摘要：本文中提出的数字化心电导联线装置，它是将人体摸拟信号通过滤波、放大、AD转换、数字滤波处理后，以标准的USB接口输出数字心电信号；对用户敲击事件、心脏跳动闪烁、导联脱落等功能进行了相应处理。其集成化高、体积小、使用方便、造价低，可广泛用于不同设备接收人体的心电信号，对使用者来说只是一条普通的心电导联线，重量轻且携带方便。
关键词：导联线；心电信号数字化；敲击事件；USB接口
在医疗技术领域中常采用心电导联线来测量病人的心电信息。心电导联线只能通过电极同人体相连，起到连接、传递信号的作用，由于人体的生物信号很微弱，在采集信号的过程中极易受到外部噪声的影响，需要与采集仪、监护仪、心电图机等设备的硬件电路连接才能获悉心电信息。这样在使用过程中需要增加大量的硬件，也增加了造价成本，其占用的空间较大，不便于携带；而且心电导联线只能与其输入接口相匹配的设备连硬件接，无法满足与多设备广泛连接的要求，使用的灵活性较差。
本文提出的数字化心电导联线装置，它是将人体模拟信号通过滤波、放大、AD转换、数字滤波处理后，以标准的USB接口输出数字化心电信号；对用户敲击事件、心脏跳动闪烁、导联脱落等功能进行了处理。其集成化高、体积小、使用方便、造价低，可广泛用于不同接收人体的心电信号的设备中，而对使用者来说只是一条普通的心电导联线，重量轻且携带方便。
1 系统硬件结构及原理
数字化心电导联线装置，由心电导联线、前级滤波电路 、信号集成处理模块、MCU模块、接口输出模块组成。图1为系统硬件结构及原理图。
系统硬件通过以标准导联方式和人体相连的电极取得的心电信号。由于人体的生物信号很微弱，且在环境中存在各种干扰（人体自身的肌电干扰，外部的工频干扰等），所以必须经过前级滤波电路对信号进行滤波后才可进入心电信号集成处理模块；利用心电信号集成处理模块（ADS1298）的通道选择、放大、滤波、AD转换后，以SPI接口向主设备MCU传送数据；MCU模块将接收到的数据进行存储和计算，识别出R波以显示心脏的跳动，并转换成一定样式的数据通过USB接口向不同的设备传递。用户敲击MCU模块外壳后，作为重要事件，在心电图上增加标志，供分析中参考；为了防止用户身体与心电电极片之间掉落，增加了识别电极掉落检测，以提醒用户重新连接或粘贴心电电极。
1.1前级滤波电路
按照美国心电学会确定的标准，正常心电信号的幅值范围在10μV-4mv之间，典型值为1mV。心电信号幅度小容易受到其他外界信号的干扰，本文中每路信号增加前级滤波电路，如图2所示。图中R1和C1组成一级低通滤波，R2的C2组成二级低通滤波。因为心电信号的频率范围为0.05Hz – 100Hz所以二阶无源滤波的截止频率为2K左右。C3为隔离电容，防止直流信号进入。D1和D2为二极管，防止输入信号过大或过小对电路的损坏。
信号集成处理
本文中的集成处理使用的是TI公司的ADS1298芯片，它是一个多通道，同步采样，24 位，三角积分 (ΔΣ) 模数转换器 (ADC) 的产品。它具有内置的可编程增益放大器 (PGA)，内部基准，和一个板载振荡器。 它具有8个低噪可编编程放大器 (PGA)和 8个高分辨率模数转换器 (ADC)；它的每通道功耗仅为0.75mW，采样速率可调，范围：250Hz至 32kHz，共模抑制比 (CMRR)为-115dB ;它有3个集成的放大器生成标准12通道ECG 所需的威尔逊 (Wilson) 中心终端 (WCT)。总之，ADS1298包含了所有医疗心电图 (ECG) 应用所通常要求的所有特性，借助于其高水平的集成和出色的性能，ADS1298可以用大大减小的尺寸、功耗和总体成本。
本文使用ADS1298的8个通道采集心电数据，用来摸拟十二通的心电图。它的封装类型为NFBGA，大小仅为8X8mm 。图3为ADS1298的电路原理图，由图中可知：第一路模拟信号由LA和RA差分得到，第二路模拟信号由LL和RA差分得到，第3到第8路模拟信号分别由V1、V2、V3、V4、V5、V6和WCT（威尔逊中心终端）差分得到，而WCT是LA、RA、LL的平均电平值，它是由软件设置的。RL与右腿驱动连接RLDOUT连接。CLK（G8）由外部提供2.048MHz的时钟；RESET（G6）为复位脚，CS(F7)为SPI片选，低电平有效，START（G7）为开始转换，SCLK（F8） 为SPI时钟，DOUT（E8）为SPI 数据输出，DIN（H8）为SPI 数据输入，DRDY（D6）为数据准备就绪，低电平有效。
ADS1298 SPI总线输出时序（8通道）如图4所示，当DRDY为低电平，且CS为低电平时，DOUT数据线输出转换完成的数据，由MCU控制部分通过SPI接口读取数据，数据格式为：状态值（3字节），通道1（3字节），通道2（3字节） …… 通道8（3字节）,共计27个字节
图5为微控制器部分电路图。微控制器（MCU）采用STMicroelectronics公司的STM32F042G6Ux单片机，该处理器基于ARM 32位 Cortex-M0内核， 主频48MHz，内部含有32K字节的FLASH和6K字节的SRAM，它包含两路SPI (18 Mbit/s) 的接口，一路 USB 2.0 高速接口。其中UFQFPN28封装的尺寸为4x4 mm，具有体积小，功耗低和功能强大的特点。完全可以满足与ADS1298的SPI接口连接，同时也具有USB接口的输出。 STM32F042K6Tx 主要管脚功能描述见表一所示。
表一 STM32F042K6Tx 主要管脚功能描述表
ADXL345是一款小巧纤薄的低功耗三轴加速度计，它的功耗极小，待机模式下为0.1uA。采用3mm×5mm×1mm、14引脚小型超薄塑料封装。当有敲击发生时，在INT1(8脚)上产生中断，MCU中断程序中通过3线I2C模式同ADXL345进行通信传送数据。
敲击事件就是在记录心电时，用户感觉身体不适时，用手敲击MCU模块外壳，产生敲击事件，以便在心电信号中做出标志，供分析心电时作为重点分析。
图中的用户界面指示灯：LED1为电源指示灯，LED2为心电同步指示灯，LED2为敲击事件指示灯
软件使用由Keil MDK-ARM V5.14 uVision5开发工具，STM32 的HAL库为基础库编译通过，其流程图见图6 。软件开始后，对MCU初始化、ADS1298初始化、ADXL345初始化。MCU初始化主要完成时钟（本文中使用内部时钟）的配置、SPI总线设置、I2C总线设置、输入端口的设置。
ADS1298总共有26个寄存器，地址从00到19H，在上电后根据需要进行初始化设置，本文中00到19H寄存器设置的值分别为0x06,0x00,0x4e,0x0f,0x10,0x10,0x10,0x10,0x10,0x10,0x10,0x10,0x10,0x02,0xff,0x1f,0x00,0xf0,0x00,0x0f,0x01,
0xf4,0x02,0x00,0x00。
ADS1298完成数据轮换后在DRDY脚上产生中断，MCU响应中断接收数据，其SPI总线输出时序见图4；根据接收到的数据计算QRS波，在此期间LED灯亮，这样LED闪烁与心脏跳动同步。
ADXL345初始化完成后，当有事件时，ADXL345在INT1脚上产生中断信号，MCU响应中断请求后通过I2C总线接收数据，判断是否为敲击事件。
3 结束语
根据本文设计的数字化心电导联线装置如图7所示，它为数字化十二通道十导联线示意图，在外表上同普通的摸拟心电导联线很相似，但它已经完成了心电信号的放大、滤波及信号的处理，同时增加了敲击事件功能。只要连接到通用的USB接口，USB接口给它供电，并不断传送数字化的心电信号。
心电图基础教程[M]. 科学出版社，2004：1-40.
[2] 潘大明，心电图学教程[M]，浙江大学出版社，2008：1-50
[3] 德州仪器 TI.com.cn ADS1298 具有集成 ECG 前端的 8 通道 24 位模数转换器
[4] 意法半导体（STMicroelectronics） STM32F042x6参考数据手册
[5] 申秋鸣，陈占林，一体化心电导联线装置[P]，专利号：201720996105.6
论文作者:陈占林
论文发表刊物:《科技中国》2017年11期
论文发表时间:2018/5/2
标签：心电论文; 信号论文; 联线论文; 数据论文; 接口论文; 通道论文; 事件论文; 《科技中国》2017年11期论文;