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1、基于单片机便携式心电图仪的研究与设计 便携式心电监护仪 指导老师： （08级 电子科学与技术专业）摘 要 本系统以TI公司的高精度仪表放大器INA2331和低功耗AT89C51单片机为核心，实现了两路心电信号的采集和显示。设计采用右腿驱动电路和 高通负反馈滤波器等抑制干扰措施，提高了放大器的共模抑制比；选用内部资源 丰富的 AT89C51单片机和12864液晶显示器 LCD 实现了心电信号的动态显示。结果表 明系统各项技术指标达到了设计要求，具有低功耗低成本的特点。 Abstract The system which takes the high-precision instrumentati
2、on amplifier INA2331 and low-power AT89C51 MCU as the core has realized two_channel ECGs detection, storage and display 。It adopts a right-leg -driven circuit、a high-pass filter with reverse feedback and so on，which makes the CMRR of the preamplifier higher 。By adopted the inner resourceful AT89C51
3、single chip and 12864 LCD the ECG can be recorded and playbacking demonstrated 。The results indicate that the major technical specifications of the system meet the design equirements, The system has the following features, such as low-power、and low-cost 。 第 1 章 绪论 1.1 研究背景及意义 近年来，随着社会的进步和经济的发展，生活水平的
4、逐步提高，以及我国人口老龄化程度越来越严重，心脏病一类的疾病的发病率不断攀升，严重影响人们的身体健康，成为威胁人类健康的第一因素。在我国，因心脑血管疾病死亡的人数约占总死亡人数的 44% 。根据2008 年中国慢性心脏病年报显示，国内每年近50%的死亡病例为冠心病，且该数字在逐年递增1 。去年约有 16 万名患者接受支架植入手术，手术施行总数的年增长率超过 20% 。据估计我国心脑血管疾病每年耗费达 3000 亿元，然而受测试手段的局限，知晓率、治疗率及控制率仍然很低，特别是知晓率是有效防治心脑血管疾病的关键因素，而有效的便携式心电检测监测仪器是完成早期发现的有力工具。 心脏能够有规律性的发生
5、兴奋和收缩，从而推动血液的循环。在心脏肌肉每次收缩之前， 都有一股微小的生物电流产生。由于人体的体液能够导电，这些微小电流通过体液的传递就会反映到人体的表面皮肤上，由于身体各部分组织不同，距心脏的距离不同，从而造成体表的不同部位的电位有所不同。根据这个现象，出现了一些心电检测仪器，通过测量人体这些生物电信号，从不同角度观察心脏的活动情况，并将心电图显示出来。这对心脏基本功能及其病理研究方面，具有重要的参考价值 。 心电图能够反映心律的运行状况，一定程度上反映心肌受损的程度、发展过程以及心房、心室的功能结构情况。从而能够在心脏手术和药物的使用上提供一定的参考价值。然而在检查心脏功能的时候，心电图
6、并非是必不可少的指标，因为心电图比较复杂，有时正常的心电图不一定证明心功能正常，相反，心肌的损伤和功能的缺陷并不总能反映在心电图中 。 常规心电监护设备具有体积笨重、价格昂贵和不便于携带的局限性，随着社会生活水平的提高，家庭化的医疗器械开始逐渐进入人们的日常生活，家庭化的心电图仪器具有体积小、 方便使用的优点，但功能没有专业的大型的医疗设备齐全，但在一定程度上满足了人们的基本应用。比如能够在家庭或则其他地方很方便的进行心电图信号的测量，并把波形显示出来通过一定的处理，做基本的诊断，并把数据存储起来，然后可以提交到专业机构做进一步的诊断。对于一些行动不便的病人，便希望利用互联网技术，把数据通过远
7、程传送的方式，提交到专业机构或指定的医药。便携式心电设备的使用也有利于医生在急诊或查房的时候方便快速的进行病情诊断。 因此为了能够在更多场合进行诊断，出现了各种各样的便携式心电图设备，常规心电图是病人在静卧情况下由心电图仪记录的心电活动，历时时间短，只能获取少量信息，所以在有限时间内即使发生心律失常，被发现的概率也是很低的。而便携式监护装置可以在家庭里进行长时间的实时监护，并把数据存储起来。这样患者就不必长时间的静卧在医院，就可以得到实时的监护，所以研发便携式心电监护产品具有重要意义。 本课题主要研究开发便携式心电图仪，即将普通心电图设备小型化、家庭化，具有低价 位、体积小、便于携带和使用方便
8、等特点。 1.2 国内外研究现状和发展趋势 综观当前心电检测仪器发展趋势，主要向以下几个方向发展： (1) 数字化 随着计算机科学、机械电子的迅猛发展，医疗器械的数字化程度越来越高，比如数字滤波器的使用，极大的降低了心电干扰，提高了心电判断的准确率。 (2) 无线化 无线传感技术的发展能够促使心电检测无线化，从而摆脱传统心脏检测的繁琐程序。同时，能减轻病人的心里紧张程度，实现心电检测的方便性。 (3) 自动化 自动测量和分析是医疗仪器的发展方向，使医疗器械智能化是目前医疗器械设计的目标之一。 (4) 远程医疗 计算机技术、网络通信技术的快速发展，为远程医疗的实现提供了可能，将心电数据通过远程传
9、输，在远端对心电数据加以分析处理并提出诊断结果，从而实现远程医疗。如目前出现的基于GPRS 网络的远程心电监护系统就是这个发展趋势的体现。 总之，科技不断进步，人们的需求也在变化，设计符合市场需求的产品是企业生存的根本，利用高科技带来的技术革命去更新医疗器械更是一个巨大的市场机会，我们相信，在未来几年里，家庭化的监护设备必将越来越普及。1.3 论文研究内容 目前市场上的便携式心电图仪器价格昂贵、功能复杂，限制了它们的应用，基于此本文设计了一种基于 AT89C51 芯片能够实时监控并且 价格低廉的便携式心电信号采集仪。 采用 12864 LCD 实时显示心电波形，具有良好的人机交互界面。1.3.
10、1 主要工作 本文的目的是通过先进微处理器的应用研究的主要内容是通过将嵌入式技术、数字信号处理技术和信号采集技术的结合，设计一个能够完成信号提取和分析功能的嵌入式心电图监测系统。主要研究工作如下： (1) 心电信号的检测方法 (2) 心电图仪的硬件设计： 1) 采集电路：准确提取生理信号，把信号处理为可供采集分析的有效信号； 2) 处理电路：完成信号的采集、滤波、显示等。 (3) 心电图仪的软件设计： 1) 信号采集的 A/D 采集程序； 2) 数字滤波处理程序； 3) 12864 LCD 驱动程序； 第2章 人体心电信号的医学基础2.1心电信号的产生机理心脏的结构复杂，可以把心脏看作一个水泵
11、，能够不断地有规律性的发生兴奋和收缩，从而推动着整个血液的循环。心电信号就是有心肌激动产生的微小电流，该电激动是在心脏机械收缩之前产生的。围绕在心脏周围的组织和体液都具有导电性，这些微小电流总和就通过组织及体液传导反映到体表上来。从而造成体表不同点之间的电位差不同，通过采集这些电位差就可以绘制出心电图来。随着科技的进步，各种尖端检测仪器不断更新，极大的提高了对心电信号的研究与分析能力。心电图是记录心脏电活动状态的记录，包括心脏节律和频率以及电压的高低等信息，可用于诊断各种心律失常、心肌病变、心肌梗塞及心肌缺血等心血管疾病。同时对心脏病的诊断和治疗也提供了确切的理论依据。2.2心电信号的特征生物
12、医学信号都具有信号强度较弱、背景噪声较强、频率范围一般较低、随机性强等特点。当今生物医学信号处理已经是一个重要的研究领域，也是近年来迅速发展的数字信号处理技术的一个重要的应用方面。心电信号属于直接信号，信源是心脏，具有周期信号的性质，同时还有非平稳的特性，由于干扰因素的存在，心电信号总是在一定的范围内波动，有时候也会随着某种疾病发生改变，不同的人，其心电图的波形有差异，这个差异有时还很大，但是，一般正常的心电波形都可以划分为几个部分。2.2.1时域特征通过电极对心电信号进行提取，可以画出心电信号的电压幅度随着时间变化的图形，如图2.1所示，即是一个典型的正常心电波形。信号的幅度很小，一般为10
13、V4mV，典型值是1mV。图2.1一个周期的ECG波形心电图的典型间期和典型段其中“间期”指时间间隔，而“段”则指波形本身）论述如下：P波：反映两心房去极化过程的电位变化，左右心房除极波，前部代表右心房激动，后部代表左心房激动。P-R间期：是从P波起点到QRS波群起点的相隔时间。它代表从心房激动开始到心室开始激动的时间，正常为0.120.20s。若超过0.20s，一般表明有房室传导阻滞。这一期间随着年龄的增长而有加长的趋势。QRS间期：从Q波开始至S波终了的时间间隔。它代表两侧心室肌（包括心室间隔肌）的电激动过程。QRS波群的宽度即为QRS时限，代表全部心室肌激动过程所需要的时间，正常人的时限
14、最长不超过0.10s。QRS波的形态、振幅和时间所包含的心脏信息极为丰富，迄今仍有大量的有用信息尚未被认识，有待进一步探讨。S-T段：由QRS波群结束到T波开始的平线，ST段下降不应低于0.05毫伏。偏高或降低超出上述范围，便属异常心电图。P-R段：从P波后半部分起始端至QRS波群起点。同样，正常人的这一段也是接近基线的。心电信号是一个近似周期信号，它的特点是突变性很强，属于一种非常典型的具有明显时频特性与时间-尺度特性的生物医学信号11。可以看出心电信号具有以下特点：(1)微弱性：经过实验测试得出，心电信号的幅度一般只有0.055mV，均值在1V，很容易受到干扰的影响，极易被淹没。给信号的检测带来了困难。(2)低频特性：人体心电信号频率比较低，有价值的频率范围一般为0.05100Hz，能量大部分集中在0.0540Hz。(3)高阻抗：人体源阻抗一般较大，可达几K至几十K，其作为心电信号的信号源，给心电信号的检测带来了不利，容易造成心电信号的误差和失真。(4)不稳定性：人体内部结构复杂，各个器官之间相互协调相互影响，又与外部直接接触，密切联系，所以，无
