便携式人体心电检测仪的设计Word文档格式.docx

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教授

学生专业：

教师单位：

信息工程学院

西南科技大学教务处制

摘要：

心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病之一，而心电信号则是评价心脏功能的主要依据。

近几年，随着人们生活水平的日益提高，不合理的生活习惯使得心血管类疾病的发病率逐年增高，人们在呼吁健康的同时对自身的身体状况也给予了非同寻常的关注。

本论文设计了一款便携式心电检测仪器，能应用于家庭医疗保健，对于心血管疾病的及早预防和人们的身体健康提供有效的帮助。

该心电检测仪主要由前端信号采集电路、信号放大电路、抗干扰滤波电路、软件模数转换电路及数据存储电路等组成。

其功能是将弱小的心电信号经过放大滤波，得到具有诊断价值的心电信号，然后由模数转换电路转换为数字信号，最后由MSP430单片机的外部存储器存储数据。

关键词：

心电检测；

信号采集；

ECG滤波；

MSP430单片机

ACaseStudyofPortableECGMotoringDevice

Abstract：

Cardiovasculardiseaseisoneofthemostimportantdiseasesendangeringhuman’slife.ECG（Electrocardiogram）isanimportantdiagnosticbasis.Withourlivingstandardgraduallyimproving,therateofcardiovasculardiseasehasbeenincreasedyearafteryearwhilepeoplehavetheunhealthyhabitsandcustoms.Whileappealingforhealth,peoplearepayingmoreattentiontotheirownphysicalconditions.ThispaperdesignsaportableECGmotoringdevicewhichcanbeusedinfamilymedicine.Itcanavailablyhelppeopletopreventcardiovasculardisease.ThedeviceisconsistedofECGsignaldataacquisition,signalamplificationcircuit,anti-jammingfiltercircuit,ADconvertercircuitandinformationstoragecircuit.ItsfunctionistoadjustthelowersignaltoacquirethevaluableanalogECGsignalandconvertittodigitalsignal,storetheECGinformationbyMSP430SCM（SingleChipMicyoco）externalmemoryfinally.

Keywords:

ECGSensing,SignalAcquisition,ECGFilter,MSP430SCM

第1章绪论

1.1概述

人体是由各个器官和组织共同维系着的一个生命体。

而心脏是核心人体的核心器官，活着的生命体依靠着心脏每时每刻不停歇的运动为细胞提供必须的营养物质---血液。

近些年来，随着人们生活水平的日益提高，不合理的饮食和作息习惯使得心血管类疾病的发生率也逐年增高[1]。

我国心脏病患者约有七千万人，死亡原因主要是致命性心率失常和急性心梗。

据北京急救中心统计，71%以上病发于家中或工作现场，大部分人因失去抢救时间死于医院外。

人们在呼吁健康的同时对自身的身体状况也给予了非同寻常的关注。

心电图的发现使得医疗机构能够更加准确的了解心脏内部机能状况。

心电图检测是20世纪建立起来并广泛应用于临床诊断和监测的重大技术成果之一。

心电图仪的开发生产是在1901年爱因托芬制造的第一台弦线式电流计的基础上开始的。

早期的监护仪由于技术的限制，只能对模拟心电信号进行显示、报警和记录，功能比较单一，实用性较差[2]。

患者有不适宜的症状只能就近去医院治疗，挂号，咨询，等待专家等中间环节，无疑会延误了患者的诊断和最佳时机。

随着科技的进步，家用电器，娱乐电玩，电子类产品走进寻常百姓家，我们也在为能更好的提出一种便携式的心电检测装置而不断的研究。

本设计主要结合生物医学所学课程，在比较同类研究的基础上将专业所学的基本知识应用到具体的电路设计仿真之中。

给出了设计中每一个过程框图的实际电路组合以及仿真结果。

设计中包括心电信号的采集，放大，滤波，信号的数模转换和数据存储。

图

图1-1系统设计框图

1.2国内外研究现状及存在问题

1.2.1国内外研究现状

德国的西门子和霍尔斯克公司在心电处理方法上做出了突出的贡献：

他们在1921年率先在其制造的仪器上采用了真空管和示波器两大技术，这不仅大大提高了仪器的灵敏度，而且导致体积的小型化和信号记录的屏幕化。

美国在50年代首先开始研究用计算机处理心电图。

20世纪50年代末，美国科学家Holter先生首先发明了Holter心电仪或叫动态心电仪，1961年正式用于临床，以后Holter心电仪得到了飞速发展，并广泛应用于临床[3]。

其优点是十分明显的：

它可以长时间监测病人在各种工作、生活等状态下的心肌生理变化和病变情况及严重程度，尤其对各类偶发、一过性和隐性心律失常，对无痛性（无症状）心肌局部缺血的检测都十分有效。

[10]许多人常常有这种体会，当自己在工作中或剧烈活动时，或劳累时觉得心脏不舒服，甚至昏倒，但到医院作常规心电图却查不出任何问题，做动态心电图，则问题就较容易发现。

近几年来，日、美等国家开始利用动态心电仪进行心律变异分析，已取得了大量经验，其临床意义越来越大，受到医疗专家的高度重视，发达国家已普遍采用。

目前国外有相关类的产品问世，例如由Signalife公司（Greenville，SC，USA；

）制造的Fidelity100型流动监护器，是一款12导联的心电监护装置，它可以高质量地记录行走患者的心电图信号。

日本光电的便携式心电图机“RAC-3103”，体积和重量都大幅减小。

产品内置液晶显示屏，可以用来确认心电图波形，因此有助于防止发生数据收录错误。

我国于20世纪70年代末期开始从国外引进动态心电图仪，在临床上开展动态心电图的检查工作。

目前全国各大城市的主要医疗单位都已能进行此项检查并积累了不少经验。

20世纪80年代初我国有关单位科技人员研制成功了我们自已的动态心电仪。

到目前为止，我国已生产了高中低档各种类型的动态心电仪，有的已达到国际先进水平。

更可喜的是，经过广大科技人员的努力，我国已生产出适合于我国国情的特别适合广大中小医院使用的动态心电仪。

随着我国广大乡镇医院的动态心电仪的普及应用，一个临床应用动态心电图检查的高潮很快就要到来。

1.2.2存在的问题

目前国内外的医疗机构普遍使用的是动态心电记录系统，它能够及时准确的反映病人当前的心脏运动情况。

现在大多数的此类便携式心电检测仪器的研究或者是只给出理论的算法，对具体的电路只是做以简单的介绍，或者是直接给出生产的产品信息。

但是现在通用的心电类监护诊断仪器普遍存在着体积大，功耗高等不利因素，动态心电图是在人的日常活动过程中，长时间地不断地记录到的，可获得各种情况下的心电图形。

由于动态心电仪是带在病人身上，病人处在各种工作、生活状态来下测试，这就会难免产生各种干扰，因此，医师在看动态心电图时，其难度要比静态心电图大，需要凭借以往积累的心电诊断经验。

1.3本章小结

本章从心电信号检测技术的诞生讲起，论述了人体健康的重要性和心电信号检测在生活中必不可少的作用。

介绍了国内外对心电检测研究的历史背景和近年心电图检测所用到的技术成果。

同时也提到了国外一些公司企业在心电检测类仪器的产品，以及我国的一些研究论著，和目前对于心电检测还存在技术上的问题讨论。

我们在设计中将会结合目前的研究现状，总结应用一些心电研究方法，设计出一款能够滤除外界信号干扰，并且性价比合适的心电检测仪器。

第2章心电信号的前端采集

2.1心电信号的特点

外界的刺激引起膜内外正、负离子流动，使细胞内外正、负离子的分布发生逆转，受刺激部位的细胞膜出现除极化，使膜外侧具负电荷而膜内侧具正电荷，即产生动作电位，与尚处于静止状态的邻近细胞膜构成—对电偶，此种电偶相继向另一端推移，产生动作电流，直至整个细胞完成除极化。

此时若将检测电极置于体表一定位置，便可测得一定的电位变化。

心电信号正是心肌细胞在受到电流刺激后在人体组织细胞之间产生的总的生物电效应。

通过体表电位提取出的心电信号属于强噪声背景下的生物电信号，它具有以下特征：

1、微弱性:

从人体体表拾取的心电信号一般只有0.05mv-5mv。

2、不稳定性:

人体信号处于不停的动态变化当中。

3、低频特性:

人体心电信号的频率多集中在0.05HZ-100HZ之间。

4、随机性:

人体心电信号反映了人体的生理机能，是人体信号系统的一部分，由

于人体的不均匀性，且容易接收外来信号的影响，信号容易随着外界干扰的变换而变化，具有一定的随机性[4]。

2.2人体心电图形

由于心脏的生理功能和心电图之间存在着密切的对应关系，当心脏生理功能发生失常时，均可以从心电图的波形变化上反映出来。

通过用肉眼观察或用波形分析技术判读，诊断出心生理功能失常的情况与变化趋势，这对医学研和临床都有重要意义。

心电图（electrocardiogram）是心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着生物电的变化，通过心电描记器从体表引出多种形式的电位变化的图形（简称ECG）。

心电图是心脏兴奋的发生、传播及恢复过程的客观指标。

心脏周围的组织和体液都能导电，因此可将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。

心脏好比电源，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表。

在体表很多点之间存在着电位差，也有很多点彼此之间无电位差是等电的[5]。

图2-1　心电信号QRS波形

1、最早出现的是幅度最小的P波，反映心房的除极过程。

2、P—R段，反映心房的复极过程及房室结和房室束的电活动，P波与P—R段合计为P—R间期，始自心房开始除极终于心室开始除极。

3、在心房复极尚未完全结束时随即在图上出现幅度最大的QRS波，反映心室除极的全过程[3]。

2.3心电导联方法

现在广泛应用的是标准十二导联，分别记为I、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF、V1～V6。

I、Ⅱ、Ⅲ为双极导联，aVR、aVL、aVF为单极肢体加压导联，V1～V6为单极胸导联。

获取两个测试点的电位差时，用双极导联；

获取某一点相对于参考点的电位时，用单极导联[6]。

这里根据设计目的的需要只介绍肢体导联和单极肢体导联：

图2-2心电肢体导联

1、肢体导联：

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为标准双极肢体导联，简称标准导联。

它是以两肢体间的电位差为所获取的体表心电。

电极安放位置以及与放大器的连接为：

Ⅰ导联：

左上肢（L）接放大器正输入端，右上肢（R）接放大器负输人端；

Ⅱ导联：

左下肢（F）接放大器正输入端，右上肢（R）接放大器负输入端；

Ⅲ导联：

左下肢（F）接放大器正输入端，左上肢（L）接放大器负