一种家用便携式心电监测仪的设计

丁有得，王倩，刘洋，巩萍萍，佘锦雄

广州医科大学基础医学院生物医学工程系 (广东广州 511436)

心电信号可以在一定程度上反映人体的健康状况。传统心电监测仪通常体积较大，使用费用高昂，只适用于医院等大型医疗机构。随着生活水平的提高，人们对生命质量的要求越来越高，实时关注个体健康状态已经成为日常需求。因此，设计研发一种便携式、低功耗的心电监测设备非常必要。

1 心电信号的特点及监测系统结构

1.1 心电信号的特点

心电是一种微弱的医学生理信号，通常有较大的随机性，很难通过某种确定的函数进行描述。心电信号大多通过统计的方法进行研究，其需要依靠众多测量得到的结果寻找规律。心电等级通常为mV级，正常心电信号有95%以上的能量位于0.05～100 Hz，在存在干扰的境况下，大多有用的信号将被各种干扰信号所覆盖[1-2]。

1.2 监测系统结构

心电信号来自于人体表面，其频率较低，属于微弱双极性信号。电极产生的噪声、工频之间的干扰及肌电和呼吸波信号等都可能对其造成干扰，因此，进行心电信号监测时必须放大电路，监测系统应当具备高增益、高输入阻抗及高共模抑制比。而便携式心电监测仪，应在保证监测准确的基础上尽量减小体积，并考虑低功耗设计、直流电源供电等。另外考虑到移动终端设备的普及，开发蓝牙无线等无线通信传输接口，便于移动终端使用APP等查看监测心电情况及在移动端APP等软件上进行数据处理，系统结构见图1。

图1便携式心电监测仪的系统结构

2 便携式心电监测仪的设计

2.1 硬件设计

本系统采用美国TI公司的16位超低功耗单片机MSP430FG439芯片，其采用低功耗设计，16位精简指令集，1.8～3.6 V的供电电压，指令周期为125 ns，在2.2 V电压时，1 MHz晶振系统工作电流为225 μA。在硬件架构上，提供了5种低功耗模式，可最大限度延长手持设备的电池寿命。该芯片外围模拟电路十分丰富，因此非常适合于微型化、低功耗的产品设计。外围电路主要包括前置放大电路(图2)、滤波电路、A/D转换电路、LCD驱动电路及无线通信模块驱动电路。在前置放大电路中，首先通过2个运算放大器进行缓冲，然后经差分前置放大器放大7～10倍后又由二、三级电路放大及自动增益调节设置，使信号放大100～2 000倍。无线通信模块主要采用NRF24L01+蓝牙，传输速率高，功耗低，LCD采用128×64的点阵液晶模块[3-4]。

图2心电信号放大电路

心电信号有95%以上的能量集中于0.05～100 Hz，因此，必须通过滤波器过滤掉其他频率的外因干扰。滤波器选择常用的二阶巴特沃兹低通滤波器，截止频率设置为20 Hz。另外在众多干扰因素中，50 Hz的工频干扰对心电信号采集干扰最大，必须专门设计工频干扰的陷波器。图3是利用Matlab对设计的陷波器对工频干扰进行的滤波仿真。结果显示，50 Hz工频干扰信号受到了很好的抑制，符合设计预期要求。

图3滤波效果对比

2.2 软件设计

软件设计主要依托模块化设计思路。系统程序流程见图4。在此系统中，其涉及的模块步骤主要有初始化与自学习、滤波处理、心律失常检测、文件系统及波形显示等。心电信号监测系统接通电源后，首先进入初始化，在此状态下信号采集模块还未开始工作。在管理界面中，用户可以进行系统设置与管理。当进行心电采集时，再打开采集模块电路开关，这种方式可以减少系统产生的功耗。用户在心电检测启动5～10 s时应快速完成自学习，从而快速提取心率、R波幅值及RR间期变化等心电参数信息。

图4系统程序流程

3 系统调试与仿真

完成信号采集工作后，系统先对信号进行预处理，再通过计算差分阈值的极值点，找到心电信号中的特征点。硬件系统采集的数据在Matlab中结果显示见图5。从图中可以看出，该系统降噪效果明显，实验结果可靠。

图5心电信号实测

4 便携式心电监测仪与传统心电监测仪比较

传统的心电监测仪主要通过医疗机构进行心电检查，因此在患者面临突发病症时，很难获得及时、有效监测。而家用便携式心电监测仪则具有很强的时效性，由于其轻小便捷，突发或频发疾病的患者可随身携带，实现了及时对健康状况进行监测。

5 结论

我们设计的家用便携式心电监测仪轻小、便捷，能够有效帮助人们及时监测自己的心电变化，掌握健康状况。该研究设计方案对未来家用新型便携式、微型化、低功耗医疗设备研发具有一定的参考价值。