［陳沉　陸奕帆　簡超峰］

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個人健康系統(tǒng)心電數(shù)據(jù)采集設(shè)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(yù)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(guān)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(xué)，信號與信息處理重慶市重點實驗室。

陸奕帆

重慶郵電大學(xué)，信號與信息處理重慶市重點實驗室。

簡超峰

重慶郵電大學(xué)，信號與信息處理重慶市重點實驗室。

引言

醫(yī)療服務(wù)作為國家公共服務(wù)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(chǔ)，個人健康問題已經(jīng)成為社會關(guān)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(yù)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?，慢性病的高發(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(dān)。［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(yù)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(dān)。

1　個人健康系統(tǒng)概念

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(yù)防與護理系統(tǒng)。“感”就是以現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，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(wù)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(wù)平臺，應(yīng)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(yù)測健康風(fēng)險。

2　心電數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)

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(wù)層組成，傳感器感知層負責(zé)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(shè)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(fù)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(shè)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(dǎo)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(zé)體表心電信號的采集和信號預(yù)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(yù)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(shè)計

人體心電信號經(jīng)由導(dǎo)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(yīng)該具有良好的共模抑制比。如圖2前置放大電路設(shè)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(shè)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(shè)計

在心電信號采集過程中，導(dǎo)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(yù)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計

導(dǎo)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(shè)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(dāng)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。

3　心電采集功能測試

目前臨床采用的心電采集導(dǎo)聯(lián)方式有12種，整體分為三大類：標準肢體導(dǎo)聯(lián)、單極肢體導(dǎo)聯(lián)和胸前導(dǎo)聯(lián)。本次功能測試采用標準肢體導(dǎo)聯(lián)類別的標準Ⅰ導(dǎo)聯(lián)，即導(dǎo)聯(lián)電極貼片正極貼左、右上肢，負極接右下肢。導(dǎo)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(yù)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

4　結(jié)論

本文基于我國傳統(tǒng)病發(fā)治療模式向預(yù)防保健治療模式轉(zhuǎn)變的背景下，個人健康系統(tǒng)建設(shè)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(yù)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(guān)鍵技術(shù)研究［D］.山東師范大學(xué)，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(shè)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(xué)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(shè)計與實現(xiàn)［D］.東華大學(xué)，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(xué)，2010

DOI：10.3969/j.issn.1006-6403.2016.04.016

收稿日期：（2016-01-08）