简易便携式心电图仪的软件设计.docx

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简易便携式心电图仪的软件设计

重庆大学本科学生毕业设计（论文）

简易便携式心电图仪的软件设计

重庆大学通信工程学院

二O一二年六月

GraduationDesign（Thesis）ofChongqingUniversity

SoftwareDesignofPortableElectrocardiograph

CollegeOfCommunicationEnfineering

ChongqingUniversity

June2016

摘要

心脏疾病是当今严重威胁人类健康的疾病，具有高患病率和高死亡率的特点。

而使用心电图仪检测心电数据并判断心脏的健康状况是其最主要的一种检查方法，传统心电数据的检测需要病人本人去医院检查，费用不菲且时间不灵活。

本系统为了解决医院内固定心电图机笨重不可携带的问题提供了一个全新的解决方案，使使用者不必去医院就可以检测心电图成为了可能。

简易便携式心电图仪使用卤化银贴片作为心电信号采集器，将心电信号放大、滤波并输入MSP430单片机，同时进行数模转换并将心电信号显示在LCD液晶显示屏上，并且可以随时储存并回放心电信号。

本设计使用IAR软件开发工具在TI公司的低功耗MSP430单片机上完成了简易便携式心电图仪的软件设计，完成对单片机各模块的初始化，ADC、LCD液晶显示、储存与回放等模块的设计。

经过测试后，本系统成功实现了对使用者心电数据的模数转换、屏幕显示以及储存与回放功能，成功完成了简易便携式心电图仪的软件设计部分。

关键词：

IAR，MSP430，心电图仪，心电信号

ABSTRACT

Heartdiseasehasbecomeaseriousthreattohumanhealthcommondiseasewithhighmorbidityandhighmortalitycharacteristics.ElectrocardiographtodetecttheuseofECGdataanddeterminethehealthoftheheartisthemostimportantofascreeningmethodtodetectconventionalECGdataofpatientsIneedtogotohospital,costsalotofmoneyandtimeisnotflexible.

Inordertosolvethissystemwithinthehospitalcannotcarrybulkyfixedelectrocardiographproblemprovidesanewsolution,sothatusersdonothavetogotothehospitalcandetecttheelectrocardiogramaspossible.EasytousesilverhalideasaportableelectrocardiographECGacquisition,theECGsignalamplification,filteringandentertheMSP430microcontroller,anddigitaltoanalogconversionandtheECGsignalisdisplayedontheLCDdisplay,andcanbestoredatanytimeandreturnRestassuredelectricalsignal.

ThisdesignusesIARsoftwaredevelopmenttoolstocompleteasimpleportableelectrocardiographsoftwaredesignonTI'slow-powerMSP430MCUtocompletetheinitializationofeachmoduleofthemicrocontroller,ADCsamplingtrigger,LCDliquidcrystaldisplay,storageandplaybackmoduledesign.

Aftertesting,thesystemsuccessfullyachievedtheanalogtodigitalconversionoftheECGdatatotheuser,thescreendisplayaswellasstorageandplayback,thesuccessfulcompletionofsoftwaredesignsimpleportableelectrocardiograph.

Keywords：

IAR,MSP430,ECG，ECGsignal

中文摘要...................................................................Ⅰ

ABSTRACT................................................................Ⅱ

1绪论.......................................................................1

1.1研究背景与意义..........................................................1

1.2研究现状................................................................3

1.3主要研究内容............................................................4

2便携式心电图仪方案设计..............................................5

2.1心电图简介...............................................................5

2.1.1心电图各个波段以及组成...............................................5

2.2单片机的选择.............................................................6

2.2.1MSP430与89C51系列单片机的比较......................................8

2.3.2MSP430单片机的特点..................................................9

2.3总体设计方案............................................................10

2.4软件设计方案及流程......................................................12

3便携式心电图仪的软件设计...........................................13

3.1软件开发平台............................................................13

3.2系统初始化..............................................................15

3.3ADC模块................................................................16

3.4LCD模块................................................................19

3.5储存与回放模块..........................................................20

4系统测试结果...........................................................23

4.1测试设备介绍............................................................23

4.2软件测试...............................................................23

4.3整体测试...............................................................26

5结论.....................................................................29

5.1论文总结...............................................................29

5.2工作展望..............................................................29

参考文献..................................................................31

1绪论

1.1研究背景与意义

心血管病是一种十分普遍的病症。

该病不易在早期被发现，而且晚期时已经具有较大风险。

导致其已经成为当今最高死亡率的疾病之一。

据统计，全世界每个月约有120万人死于心血管疾病突发，在全世界范围内，每三个人就有一个因心血管疾病死亡，预计到2020年这一数字将达到2500万，死亡的主因将是心律失常和急性心肌梗塞。

据来自北京急救中心消息，在家庭或工作场所发病的人群超过70％，多数患者死于院外仅仅因为缺乏抢救时间，而更多的患者则因为没有及时发现病情，当发现病情时却为时已晚。

根据经验，对心血管疾病的及早预防和诊断是最有效的解决手段，及早地发现心血管系统疾病的病症，了解并观察心脏病患者情况，可以极大的帮助预防心脏病的放生和对疾病的诊断。

当心脏跳动时，同时产生变化的电位，而因为皮肤可以传导电位，所以我们可以根据放在在人体皮肤上的卤化银来感应心电电位，从而记录心脏跳动的情况。

而心电图就是根据心电电位，记录心脏跳动数据的变化图形，心电图仪则是记录心电数据并显示先点数据的设备[1]。

常用的心电图仪分为两类，第一类为常规心电图仪，第二类为动态心电图仪。

常规心电图仪是患者在医院卧躺情况下，再用心电图仪记录下的心电数据，它是在心脏在一个跳动周期中因为跳动而导致皮肤上的电位变化的图形，当今在国际范围内最常用的是12导联系统心电图仪，该图仪不仅可以显示额面还可以显示横面的心电数据，有助于帮助医生从不同角度诊断心脏跳动情况，是实际中诊断心律失常、心肌梗塞、心室肥大、心肌炎等疾病的重要手段。

美中不足的是常规心电图仪的体积过于庞大，导致随身携带基本不可能，而当患者需要急救时又不能及时提供心电数据监护工作，与此同时，心电图仪的价格十分高，采购难度大，一般只有大型医院才有实力购买，而对于一些规模尚小的医院则是沉重的财务负担。

同时,因为人体心脏是持续而不间断地跳动着，一个普通人24小时之内心跳次数大概为10万次,因为常规心电图仪只能在有限的时间内检测心电数据，所以患者的心电异常则很难通过常规心电图仪检测出来。

而动态心电图仪则可以被患者随身携带，可以随时随地的对患者的心电数据进行记录，而且因为记录的周期长，可以发现常规心电图仪发现不到的细小的异变。

而动态心电数据的采集系统分为两大部分[2]。

第一部分是通过贴身的心电图仪对心电数据进行记录。

第二部分则是心电数据整理分析系统，是由计算机及其相应的心电分析软件组成，因此,它不能实时分析和显示心电数据，让许多突发性的急救任务因为不能及时得到病症诊断而延误了抢救的最佳时机，导致丧失了宝贵的生命。

综上所述，开发一款同时具有常规心电图机和动态心电图机优点的功耗低、方便携带同时大众平民可以接受价格的心电图仪则显得十分有必要性，使得便携式心电图仪既能够为临床准段提供宝贵的资料，也能对心脏疾病的早期预防和心脏健康状况进行有效的评估[3]。

1.2研究现状

早在18世纪，在意大利便有学者在研究生物电，探寻电与生物的关系，他的名字叫伽伐尼。

在著名的青蛙解剖实验中，肌肉受到电击后的应激性收缩引起了他的注意，伽伐尼发现并不是外部的点击导致的肌肉收缩，而是肌肉内的生物电引起的青蛙肌肉收缩。

虽然在后面的实践中，伽伐尼的推断被否认，伽伐尼发现的生物电并不是如他所说，但是，人类却由此开始对生物神经冲顶的探究，因而奠定的人类历史上对生物电生理学的历史。

而生物医学器械研究的重中之重则为心电信号的检测技术[4]。

1887年，心电图被首次绘画出来，willer采用毛细管的方式记录了心电信号，是人类对心电信息记录的起始。

而在willer之后，在荷兰莱顿大学的Einthoven教授则为心电图的进一步发展做出了重大贡献，Einthoven首先从改善Willer的毛细管开始，将一起加以改进，使其记录速度更快，误差更小，同时Einthoven将心电图线的四个极点做了进一步的标注，使用P、Q、R、S、T来标记心电图上的各个极点，一直到今天，我们仍然在使用这种心电图标注方法。

因为使用毛细管来记录心电数据这种方法十分的耗费时间，而且并不实用且难以推广。

终于经过多年的时间，科学家们挑选了直径为0.002mm的镀银石英丝用来替换线圈，终于完成了弦线式限电图仪，从此心电图仪开始广泛应用到临床应用中[5]。

1933年，来自密歇根州立大学的Wilson教授推导出了一个著名的心电理论，我们叫它零点为中心理论，主要内容是我们的肢干的电位，在瞬间的电位的和为零。

他通过这一理论加大改进了原有的心电图仪设备，使得新的心电图仪在心电图形形状保持不变的前提下，波幅增大了奖金百分之五十，这样就有助有我们在实际使用心电图仪的时候更加轻松的辨认心电信号，并更好的帮助我们发现异常心电信号。

1954年，经由美国心脏协会的提案，国际心电协会使用aVR、aVL、aVF替换原有的VR、VL、VF，同时，定义标准导联为三个电极加导联、三个双肢体导联以及留个胸导联[6]。

而十二导联心电图现在已经是全球通用的心电图标准。

由此更是发展出更多的有特点的有针对性的心电图类型。

在1950年以后，心电图仪的发展进入了一个新的台阶，由于计算机的发展，心电图仪的记录数据更多的与计算机技术结合起来，以给患者提供更优质更准确的心电数据分析。

世界上第一个使用电脑处理心电图的国家时美国，而在1960年，北美国家的医院先后开创了冠心病特殊病房（CCU）以及增强护理病房（ICU），病房内配备心电图仪，可以长时间对患者进行心电数据的监护[7]。

1970年后，一个全新的心电数据传输系统被开发出来，在美国，TTM系统可以通过电话线将患者的心电数据信号传输至医生的电脑中，以保证医生对患者的长时间心电监护，极大的帮助了医生检测微小心电异常的可能。

而TTM系统的发射线又可以帮助患者从家里发射心电数据信号，通过电话线传输至医生电脑中。

在此后的数十年间TTM医疗监护系统得到了快速的发展，帮助了无数需要心电监护的患者实现了不用人在医院也可以进行心电监护的需要[8]。

1980年后，心电图仪设备开始向更小的体积发展，各项科技的发展极大地促进了心电图仪的发展，在1980年后，心电图仪已经可以准确地对患者的心电数据进行精确的记录，同时，心电图仪可以实现对心电图各个波形的识别，更高级的心电图仪更是具备了数据回放功能，使得医生可以反复观察异常心电数据，以更准确的确诊患者的病情[9]。

1990年后，心电图仪更是向着小型化发展，从以往的笨重的大心电图仪慢慢的发展成小型心电图仪，以方便使用者移动使用。

2000年后，心电图仪更是借助了网络的迅猛发展，尤其是无线网络的普及使得心电图仪可以无需数据线就可以实现心电数据的传输，借助于无线网络的方便便捷，心电图仪可以实现实时的心电警报并同步传输至医生电脑。

同时，心电图仪采用强大的核心芯片，拥有强大的计算能力，可以将经过计算的心电数据更加全面更加直观的显示在心电图仪的显示屏上，同时，新的心电图仪采用通行操作界面，为患者的使用提供了极大的方便，使得业余的使用者也可以轻松的操作心电图仪，同时，借助于锂电池的发展，新一代的心电图仪可以实现超长时间的续航，保证了心电图仪在任何情况下都能够准确无误的完成对心电数据采集记录的工作，总之，智能化的心电图仪正在越来越变得普遍，高精准度同时易操作的心电图仪正在被越来越多的人接受[10]。

经过100余年的发展，心电图仪已经从简单的显示波形发展为记录心电数据并分析心电数据同时传输心电数据储存心电数据的多功能电子设备，正在被越来越多的医疗机构使用，也被越来越多的老百姓所青睐。

1.3主要研究内容

当前国内有很多著名厂商以及科研所都在全力研发新一代的心电图仪，同时他们已经开发出各种各样的的新一代便携式简易心电图仪，例如利康公司开发的简易心电图仪，惠州集团所研制的简易心电图机，清华大学研制的简易心电图仪等[11]，不过截止目前，并没有任何一款心电图仪得到了良好的大众普及，而究其根本，主要问题在于以下几点：

医院的心电图仪因为不能随着患者移动导致心电图仪并不能一直记录患者的心电数据，导致可能错过有用的心电异常信息，影响医生对患者的确诊。

心电图仪都使用了多种元器件，结构复杂，体积大，同时价格高昂，功耗更加高，不能满足患者小型化，便民化的需求。

为了使患者在实际使用中可以脱离医院的大型设备而实现随时随身的测量电数据，我们设计的便携式简易心电图仪应该可以保证使用者在实际操作中的足够便携，同时满足长续航，并且界面简单，易于初学者上手，实现对患者心电信息的长时间记录并可将心电信心记录保存下来以便医生随时查阅。

为了保证心电图仪超长续航，我们在对比各种供电方式后，考虑普通干电池为最佳，一方面可以提供足够的供电能力，另一方面可以实现更换电池后的无缝心电信息记录对接。

在长续航方面，因为使用干电池，简易便携心电图仪的续航设计变得十分关键。

在系统中可以多使用低电压、低功耗器件，在电池电量固定的前提下下尽可能的使便携式心电图仪工作更长的时间[12]。

在操作界面方面，因为使用者多为初学者且没有心电图仪的操作经验，所以界面的简洁易学则最为关键。

在数据处理部分重点研究内容为：

①对输入信号进行AD转换，将经过处理后的从人体采集的模拟心电信号转换成数字信号。

②完成心电数据在LCD上的显示。

③对心电信息的储存与回放，将心电图的数据以数组的形式储存并回放显示。

2便携式心电图仪方案设计

2.1心电图简介

心脏的异常跳动的最有效的检测方法为心电图检查，仔细而及时的心电图检查可以及时的在早期确诊心肌梗死、心律失常、心肌缺血等心血管病。

根据电路原理，人体可以比作为一个立体的物体，而心脏的组织细胞以及连接的血管和身体组织都可以传导电流，我们把心脏看做电源，在心脏组织细胞的运动下，心脏的电位也在不断的变化，而这种不断变化的电位也可以通过身体组织和血液等传导到人体的皮肤表面。

在人体皮肤上的不同位置会存在着大小不同的电位差，而我们可以利用固定位置的电位差来测量心电数据并加以显示[13]。

心脏在跳动过程中产生的电位变化可以归纳为一组的瞬间的心电综合向量。

在心脏跳动一次的周期中，心脏因为跳动而移位导致心电在空间做环绕运动的轨迹可以构成立体心电向量环。

我们在液晶显示器上可以看到心脏跳动的的额面、横面和侧面心电图向量环，是立体向量环在相应平面上的投影。

我们看到的屏幕上显示的心电图显示的电位变化是一系列瞬间心电综合向量在不同导联轴上的反映，也就是将平面向量环在有关导联轴上的投影显示在屏幕上。

在心电图实际测量中，心电向量的总和和导联轴夹角的投影所得电位的大小影响着实测心电数据值[14]。

当心电图投影的方向与导联轴方向相同时为正电位，当心电图投影的方向与导联轴方向相反时为负电位。

用一定速度移行对心电数据进行扫描并显示到屏幕上，我们就可以看到心电图数据的波形。

心电图数据波形在基线上下的浮动变化，与向量环运动的方向有关。

当向量环运动方向和导联轴方向一致的时候，心电图数据轨迹向上运动，当向量环运动方向和导联轴方向相反时心电数据轨迹向下运动。

向量环上零点的投影就是心电图上的等电位线，该线向两侧延长后将整个向量环分成两个部分，这两个部分一个投影为正波，另一个部分投影为负波[15]。

综上所述，心电图和心向量图有着十分密切的关联。

心电图较之心电向量图的好处在于能够以不同的平面的不同角度，用更加简单的波形、线段对复杂的立体心电向量环，就其投影加以定量和进行时程上的分析。

然而心电向量图学的发展与心电图学的发展相辅相成，一方面使心电图学的内容更加充实，另一方面使心电图学有了更好的基础和更容易理解的根基。

2.1.1心电图各个波段以及组成

①P波

正常心脏的电信号从窦房结开始。

窦房结的位置处于右侧心房和上腔静脉的边缘，当窦房结产生电信号，首先要传导到右心房，然后再经过房间束将心脏电信号传输到左心房，这个过程中就产生了心电图上的P波。

P波可以用来表现心房的的电信号，P波的前半部分可以显示右心房的电信号，而P波的后半部可以显示左心房的电信号。

P波的持续时间为0.12秒，P波的电压为0.25mv。

有时心房由于扩大，导致两个心房之间的电信号不能正常传导时，P波可显示出高尖或双峰。

②PR间期

心脏的电信号经由前中后结间束然后传输到房室结。

因为房室结传输的速率较为缓慢，这个时间段就出现了心电图上显示的PR段，我们也称之为PR间期。

一般的PR间期持续时间在0.12～0.20秒。

如果心房到心室的心电信号的传输出现障碍，在心电图上的显示为PR持续时间的边长以及P波之后心室波也消失。

③QRS波群

当心脏左右束枝的心电信号传输遇到障碍、心室扩大或肥厚等异常状况的时候，我们可以观察到QRS波群出现增宽、变形和时限延长激动向下经希氏束、左右束枝同步激动左右心室形成QRS波群。

心电图中的QRS波群可以表示了心室的除极，电信号的持续时间小于0.11秒。

④J点

QRS波结束，ST段开始的交点。

J点作为临界点可以作为心室肌细胞全部除极完毕的信号。

⑤ST段

在经过J点后，可以确认心室肌已经除极，而在复极还没有开始的这个间隔时间内。

心脏的各个心室肌都处于除极的状态，心脏不同位置的细胞之间没有电位差。

所以在一般情况下ST段应处于等电位线上。

如果心脏某个位置的心肌出现缺血或坏死的异常状况，心室在完成除极后依然可以检测到电位差，这种情况在心电图上显示为心电轨迹ST段开始发生位移。

⑥T波

之后的T波代表了心室的复极。

在QRS波主波向上的导联，T波的方向正常情况下应该喝QRS主波方向一致。

在心电图，多种情况都可以引起T波的异常变动。

典型