻干擾進(jìn)行濾波,在經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣后的心電圖可識(shí)別性依然比較差,導(dǎo)致心電信號(hào)的主要波形受到影響。經(jīng)過(guò)多階帶通濾波后,可以得到十分平滑的心電圖像,能夠基本上消除掉信號(hào)中的一些毛刺,也消除了50Hz工頻的干擾。經(jīng)調(diào)試,本檢測(cè)系統(tǒng)成功過(guò)濾掉了各種干擾與噪聲,使心電圖放大了一千倍,得到的心電圖形完全符合醫(yī)學(xué)要求,并且在上位機(jī)顯示了一個(gè)健康的心電信號(hào)。
5 結(jié)語(yǔ)
目前,家庭保健是當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的一大趨勢(shì)和熱點(diǎn)?;贒SP的心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也為心電檢測(cè)儀器的便攜化與小型化提供了技術(shù)保證,并提高了其經(jīng)濟(jì)性,相信心電信號(hào)檢測(cè)設(shè)備不久之后也將進(jìn)入普通家庭。
參考文獻(xiàn)
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