[陳沉 陸奕帆 簡超峰]
?
個人健康系統(tǒng)心電數(shù)據(jù)采集設計
[陳沉陸奕帆簡超峰]
摘要隨著我國人口結(jié)構(gòu)和疾病模式的改變,傳統(tǒng)疾病治療模式已經(jīng)不能滿足人們的醫(yī)療需求,提出建立以預防保健治療為核心的個人健康系統(tǒng)。為滿足個人健康系統(tǒng)對心電生理數(shù)據(jù)的有效監(jiān)測,提出以前置放大電路、右腿驅(qū)動電路、帶通濾波電路、主放大電路、電平抬升電路和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換相結(jié)合的心電數(shù)據(jù)采集方案,濾除心電信號中的共模電壓、50Hz工頻干擾和噪聲信號等的干擾,獲取較為純凈、真實、有效地心電數(shù)據(jù)。
關鍵詞:醫(yī)療 個人健康系統(tǒng) 心血管 心電采集
陳沉
重慶郵電大學,信號與信息處理重慶市重點實驗室。
陸奕帆
重慶郵電大學,信號與信息處理重慶市重點實驗室。
簡超峰
重慶郵電大學,信號與信息處理重慶市重點實驗室。
醫(yī)療服務作為國家公共服務的重要組成部分,是社會經(jīng)濟文化可持續(xù)發(fā)展的重要基礎,個人健康問題已經(jīng)成為社會關注的焦點。伴隨社會經(jīng)濟文化的不斷提高,大眾的生活方式發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變,對我國人口結(jié)構(gòu)、疾病模式也產(chǎn)生了深遠影響。自20世紀90年代以來,我國老年化進程不斷加快,65歲及以上老人從1990年的6299萬上升到2000年的8811萬,占人口比例的6.96%,預計到2040年,老年人口占總?cè)丝诘谋壤龑^20%;[1]主要的疾病模式已從傳染病和缺乏營養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁苑莻魅静橹鳎圆〉母甙l(fā)人群已經(jīng)不局限在老年人群中,也漸漸出現(xiàn)低齡化的趨勢,越來越多的年輕人也被慢性病所困擾,給個人、家庭和社會帶來了巨大的經(jīng)濟負擔。[2]
由國家心血管病中心、中國心血管報告編寫組于2015年8月發(fā)布的《中國心血管報告2014》顯示,中國心血管患病率和死亡率持續(xù)上升,已經(jīng)成為我國居民首位死因,構(gòu)成居民疾病死亡的40%以上,因此心血管疾病便成為我國最為危險的慢性疾病。[3]我國針對心血管或心臟病多采用傳統(tǒng)的病發(fā)治療模式,往往一旦病發(fā)便會有致命的危險,所以要建立預防保健為主的個人健康系統(tǒng)治療模式,在早期階段發(fā)現(xiàn)疾病,降低群眾患病率,為大眾減輕不必要的醫(yī)療負擔。
個人健康系統(tǒng)是以患者數(shù)據(jù)為中心,融合無線通信、傳感器、云計算與大數(shù)據(jù)處理等技術(shù),圍繞“感、知、行”的醫(yī)療模式,旨在打造一個遠程智能的疾病預防與護理系統(tǒng)?!案小本褪且袁F(xiàn)代信息技術(shù)為基礎,利用多種傳感器實時監(jiān)測各種生理體征數(shù)據(jù),通過無線智能終端傳送到醫(yī)療數(shù)據(jù)服務中心,實現(xiàn)長期、精確、便捷、及時、無創(chuàng)的人體常規(guī)生理數(shù)據(jù)的采集?!爸奔词沁\用遠程醫(yī)療和大數(shù)據(jù)存儲處理服務平臺,應用數(shù)據(jù)挖掘和病理發(fā)現(xiàn)理論對個人的醫(yī)療歷史建模分析,同時結(jié)合專業(yè)醫(yī)護人員專業(yè)護理診斷,達到可靠、盡早、快速、高效的發(fā)現(xiàn)疾病隱患和預測健康風險。
個人健康系統(tǒng)由傳感器感知層、智能終端控制層和云計算服務層組成,傳感器感知層負責采集人體生理信息,并對采集數(shù)據(jù)進行處理。隨著個人健康系統(tǒng)建設的不斷推進和完善,鑒于我國心血管疾病的嚴重性,對心電生理數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測已經(jīng)成為個人健康系統(tǒng)重點研究方向。
2.1心電數(shù)據(jù)采集方案
由于人體生理活動處于一個不斷變化的過程中,人體產(chǎn)生的生理電信號相對比較復雜,具有信號幅值小、干擾噪聲大、頻率較低、隨機性大的特點。[4]而心臟作為人體最為重要的器官,為了獲取精準的人體心電數(shù)據(jù)信息,不僅需要克服人體一般生理信號提取的困難,還需要解決在記錄ECG過程中受到的工頻干擾、電極接觸噪聲、呼吸引起的基線漂移、肌電干擾和電子設備干擾等的影響,因此提出心電數(shù)據(jù)采集方案,具體如圖1心電采集結(jié)構(gòu)框圖所示。
根據(jù)圖1所示,心電采集方案分為心電信號采集前端和心電信號處理后端兩部分構(gòu)成。心電信號采集前端由心電導聯(lián)電極、右腿驅(qū)動電路、前置放大電路、帶通濾波電路、主放大電路和電平抬升電路組成,負責體表心電信號的采集和信號預處理;心電信號處理后端由A/D轉(zhuǎn)換器、ARM Cortex-M3處理器和數(shù)字信號處理電路組成,經(jīng)過預處理的心電信號輸入到ARM Cortex-M3中進行A/D轉(zhuǎn)換,進行數(shù)字信號處理,得到純凈的數(shù)字化心電信號。
圖1 心電采集結(jié)構(gòu)框圖
2.2前置放大電路設計
人體心電信號經(jīng)由導聯(lián)電極檢測到后,進入前置放大電路,前置放大電路對采集的心電信號進行放大,獲取心電信號的差模電壓。[5]而在采集人體體表生理電壓時,體表的共模電壓會伴隨差模電壓一起被采集,并對有效地差模電壓產(chǎn)生干擾,因此前置放大電路應該具有良好的共模抑制比。如圖2前置放大電路設計所示。
圖2 前置放大電路
如圖2中RA、LA代表采集的人體右左兩臂電位,RA、LA電信號分別通過電信號射極跟隨器U1A和U1B后輸入INA118放大器U3,使心電信號放大10倍。為了提高前置放大電路的共模抑制比,降低輸入信號的共模電壓,將U1A、U1B設計成電壓跟隨器,使RA、LA端的輸入電壓與跟隨器輸出電壓保持相對穩(wěn)定,加大前置放大電路輸入阻抗,進而提高電路的共模抑制比,實現(xiàn)具有高共模抑制比的前置放大電路。
2.3右腿驅(qū)動電路設計
在心電信號采集過程中,導聯(lián)電極貼片容易與環(huán)境中的電力線、電容等產(chǎn)生共模位移電流,共模位移電流會跟隨心電信號進入前置放大電路。為抵消共模位移電流帶來的影響,右腿驅(qū)動電路用于提取前置放大電路中的共模位移電流,將共模位移電流反饋至人體體表,從而抵消采集過程中產(chǎn)生的共模位移電流帶來的影響。[6]如圖2.3所示右腿驅(qū)動電路。
圖3所示,共模位移電流經(jīng)電壓跟隨器U2B的5號引腳接入右腿驅(qū)動電路,U2B電壓跟隨器用于穩(wěn)定輸入的共模位移電流,同時U2A與C2、 R4組成浮地驅(qū)動電路,將采集到的人體共模信號放大后反饋于人體右腿,使得人體相對于地面為零電位,進而提高電路總體的共模抑制比,降低共模電壓,較好地抑制50Hz工頻干擾。為了預防人體與地面出現(xiàn)高電壓的偶然情況,需要使用大阻值電阻R4,起限流保護的作用,確保整個電路的穩(wěn)定、有效地運行。
圖3 右腿驅(qū)動電路
2.4帶通濾波電路設計
人體體表的初始心電信號頻率主要集中分布在0.03到100Hz之間,最大的心電信號幅值僅為1mV左右,[7]而在0.03~100Hz之外頻率的信號皆為噪聲信號,極其容易淹沒掉有效地心電信號,設計帶通濾波電路能夠較好的濾除噪聲信號,使得0.03~100Hz之外的信號大幅衰減,提高輸出信號的信噪比。具體帶通濾波電路設計如圖4所示。
如圖4所示,輸入信號從左端接入帶通濾波電路,帶通濾波電路由一階有源高通濾波電路和一階有源低通濾波電路構(gòu)成。一階有源高通濾波電路由放大器U4A、R8 和C12組成,用于濾除頻率低于0.03Hz的信號,保留并輸出頻率高于0.03Hz的采集信號;U4B、C21、R9構(gòu)成一階有源低通濾波器,該低通濾波器使高于100Hz頻率的信號大大衰減,達到基本濾除高于100Hz頻率的信號,保留并輸出頻率低于100Hz的信號。因此帶通濾波電路運用高通濾波電路和低通濾波電路,濾除0.03~100Hz頻率區(qū)間之外的噪聲信號,獲得較為純凈的心電模擬信號,確保心電信號的準確、可靠。
圖4 帶通濾波電路
2.5主放大和電平提升電路設計
導聯(lián)電極采集的初始心電信號最高幅值只有1mV,前置放大器對信號的放大增益只有10倍左右,無法達到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電平0~3.3V的要求,即需要將前置放大器的輸出信號再放大100左右才能正常驅(qū)動A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行工作。[8]具體電路設計如圖5主放大電路和圖6電平提升電路所示。
圖5 主放大電路
圖6 電平提升電路
主放大電路的運放芯片采用OPA2604,當輸入信號從左端進入,采用R13和R17可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)放大的增益,使主放大電路輸出信號電壓在-0.5~1.5V之間,但仍未達到模數(shù)轉(zhuǎn)換的電壓要求,需將主放大電路輸出信號通過電平提升電路,進行電平提升,正常進行心電信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。
目前臨床采用的心電采集導聯(lián)方式有12種,整體分為三大類:標準肢體導聯(lián)、單極肢體導聯(lián)和胸前導聯(lián)。本次功能測試采用標準肢體導聯(lián)類別的標準Ⅰ導聯(lián),即導聯(lián)電極貼片正極貼左、右上肢,負極接右下肢。導聯(lián)電極貼片采集的心電信號經(jīng)過心電信號采集前端放大、濾波預處理后,將輸出信號傳入心電信號處理后端,ARM Cortex-M3處理器對輸入信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號處理,并在LCD顯示屏上繪制實時心電圖。實時心電圖顯示效果如圖7心電圖所示。
圖7 實時心電圖
本文基于我國傳統(tǒng)病發(fā)治療模式向預防保健治療模式轉(zhuǎn)變的背景下,個人健康系統(tǒng)建設的不斷深入,對人體生理數(shù)據(jù)采集要求和標準不斷提高,本文針對人體重要生理指標之一,心電數(shù)據(jù)采集過程中存在的信號干擾進行研究分析,提出采用心電信號采集前端和心電信號處理后端相集合的心電數(shù)據(jù)采集方案,引入前置放大電路和右腿驅(qū)動電路解決初始心電信號共模電壓干擾,運用帶通濾波電路濾除0.03-100Hz頻率區(qū)間之外的噪聲信號,獲取有效地心電信號數(shù)據(jù),再通過主放大電路、電平提升電路提高心電信號電壓增益,使心電信號電壓符合模數(shù)轉(zhuǎn)換電平要求,最后ARM Cortex-M3處理器對接收到的數(shù)字化心電數(shù)據(jù)繪制心電圖波形,成功在LCD顯示屏上顯示。
參考文獻
1于磊.淺談老年化社會形勢下的預防保健措施[J].中國實用醫(yī)藥,2014,35:240-241
2唐金華.中國居民慢性非傳染性疾病現(xiàn)狀及危險因素[J].中國醫(yī)藥指南,2013,17:486-487
3中國心血管報告2014
4董云鵬.體域網(wǎng)智能終端數(shù)據(jù)傳輸與處理關鍵技術(shù)研究[D].山東師范大學,2014
5張石銳,鄭文剛,黃丹楓,趙春江.微弱信號檢測的前置放大電路設計[J].微計算機信息,2009,23:223-224+188
6蔣鑫,劉紅星,劉鐵兵,何愛軍.生物電采集中右腿驅(qū)動電路參數(shù)的確定[J]. 北京生物醫(yī)學工程,2011,05:506-511
7徐涵.基于藍牙的心電采集和傳輸系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].東華大學,2013
8王余濤.基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式心電監(jiān)護系統(tǒng)的研制[D].哈爾濱工業(yè)大學,2010
DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.04.016
收稿日期:(2016-01-08)