基于单片机的便携式心电图仪的研究

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1 引言 

随着我国城市人口老龄化程度的加快,随着物质生活的改善,心血管、心脏病一类疾病也在不断的增长,人们对这一类疾病的预防和诊断的需求也在增长。因此,人们希望有一种医疗仪器,能够在家里随时随地进行心电图信号的测量,并且把心电图信号记录下来,做大概的判断,在方便的时候到医院让医生作进一步的诊断。对于情况严重的患者或行动不便的人,希望能够利用网络通信的先进技术,立即把测量的心电图信号通过远程传送的方式,传送到指定的医院由医生进行诊断。作为一个医生,在门诊和查病房时,也希望有一个可以随身携带的心电图仪器,方便疾病的快速诊断。 

有鉴于此,根据目前的微电子、单片机和计算机技术,我们通过对现有心电图仪器的应用状况进行了调查,利用单片机研制成功一种便携式心电图仪,由LCD液晶显示器以图形的方式显示心电图。并通过RS-232串行接口与计算机相连接,可以实现网络信息远传,是一种新颖的临床和家庭兼用的心电图仪。

2 仪器性能 

1)仪器结构形式 便携式,二节5#电池供电 

2)电极结构 固定式爱因霍文三角形结构的标准导联 

3)图形显示方式 由单片机控制的LCD液晶显示器以图形的方式显示,图形可以放大、缩小、移动和存储 

4)通信方式 以单片机的串行接口与计算机的RS-232相连接,由计算机通过互联网进行远程传送 

3 心电图仪的组成  

3.1.硬件组成 



图1 便携式心电图仪的硬件组成 

·心电图电极 

心电图电极是由铜质金属构成,呈爱因霍文三角形结构,可以直接放置在人体的胸部,以标准导联的方式获得心电图信号。 

·心电图信号处理电路 

心电图电极获取的心电信号电压非常微弱,只有1mV左右,需要对此信号进行放大,一般要放大几千倍,变换成0-5V,便于进行A/D变换。 

·单片机系统 

单片机系统用于接收心电图信号处理电路传送来的0-5V电压信号,把模拟电压信号变换成数字信号,并对信号进行处理后以图形的形式在LCD液晶显示器上显示,并且把测量的心电图信号通过自身的串行口传送出去。单片机应具有低电压、低功耗的特点,一般8位单片机能够满足要求。LCD液晶显示器采用点阵式图形显示器,128×64点阵的液晶显示器基本能完整地显示心电图的波形,由于该种类型的LCD液晶显示器本身带有驱动器,因此单片机可以方便地进行控制。 

·计算机系统-1 

计算机系统-1是一台普通的PC机,通过RS-232串行口,采集到单片机发送来的心电图信号,通过高级语言编写程序,在PC机上显示心电图的波形,存储和打印心电图的信号。并通过互联网把信息远程传送到远端的计算机,供远程诊断用。 

·计算机系统-2 

该计算机通过互联网访问计算机系统-1,能实时观察到远端患者的心电图信号,通过心电图波形的分析,实现医疗远程诊断。 

3.2.软件组成 

便携式心电图仪的软件由单片机、计算机及远程通讯三部分组成。 

3.2.1 单片机软件 

·数据采集 对心电图信号处理电路传送来的0-5V模拟电压信号变换成数字信号,并进行数字滤波等处理,得到有效的心电图数字信号。 

·图信显示 根据人体心脏跳动的速度,实时地以图形的形式在LCD液晶显心电图波形,并且可以使图形放大、缩小、移动和存储。 

·串行通讯 通过单片机本身具备的串行口,设置恰当的波特率,把心电图信号以串行方式传送出去。 

3.2.2计算机软件 

应用VB高级语言,从RS-232口获取心电图实时信号,在显示器上显示心电图波形。利用PC机的功能,对心电图信号进行分析、存储、打印记录。利用互联网把心电图信息发送到网络上。 

3.2,3远程通讯软件 

在远端的计算机,应用远程通讯软件,在网络上实时获得心电图信号,供医生在远端进行远程诊断,在两台计算机之间必须实现具体的约定。 

4 心电图信号的测量  

心电图是从人体体表记录的心脏电位变化曲线,反映了心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电位变化。心电图典型的波形图如图2所示。



图2 心电图典型波形 

在图2中,P波的最高幅值不超过0.25mV;Q波的幅值约0.1mV;R波的幅值在0.5-1.5mV;S波的幅值约0.2mV;T波的幅值在0.1-0.5mV。因此,运算放大器是对微弱电压信号的放大,传送给单片机的A/D转换电压是0-5V。为此,采用多级放大,使用低噪声、低漂移、高阻抗的仪用运算放大器。考虑到心电信号的变化极性,采用双电源双极性运算放大器。心电图信号处理电路框图如图3所示。 




心电图电极输出的微弱的心电信号经过二级40倍运算放大器的放大,得到1.6V左右的电压信号,再经过2-5倍的可调运算放大器的放大,获得0-5V的心电信号,输出给单片机的A/D转换芯片。在对心电信号放大的同时,还要对共模信号、50Hz干扰信号等进行处理,使输出的心电信号完整、真实。

  5 心电图的显示  

  在单片机中,采样到的心电图信号,经过数据处理后,以时间为横坐标,心电图信号的电压值为纵坐标,直接在LCD液晶屏上显示心电图的图形。在一屏上显示二个完整的心电图信号,单片机的采样频率在15Hz。通过操作按钮来控制心电图图形的放大、缩小和移动。 

  6 心电图信号的判别  

  根据采集的心电图数据,采用模糊理论计算出心电图上P、Q、R、S、T、u的幅值以及各个时间间隔,来判断心电图波形是否超出正常范围,并根据严重程度给出提示。但不对病情提供直接的认定,这是因为心电图检查技术可以用来诊断某些心脏疾患,但是,它并不是万能的,而是有一定的局限性。因为类同的心电图异常变化,可见于几种不同的心脏病。也就是说,在这种状况下,心电图只能提示心脏病变的存在,而不能鉴别属何种性质的心脏病。 

  总之,心电图检查技术只是诊断部分心脏疾患的一种辅助手段,必须结合临床其它资料,进行全面、综合分析,方能发挥其正确的作用。

  7 数据的远程传送与诊断  

  在心电图数据的传输和处理过程中,主要有两个方面的内容要处理: 

  一种是从心电图内部将数据发送到PC机,经过简单处理后,将正常或异常的初步诊断结论告知病人并提供给病人一些建议。 

  另一种是将从心电图获得的经处理的数据发送到远程医疗中心,远程医疗中心需要对这些数据再做进一步的分析和人工判断。将最终的结论和建议返回给病人。这一步需要通过Internet网络来实现。整个系统示意图如图4所示。 

图4 心电图信号远程传送 

  7.1 心电图和PC机之间的数据传送和处理 

  心电图和PC机之间的数据传送实际上是单片机和PC机之间的数据传送。在PC机一端。我们采用了VB6.0进行串口实时数据的采集。在VB6.0中利用MSComm通信控件,通过串口采集心电图的实时数据。由于VB6.0比较简单,编程中我们注意到尽可能使给出的程序代码具有通用性,并有详细的注释,使程序可以直接或稍加改动后用于其他数据采集应用中。便于在医疗器械领域的推广应用。 

  串口数据通信协议是:数据传输速率为 9600bps,1位开始位,8位数据位,1位停止位,无奇偶校验位。当通信传输速率为9600bps,则最快速度1.04ms发送一个字节,心电图每秒发送50个字节,平均20ms 发送一个字节,连续读取串口数据时要在程序中添加循环等待程序。心电图每秒发送50个数据,PC机收到一帧完整数据最多需要2s时间,为了能精确的测试,一般需要连续测试1分钟以上,然后再进行数据处理。  

  7.2 心电图与远程医疗中心之间的数据传送和处理 

  心电图与远程医疗中心之间系统的硬件主要由各种PC机和Internet上网宽带组成,系统结构如图4所示。病人通过心电图与PC的接口将测试的数据通过交换机路由器实时传送到计算机Internet网络上,远程医疗中心的服务器接受到数据后进行处理,以数据和图形方式显示在终端上供经验丰富的医生、专家进行诊断,然后将结果返回给病人,同时将结果保存在数据库中,以便作为下一次诊断的参考和宝贵的医学资料。 

  8 结束语  

  我们研制的便携式心电图仪能够测量、记录心电信号,能够将心电的生理信号转换成电信号,并在单片机上由LCD液晶显示器以图形的方式显示,图形可以放大、缩小、移动和存储。便携式心电图仪的价格比较低,容易普及,可以使患者能够方便地进行自我测量,由于是一种便携式心电图仪,也为医生临床检查提供一种新的诊疗设备。由于便携式心电图仪能够现实测量信息的网络远程传输,为实现家庭医疗远程诊断进行了前瞻性的研究。