基于无线传感器网络的微型心电图检测仪

0 引 言

随着我国城市人口老龄化程度的加快，以及物质生活的改善，心血管、心脏一类疾病也在不断的增长，也有报告称：随时随地的及时诊断，可为70%以上的心血管病人提供治疗和生存的希望。而人们也普遍希望能够拥有一种便携式医疗仪器，能够在家里随时随地进行心电信号的测量与记录，并能随时得到医生的及时诊断，也不需要来回奔波于医院和家里。对于情况严重的患者或行动不便的人，这种需求就更为强烈。如果一位患有心脏疾病的患者有了这样一部便携式仪器，就可以随时测量自己的心电波形，实时地从医生那里了解自己的身体情况，方便疾病的快速诊断。

文中以心电信号为主要采集信号，设计相应的放大器、滤波器，对微弱的心电信号进行放大和滤波，将得到的较纯净的心电信号通过单片机的A／D模块进行采集并显示，再按照使用者的要求选择执行心电波形的打印和彩信发送等功能。具体流程如图1所示。

1 生物医学信号及其采集处理系统

生物医学采集处理系统由传感器、前置放大器、模拟滤波器、程控增益放大器、A／D转换器、单片机和输出显示等几部分组成。其原理框图［1］如图2所示。

图1 心电图仪总体设计框图

图2 心电信号采集系统原理框图

生物信号由传感器进入前置放大器，经前级放大后，由二阶高通滤波器滤除直流或低频成分干扰信号，再经程控增益放大器放大或衰减为ADC的输入电平范围。

2 前置放大器

2.1 生物电采集的前置放大器

集成仪用放大器AD620作为前置放大器。AD620输入端采用超β处理技术，具有低输入偏置电流、低噪音、高精度、较高建立时间、低功耗等特性，共模抑制比可达130dB，其增益可调（范围约1～1 000倍）［2］，非常适合作为医疗仪器前置放大器使用。

AD620的相关特性参数［3］如图3所示。

图3 AD620的相关特性参数

2.2 带自举电路的前置放大器

为了使电路的共模抑制比进一步提高，可采用带共模自举和屏蔽驱动技术［4］如图4所示。

图4 带共模自举和屏蔽驱动技术的前置放大器

图4 中的集成运放A4从两只电阻R的中点取出第1级运放输出的共模电压反馈到正负电源的公共端，使运放电源电压跟随输入共模电压浮动，从而使各级偏置电压都跟踪共模输入电压。则各级共模信号大大削弱，使前置放大器的共模抑制比提高［4］。

另外，仪表放大器输入电阻很高，为防止外界改用一组浮置电源（不共地）供电。由图中可见，浮置电源公共端N点的电位与输入共模电压Uic相同，即

因此，对于运放A1、A2来说，输入共模电压相当于零，从而有效地消除了共模干扰的影响。另外，仪用放大器输入阻抗很高，为防止外界信号对输入线的干扰，通常采用屏蔽并接地的方法来防止干扰。这样输入电缆的两条芯线与屏蔽层之间形成了两个分布电容C1和C2，两条芯线存在着漏电阻Rs1和Rs2，设Rs1和Rs2中也包括了信号源内阻，于是C1、Rs1和C2、Rs2在仪用放大器输入端形成了RC分压器［5］，如图5所示。

若Rs1C1≠Rs2C2，则交流共模干扰便会在仪用放大器的两个输入端之间形成差模误差信号，仪用放大器的输出信号中就会出现共模误差电压，降低放大器的共模抑制能力。

图5 分布参数对CMRR的影响

若电缆的屏蔽层不接地（见图4），接到图中N点，形成共模驱动屏蔽。这样电缆屏蔽层上的电压就能跟踪输入共模电压的变化，两条芯线与屏蔽层之间就没有共模电压差存在，较好地解决了长线传输时交流共模干扰的问题。

前置放大器的具体实现电路如图6所示。

图6 前置放大器的具体实现电路

3 滤波器

3.1 生物电信号采集系统的滤波器

在生物电信号采集过程中，不可避免地会混入各种干扰，因此，想要得到清晰稳定的生物医学信号，滤波器的设计很关键［6］。

为此需要设计多个滤波器对信号滤波，具体见表2。

表2 本次设计的滤波器一览表

3.2 采用sallen－key拓扑结构的滤波电路

sallen－key结构的二阶高通滤波器［7］如图7所示。

图7 二阶高通滤波器

这种结构的滤波器的优点是外围元件的参数漂移对滤波器的性能影响很小，使电路的稳定性得到保证。

滤波器的传递函数：

电阻、电容的计算公式如下：

P值最好为0.1～10，P可以用于优化元件值或元件发散比。

通过选择AVF＝1，QP＝0.707，CX＝10μF，fC＝0.05Hz，计算得HPF1的R，C值为：R1＝225kΩ，R2＝450kΩ，C11＝10μF，C12＝0μF，C3＝10μF。

通过选择AVF＝1，QP＝0.707，CX＝1μF，fC＝20Hz，计算得HPF2的R，C值为：R1＝2.8kΩ，R2＝5.6kΩ，C11＝1μF，C12＝0μF，C13＝1μF。

3.3 基于开关电容滤波器（SCF）的ADC抗混叠处理

3.3.1 开关电容滤波器MAX7480

MAX7480是一款低失真低功耗的8阶Butterworth低通滤波器，工作于＋5V的单电源电压下，转角频率可以通过外加脉冲或外接电容设置为1.0～2.0kHz，失真小于－73dB，输出失调电压小于5mV，工作模式下静态电流小于2.9mA，关闭模式下静态电流小于0.2mA。MAX7480引脚图如图8所示。

图8 MAX7480引脚图

3.3.2 具体电路实现

MAX7480使用极其方便，通过在CLK端外加时钟脉冲fCLK就可以设置滤波器的转角频率fC。fCLK与fC的关系是：

或者也可以使用芯片内部的振荡器获得时钟频率fOSC，这时需要在CLK端外接电容COSC，fOSC与COSC的关系是：

由于本系统只需600Hz和1kHz的转角频率，故采用外接电容法。通过跳线开关选择一个电容。经过计算得到COSC分别为：

fC＝600Hz时，COSC＝1 060pF；

fC＝1kHz时，COSC＝530pF。

具体电路如图9所示。

图9 抗混叠滤波器实现原理图

3.4 陷波电路

虽然前端采用集成化器件已经有了很高的共模抑制比，但由于它不能消除干扰以及后级电路再次引入50Hz工频干扰，在电路的最后部分仍需加入50Hz陷波器，其可以采用双T带阻滤波器［8］，如图10所示。

其品质因数与反馈系数有一定比例关系：Q，但并不是品质因数越大越好，品质因数越大，其β也越大，电路将出现不稳定甚至自激振荡，本部分选为R＝32kΩ，C＝0.1μF。f＝Hz，实际取R＝30Ω，f＝53.1Hz，适当运用电阻误差，可以将其近似调整为50Hz左右。变位器调到0.5kΩ，β＝29.5／30＝0.98，Q＝12.5。

图10 双T带阻滤波器

4 可控增益放大器

4.1 多路模拟选择开关CD4051

CD4051是单八通道双向模拟选择开关，电源电压典型值是15V，导通电阻Ron＝80Ω，导通电阻路间差ΔRon＝5Ω，开关关断下的漏电流I＝0.08A，开关转换时间tran＝120s，功能［9］见表3。

表3 CD4051功能表

4.2 可控增益放大的分析

可控增益放大器［10］由两级组成，如图11所示。

图11 可控增益放大器的实现原理

第1级的功能是通过手动按键调节放大器的增益，使第1级输出电压保持在－2.5～＋2.5V范围之内。第2级是一个加法电路，实现的功能是将第1级输出电压提升2.5V，输出0～5V电压以便与ADC的输入电压相匹配。

采用手动按键调节时，电路的工作过程是：手动按键产生计数脉冲给计数器74 161，计数器的的输出端Qc、Qb、Qa共产生8种输出组态，作为CD4051的控制信号。输出Qd作为清零信号实现8进制计数。

CD4051的输入控制信号CBA的8种组态分别控制8个通道接向公共I／O端，使放大器获得8种反馈电阻值，实现8种增益。

第2级加法电路实现电位提升的原理［11］是：

可控增益放大器输出0～5V信号，先送至SCF MAX7480进行抗混叠滤波后，再送至ADC。

5 结 语

通过传感器、前置放大器、模拟滤波器、程控增益放大器等进行放大和滤波，并将A／D转换后得到的心电数据再通过单片机处理，在GPRS网络的基础上，使用WAP协议与互联网联系，将测量到的数据即时传送到远程服务中心。医生通过分析从远程中心获得的患者数据可以第一时间掌握患者的病情，并根据实际病情采取进一步的治疗或者预防措施。特别对于病情严重的患者，这款便携式微型心电图检验仪将为其赢得最为宝贵的治疗时机。