便携式心电信号检测系统的设计

孙会楠, 禹永植, 王宁玉

(1. 哈尔滨华德学院 电子与信息工程学院, 黑龙江 哈尔滨　150025; 2. 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院, 黑龙江 哈尔滨　150001)



便携式心电信号检测系统的设计

孙会楠1, 禹永植2, 王宁玉1

(1. 哈尔滨华德学院 电子与信息工程学院, 黑龙江 哈尔滨150025; 2. 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院, 黑龙江 哈尔滨150001)

摘要:设计了基于DSP体系结构的心电信号检测系统.采用AgCl传感器采集人体心电信号,通过一定的导联装置将信号送到以INA118为主的前置放大电路进行模拟信号的采集,然后应用DSP内部的A/D转换数据,再进行数据滤波,最终得到准确的心电信号数据,供医护人员及时进行诊断分析.

关键词:心电信号; 数字信号处理; FIR滤波器; 自适应滤波器

据调查,心脏疾病一直是世界上发病率和死亡率都比较高的疾病,设计一款能随时监测心电信号的仪器是预防心脏病最有效的方法,心电信号检测仪就是在这样的背景下诞生的,通过心电信号检测仪可以随时诊断出心脏疾病[1].目前市面上绝大多数心电信号检测仪都被固定的用于医院,病人只有到医院才能进行监护和相应的病情分析;并且医院所用的心电信号检测设备几乎全部都是进口的,设备成本特别高,体积都比较庞大,移动十分不方便[2].近几年在全国各大院校和科研院所也有人在研制便携式的心电信号检测系统,但处理器大多数都基于单片机,处理速度慢,不能够实现实时显示的功能.因此,研制一款多功能、价格低廉、智能化、家庭化的心电信号检测系统,对于心脏疾病的发现诊断具有重要意义.

目前,DSP由于其优秀的哈弗结构、高处理速率的优点,被应用在通信、生物医学等众多领域.本文从降低系统的成本以及提高整个系统处理速度的角度出发,提出将DSP处理器芯片TMS320F2812应用到心电检测系统中,设计了基于DSP体系结构的心电信号检测系统.整个系统分为硬件电路的设计及软件程序的开发,硬件电路设计分为心电信号提取及调理电路和心电信号处理电路两大部分.软件程序的开发是在DSP的集成软件开发坏境CCS下用C语言来编程实现,采用的是模块化编程方式.

本文设计的基于DSP处理器的心电信号检测系统实现了对信号的实时采集和处理,提高了心电信号的检测精度和系统的稳定性、可靠性.与传统的晶体管、电子管检测系统相比,该系统具有小型化、智能化的特点,具有广阔的应用前景和实用价值.

1系统的硬件设计

1.1整个系统的工作原理

系统总体框图如图1所示,整个系统分为模拟和数字两大部分,分别对应着心电信号提取及调理电路和心电信号处理电路.

心电信号提取及调理电路的放大特性、抗干扰能力及稳定性直接关系到系统中采集的心电数据质量,该电路包括心电电极和导联线、前置放大电路、右腿驱动电路、滤波电路、主放大电路和电压抬升电路.心电信号处理电路主要进行信号模数转换、数据的处理等,该电路部分主要由DSP微处理器、键盘、电源电路、通信接口及JTAG调试接口组成[3].

系统的工作原理:首先通过AgCl传感器采集人体心电信号,通过一定的导联装置将信号送到前置放大电路进行初步放大、模拟滤波处理、主放大、电压抬升等处理;然后应用DSP内部的A/D转换单元将数据进行模拟/数字的转换,然后利用DSP进行数据的滤波运算,得到去除噪声的准确心电信号,最后通过串口或USB接口将数据传置计算机并显示,同时结果存储到上位机中,供医护人员及时进行诊断分析.

图1　系统总体框图

1.2心电信号提取及调理模块设计

心电信号的特点是频率较低、幅值较小,体表ECG一般只有0.05～5 mV,频率在0.05～100 Hz之间,能量主要集中在17 Hz附近.另外,心电信号经常淹没在强噪声中,在信号的提取过程中容易受到各种因素的干扰从而导致检测信号失真严重.对于心电信号检测系统来说,合理设计信号提取及调理电路是十分必要的.信号调理模块,用传感器将原始心电信号采集输出,然后通过信号调理的前置放大、滤波、主放大、电压抬升等各种功能电路对信号进行处理,能够提高该系统对信号检测的可靠性及稳定性.因此本设计中的心电信号提取及调理模块包括前端放大、主放大和滤波电路、电平抬高电路等,从而实现信号的调理作用.通过采集系统采得人体的心电信号先要经过前置放大电路,将心电信号进行模拟放大,滤波和电平抬高等处理.

下面简要介绍一下关键电路的设计.

(1) 前置放大.由于心电信号比较微弱,很容易受50 Hz工频干扰及环境干扰,因此前置放大器的设计采用差模输入,具有输入阻抗高、KCMRR(共模抑制比)高、功耗低、抗干扰强等特点.具体电路如图2所示.

图2　前置放大电路图

本电路采用INA118作为第一级放大器.该放大器由美国B-B公司生产,能够放大微弱生物信号,同时具有较高的KCMRR以及带宽高的特点.通过调整INA118脚1和脚8间的电阻Rg,可获得1～1 000的增益.电阻Rg的大小可由:Rg=50 kΩ/(G-1)式决定,式中G为增益.本电路中前置级放大电路放大倍数设置为不可调,取Rg=4.4 kΩ,即增益为G=1+50 kΩ/4.4 kΩ≈12.36,此时放大效果最好[4].

(2) 带通滤波电路.心电信号是微弱的生理信号,频率主要集中在0.05～100 Hz的低频段,很多干扰信号都在此频段范围内,它们对心电信号都会造成严重的干扰.为避免干扰信号影响心电信号,并对心电信号进行合理保护,必须设计一个高质量的带通滤波器电路,具体电路如图3所示.本电路由C32和R34构成高通电路,由LM324运放、C33、C34、R38和R39构成二阶有源低通滤波电路,它们共同组成带通滤波[5].

图3　带通滤波电路

(3) 主放大电路设计.由于心电信号的幅度约为5μV～4mV(典型值为1mV),A/D转换的输入电平要求为0～3.3V,心电信号虽然通过前置放大电路进行初步放大,但电压幅度还没有达到能够直接进行A/D转换.为了使心电信号电压幅度满足A/D转换要求,在进行A/D转换之前,需要对其进一步放大,具体电路如图4所示.

主放大采用两个反相放大器构成,其中一个加上电容,可同时实现放大和滤波,称之为实用反相放大器.主运放芯片采用LM324,则两个反相放大器的放大倍数分别为:Af1=-R47/R46=-6.67,Af2=-R50/R49=-15.由此进一步得到主放大电路总的电压放大倍数为:Af=Af1·Af2=100.05.

1.3心电信号处理模块的设计

心电信号处理电路主要进行信号模数转换、数据的处理等,该电路主要包括中央处理器、电源电路、键盘及通信接口电路等.本系统采用美国TI公司生产的TMS320F2812 DSP芯片作为微处理器,并以其为平台搭建控制系统,该系统主要工作过程:首先进行信号的模拟/数字转换,然后将数据进行滤波、FFT、简单的心率变异性分析等一系列的数字信号处理,最后与上微机进行通信,完成心电信号的存储、显示.

(1) DSP最小系统设计.DSP最小系统主要可以由电源电路、复位电路、时钟电路、JTAG接口等电路组成.电源电路为系统提供不同性能要求的电源电压;复位电路为系统初始化一个确定的状态,包括手动复位和上电复位;时钟电路为系统提供运行时钟或实时时钟;JTAG接口主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试.

(2) A/D转换.经过心电信号提取及调理模块的信号进入TMS320F2812 DSP后利用其内置12位A/D转换器把心电信号转换成数字信号,以进一步处理.由于心电信号频率在0.05～100 Hz范围内, 采样率设定为350 Hz,满足采样定律的要求,最终得到高精度的心电信号数据,并将其存储显示.

2系统的软件设计

系统软件的设计任务是把采集到的心电信号进一步滤波处理,得到光滑正确的心电信号,并在液晶屏幕上显示相应信息,将最终结果传输到上位机存储.

2.1滤波处理

由于微弱的心电信号和强大的背景噪声形成了强烈的对比,如何从噪声中提取出心电信号是系统软件设计需要解决的最根本问题.由于器件的电气特性和电磁兼容等多方面的原因,虽然心电信号经过了模拟部分的滤波,可是仍然会有许多毛刺,效果依然较差.经过A/D采样后的心电信号数据仍会伴有各种干扰,影响心电信号的QRS复合波的波形,这样医生无法正确判断患者的病情.为了改善这一现象必须采用数字滤波算法,整个系统的实时性和数据的准确性直接由数字滤波算法的时间和精度决定,因此数字滤波是该程序中最重要的算法.

本系统采用了窗函数法设计FIR滤波器,将0.05～100 Hz以外的干扰信号滤掉;应用了基于最小均方算法(LMS)的自适应噪声抵消器对心电信号的工频干扰进行了滤除,同时抑制了基线的漂移,提高了信号的信噪比.运用了MATLAB语言编程,采用MIT-BIH心律失常数据库中的数据对心电信号去噪进行仿真和验证,并对其结果作了分析和评估,得到了较好的效果.

(1) FIR数字滤波器的窗函数实现法.本系统选用汉宁窗来设计FIR滤波器.汉宁窗又称升余弦窗,具体表达式如下:

(1)

利用傅里叶变换的调制特性,即利用ejw0nx(n)⟺X(ej(w-w0)),“⟺”表示互为傅里叶变换对.再利用

(2)

(3)

当N≫1时,N-1≈N,所以窗谱的幅度函数为

(4)

这三部分之和使旁瓣互相抵消,能量更集中在主瓣;图5是低通滤波前后的对比效果图.

图5　FIR低通滤波效果图

(2) 基于LMS算法的自适应滤波器.由于系统中存在50Hz的工频干扰,此干扰信号的中心频率会出现漂移,设计一个中心频率固定的窄带滤波器无法将其滤除,必须采用自适应处理技术.本系统设计了一种基于LMS算法的自适应滤波器来实现50Hz陷波滤波,它能够自动跟踪频率的漂移,并且可以忽略干扰频率,自适应性好.图6为本系统采用的基于LMS算法的自适应滤波器框图.

如图6所示,d(t)是输入的心电信号,该信号被50Hz工频干扰.参考输入信号X(t)是单频的余弦波,X(t)=Ccos(2πf0t+φ).参考输入信号和原始输入信号均以fs=1/ts相同的采样频率采样,X1(t)和X2(t)存在90°相移[6].

(5)

滤波器参数矢量W(n)的迭代利用LMS算法,在n+1时刻有:

(6)

同时还有:

图6　基于LMS算法的自适应滤波器

自适应陷波器的传递函数为

陷波器的带宽BW为

(7)

品质因素为中心频率和带宽之比为

(8)

由式(4)可知,带宽与T、Q成反比.如果输入一个单频率的余弦信号,该滤波器等价为稳定的陷波器.如果输入一个频率变化率小的信号时,该滤波器利用LMS算法获得动态的滤波系数,提高了陷波效果.与普通的陷波器相比,该滤波器具有陷波带宽可调的优点.图7为该自适应抵消器去50Hz工频干扰的结果[7].

(3) 去基线漂移.为了滤掉频率在0.05Hz以下的零点漂移信号,可以将自适应滤波器用作高通滤波器,通过调整凹槽位置到零频即可实现.当输入的参考信号幅值为1时,该自适应滤波器仅需要一个权系数,这是自适应陷波器的一种特殊情况.根据LMS算法:

(9)

该滤波器将在0Hz频率点处生成一个带宽为(μ/π)·fs的凹槽,其中fs为采样频率.当fs=360Hz时,收敛因子μ=0.1.图8为利用该方法去除基线漂移的结果.由图8可知,利用该方法可以较好地去除基线漂移[8].

图7　自适应滤波器50 Hz去噪仿真图

图8　自适应滤波器去基线漂移仿真图

2.2软件测试结果

利用DSP的CCS软件显示出心电信号图形,图9是利用本文设计的系统对人体心电信号的检测结果图.图9a为系统前端采集的含噪的人体心电信号仿真图,从图中可见,原始心电信号虽然经过了前面模拟部分的滤波处理,由于受到各种噪声的干扰,带有许多毛刺,并伴有严重的50Hz工频干扰及基线漂移,波形受到严重影响,效果非常差,从而使医生无法对患者的病情做出正确的判断.

经过带通FIR滤波器、50Hz自适应滤波器、去基线漂移滤波器后,最终得到了一个比较平缓的心电信号.图9b为去噪后心电信号仿真图,从图形上可以看到,信号图像显得比较平滑干净,原信号中的干扰因素如基线漂移、工频干扰、毛刺等被滤除.并且心电图中的P、T和QRS复波等主要病理特征都得到了很好的恢复,便于医生对患者进行病理判断的.

图9　心电信号仿真图

3结语

设计了一款以TMS320F2812DSP为信号处理器的心电信号检测系统,该系统充分发挥DSP芯片运算速度快和定点运算的优点,使滤波算法得以较好的实现,由上述检测结果表明该系统具有检测波形准确、抗干扰能力强等特点.通过对前端采集电路以及检测算法的改进,可进一步提升该系统的性能,在医疗器械领域有广阔的应用前景.

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【责任编辑: 肖景魁】

DesignofPortableECGSignalDetectionSystem

Sun Huinan1, Yu Yongzhi2, Wang Ningyu1

(1.SchoolofElectronicanInformationEngineering,HarbinHuadeUniversity,Harbin150025,China; 2.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Abstract:An ECG signal detection system based on DSP architecture is designed. AgCl sensor is used to collect the ECG signal of human body. The signal is sent to the pre amplifier circuit based on INA118, and then collected by a certain lead device, and converted to the data by the A/D conversion unit in DSP; after further filtering processing, clear and correct ECG data could be obtained for medical personnel in a timely diagnosis and analysis.

Key words:ECG signal; digital signal processing; FIR filter; adaptive filter

文章编号:2095-5456(2016)03-0227-07

收稿日期:2015-11-24

基金项目:中央高校基金资助项目(HEUCF140808).

作者简介:孙会楠(1979-),女,黑龙江哈尔滨人,哈尔滨华德学院讲师.

中图分类号:TH 77

文献标志码:A