何超文 馮智毅 廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院 醫(yī)療設(shè)備科 （廣東 廣州 510150）

心電是反映心臟活動(dòng)的電勢(shì)變化，對(duì)診斷心臟功能具有重要參考價(jià)值[1,2]。隨著便攜式醫(yī)療設(shè)備概念日漸升溫，便攜式心電檢測(cè)裝置具有不錯(cuò)前景。然而，傳統(tǒng)心電檢測(cè)裝置存在便攜差、價(jià)格貴及擴(kuò)展差等劣勢(shì)，為使用者和科研者帶來各種不便。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)更多便攜性高、成本低和性能多樣的設(shè)備成為可能。

因此，本文提出一種基于USB聲卡的便攜式心電檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方案，以便攜式計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，利用運(yùn)放INA128作為信號(hào)調(diào)理模塊的核心，結(jié)合USB聲卡來完成心電信號(hào)的模-數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集的功能，可實(shí)現(xiàn)心電檢測(cè)的高性能和便攜的要求，具有操作方便及低成本的優(yōu)點(diǎn)。

1.系統(tǒng)框架

本裝置采用模擬和數(shù)字分區(qū)設(shè)計(jì)，如圖1所示主要由信號(hào)調(diào)理模塊、USB聲卡、電源模塊及便攜式計(jì)算機(jī)等4個(gè)部分構(gòu)成。本裝置以便攜式計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，以聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，通過C#上位機(jī)程序控制聲卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模-數(shù)轉(zhuǎn)換，并完成信號(hào)顯示及數(shù)據(jù)管理。此外，本裝置把調(diào)理模塊安裝于金屬屏蔽盒中，可減少工頻干擾。

圖1.本檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1 USB聲卡

本裝置采用創(chuàng)新公司USB聲卡替代傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡，充分提高便攜性。本聲卡具有96kHz-24bits高精度采樣、USB高速傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，利用聲卡LineIn端口完成心電信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換。聲卡具有體積小、低功耗及可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 信號(hào)調(diào)理模塊

為更好提取心電信號(hào)，從電極引出的心電信號(hào)先經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊后，傳至聲卡LineIn 1端口完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。本模塊電路如圖2所示，由前置放大電路、濾波電路、右腿驅(qū)動(dòng)電路及后級(jí)放大電路構(gòu)成。根據(jù)心電檢測(cè)的技術(shù)參數(shù)，本模塊實(shí)現(xiàn)了約800倍放大、0.05～100Hz帶通和50Hz陷波濾波，從而提高心電信噪比。

圖2.信號(hào)調(diào)理模塊電路

（1）前置放大電路

由于心電強(qiáng)度微弱，常淹沒在強(qiáng)噪聲中。本電路以運(yùn)放INA128為前置放大主芯片，其具高輸入阻抗1010Ω，高共模抑制比高達(dá)130dB及低噪聲等優(yōu)點(diǎn)[3]。如圖2左上所示，記錄電極ACT和參考電極REF分別連接INA128的差分輸入端，心電先經(jīng)過預(yù)處理電路，利用二極管實(shí)現(xiàn)限幅鉗位保護(hù)，并用R-C實(shí)現(xiàn)采集抗混疊和消除高頻噪聲。信號(hào)預(yù)處理后至INA128放大，由芯片增益公式G=1+50 kΩ/RG，RG為兩個(gè)3.3 kΩ精密電阻串聯(lián)，增益約為8倍。

（2）右腿驅(qū)動(dòng)電路

電生理信號(hào)采集常用右腿驅(qū)動(dòng)技術(shù)減少人體共模信號(hào)，提高共模抑制比[4,5]。如圖2左下所示，用電阻搭建的平均網(wǎng)絡(luò)把人體共模電壓引出后，經(jīng)由運(yùn)放OPA227組成的反向跟隨器和電極RLD反饋到人體中，形成共模電壓負(fù)反饋，從而減弱電極上共模電壓輸入[4,5]，提高共模抑制比。

（3）濾波電路

心電信號(hào)混有各種噪聲需被濾除，根據(jù)心電信號(hào)有效頻率為0.05～100Hz[6]，本電路用三片CMRR）構(gòu)建陷波和帶通濾波[7]。通過設(shè)置運(yùn)放外圍電阻電容參數(shù)，如圖3中間所示，實(shí)現(xiàn)0.05～100Hz帶通和50Hz陷波的濾波，有效濾除噪聲，更好提取心電。

（4）后級(jí)放大電路

本電路采用運(yùn)放OPA227實(shí)現(xiàn)同相放大約100倍和100Hz的R-C低通濾波。結(jié)合前置放大，實(shí)現(xiàn)總放大約800倍，幅毫伏級(jí)幅度心電調(diào)理為伏特級(jí)，達(dá)到聲卡A/D轉(zhuǎn)換的較優(yōu)信號(hào)強(qiáng)度水平，使心電模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)數(shù)字量能更好地進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。

圖3.Visual C#上位機(jī)界面

2.3 便攜式計(jì)算機(jī)

便攜式計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，通過內(nèi)設(shè)的C#上位機(jī)程序控制USB聲卡，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸、心電檢測(cè)顯示及數(shù)據(jù)管理功能。

2.4 電源電路

本電路采用計(jì)算機(jī)USB接口（5V、500mA）供電，滿足調(diào)理模塊的低功耗要求。本電路利用隔離芯片DCR010505、電壓芯片LP2989和TPS60403，輸出調(diào)理模塊所需的±5V。這種設(shè)計(jì)可避免干電池使用時(shí)間短、電壓轉(zhuǎn)換及充電的電路龐大問題，并可減少工頻噪聲干擾。

3.軟件設(shè)計(jì)

本裝置選用Visual C#作為編程平臺(tái)，采用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)USB聲卡的控制，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集顯示及數(shù)據(jù)管理。上位機(jī)界面如圖3所示，從功能看主要分為心電記錄及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)兩個(gè)部分。

3.1 信號(hào)記錄模塊

本模塊負(fù)責(zé)完成上位機(jī)與聲卡間通訊，因兩者間需頻繁進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則將微軟公司提供的DirectSound底層函數(shù)重新封裝為Record采集函數(shù)，結(jié)合USB高速傳輸，有效地接收聲卡所采集的心電數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)管理模塊

本模塊負(fù)責(zé)受試者信息建檔，可保存?zhèn)€人信息、記錄時(shí)間、檢測(cè)波形和原始心電數(shù)據(jù)，并可打印相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.裝置測(cè)試

旨在驗(yàn)證本裝置功能的可靠性，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)三導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)記錄測(cè)試，按常規(guī)檢測(cè)步驟，電極ACT接LF，電極REF接RA，電極RLD接右腿。本裝置可在上位機(jī)中以txt文件存儲(chǔ)所采集的原始心電數(shù)據(jù)，方便離線分析。對(duì)通過本裝置所存儲(chǔ)的心電數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件作離線數(shù)據(jù)處理，用plot工具畫出心電波形，如圖4所示。由圖可見心電信號(hào)的主要成分波形，可證本裝置能基本完成心電信號(hào)的采集和存儲(chǔ)。

圖4.利用Matlab軟件繪制的原始心電波形

5.結(jié)論

本文所述的一種基于USB聲卡的便攜式心電檢測(cè)裝置，利用C#編程控制USB聲卡完成心電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，可靠地檢測(cè)心電信號(hào)。經(jīng)測(cè)試證明，本裝置既滿足心電檢測(cè)要求，又具有低成本、便攜性及低功耗的特點(diǎn)，為臨床使用和基礎(chǔ)科研提供一種操作便利的心電檢測(cè)裝置。

[1]關(guān)世平,許建萍,房鳳英,等.240例室性早搏的心電圖臨床意義及分析[J].中國初級(jí)衛(wèi)生保健,1995,6(12):47.

[2]NORRIS R M.Circumstances of out of hospital cardiac arrest in patients with ischaemic heart disease[J].Heart,2005,91(10):1537-1540.

[3]Texas Instruments.INA128 Data Sheet.January,2018.

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[5]鄒波,柴繼紅.基于ARM處理器的心電血壓監(jiān)護(hù)儀的研制[J].醫(yī)療裝備,2005,18 (1):7-10.

[6]宋艷濤,朱彩兵,魏蘭蘭.高通濾波電路對(duì)心電波形ST段精確測(cè)量的影響研究[J].中國醫(yī)療器械雜志,2013,37(5):319-321.

[7]Texas Instruments.OPA227 Data Sheet.June, 2015.