心臟疾病是威脅人類(lèi)健康和生命的頭號(hào)敵人[1]，心電信號(hào)是診斷此類(lèi)疾病的主要依據(jù)。對(duì)心電信號(hào)的采集監(jiān)測(cè)有助于醫(yī)生對(duì)有生命危險(xiǎn)的傷病員進(jìn)行及時(shí)有效的救治，在臨床中具有廣泛的需求。而現(xiàn)有的采集監(jiān)測(cè)儀器多數(shù)是有線測(cè)量，在實(shí)際應(yīng)用中存在著很大的局限性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，醫(yī)生在測(cè)定這些生理參數(shù)時(shí)，就必須在病人的身邊進(jìn)行，如果病人是傳染病患者，其弊端顯而易見(jiàn)；其次，病人的這些生理參數(shù)需要長(zhǎng)時(shí)間測(cè)定時(shí)，要求病人必須在監(jiān)護(hù)病房?jī)?nèi)而不能自由走動(dòng)，如果病人不是重癥患者，或者正處于恢復(fù)期，本來(lái)可以自由活動(dòng)，卻因?yàn)檫B接信號(hào)線的長(zhǎng)度受到本不應(yīng)該的限制，為其帶來(lái)很大的不便；另外，體積龐大、便攜性不強(qiáng)等缺點(diǎn)也使得手術(shù)過(guò)程和病房的監(jiān)護(hù)受到局限，更難以應(yīng)用在院外急救場(chǎng)合。近年來(lái)，隨著電子信息技術(shù)及無(wú)線遙測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，便攜式無(wú)線生理參數(shù)測(cè)量設(shè)備的研制成為可能，所以，心電信號(hào)的無(wú)線采集監(jiān)測(cè)成為一個(gè)比較熱門(mén)的研究領(lǐng)域。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
    本文在對(duì)心電信號(hào)研究的基礎(chǔ)上，基于無(wú)線單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)出了一種便攜式無(wú)線心電采集裝置。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，其中心電采集無(wú)線收發(fā)從機(jī)模塊又由心電采集信號(hào)調(diào)理電路和無(wú)線射頻收發(fā)電路組成。具體流程為：心電采集無(wú)線收發(fā)從機(jī)模塊在接收到主機(jī)模塊無(wú)線發(fā)送來(lái)的采集命令后，將采集到的信號(hào)無(wú)線發(fā)送至主機(jī)模塊，主機(jī)模塊再將接收到數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳至上位機(jī)，并在上位機(jī)上監(jiān)測(cè)軟件里存儲(chǔ)顯示出來(lái)。

    心電信號(hào)取自人體表面，信號(hào)源阻抗較大，背景噪聲強(qiáng)。因此對(duì)采集電路有如下要求[2]：(1)高增益，針對(duì)心電信號(hào)微弱的情況，較高的放大倍數(shù)提高系統(tǒng)采集精度；(2)高輸入阻抗，由于信號(hào)源阻抗高，而心電信號(hào)很微弱，若輸入阻抗不高，則經(jīng)分壓后的信號(hào)就更小，導(dǎo)致心電信號(hào)損失嚴(yán)重，且信號(hào)源過(guò)負(fù)荷將導(dǎo)致心電信號(hào)發(fā)生畸變；(3)高共模抑制比，以消除工頻及極化電位的干擾；(4)低噪聲，使之不淹沒(méi)極其微弱且信噪比低的心電信號(hào)；(5)低漂移，以防高放大倍數(shù)的放大電路出現(xiàn)飽和現(xiàn)象；(6)合適的帶寬，以便有效地抑制噪聲，防止采樣混疊；(7)高安全性，確保人體的絕對(duì)安全。根據(jù)以上要求，心電采集信號(hào)調(diào)理電路總體框圖如圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
    心電信號(hào)通過(guò)醫(yī)用電極拾取后利用前置放大電路進(jìn)行初步放大，高性能的前置放大電路對(duì)干擾信號(hào)能夠起到很好的抑制作用。針對(duì)心電信號(hào)的采集要求，并綜合比較目前用于心電前置放大的幾種儀表放大器，本裝置最終選用了美國(guó)Analog Device 公司生產(chǎn)的儀表放大器AD620。
　右腿驅(qū)動(dòng)電路的引入能夠進(jìn)一步提高信號(hào)的采集質(zhì)量，將右腿連接到一個(gè)輔助的運(yùn)算放大器的輸出端,這樣人體體表的共模信號(hào)將反饋到放大器上。通過(guò)這個(gè)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，可大大抑制測(cè)量過(guò)程中前置放大器輸入端共模電壓的影響。此外，右腿驅(qū)動(dòng)電路還可以提供電氣上的安全性。除了右腿驅(qū)動(dòng)之外，還采取屏蔽驅(qū)動(dòng)的措施來(lái)提高整個(gè)電路的抗共模干擾能力，保障患者的安全。屏蔽驅(qū)動(dòng)器[3]實(shí)際上就是一個(gè)同相電壓跟隨器，將放大器的輸出端和屏蔽相連,這樣就將屏蔽線和地隔開(kāi)，并且對(duì)于50 Hz的共模干擾信號(hào)來(lái)說(shuō),從人體輸入的兩路信號(hào)是相等的，則由屏蔽驅(qū)動(dòng)器輸出的電壓和干擾信號(hào)大小相等，也就是說(shuō)，導(dǎo)聯(lián)線和屏蔽線之間的電壓差為0，從而消除了其間的電容，提高了輸入電路的阻抗，降低人與地之間的漏電流，保障了患者的安全。帶屏蔽驅(qū)動(dòng)、右腿驅(qū)動(dòng)的前置放大電路如圖3所示。

    圖4為無(wú)線心電采集裝置的濾波電路。濾波電路由截止頻率分別為0.05 Hz和100 Hz的高通、低通電路組成的帶通濾波電路和50 Hz陷波電路組成。一方面阻斷前置放大器可能輸出的直流電平，防止后續(xù)電路出現(xiàn)飽和；另一方面可以消除混在信號(hào)中的各種雜波干擾；而陷波電路則是進(jìn)一步濾除采集過(guò)程中強(qiáng)大的工頻干擾。隨后心電信號(hào)將進(jìn)入后置放大電路，將其放大至合適范圍，此時(shí)便可通過(guò)無(wú)線單片機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,將采集到的模擬心電信號(hào)量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，以滿足無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

     無(wú)線單片機(jī)采用基于8051內(nèi)核的nRF9E5作為心電采集裝置的控制核心，數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和無(wú)線傳輸都圍繞著nRF9E5展開(kāi)。nRF9E5[4]是Nordic VLSI公司近年來(lái)推出的無(wú)線單片機(jī)芯片，其內(nèi)置nRF905的433 MHz/868 MHz/915 MHz收發(fā)器、8051兼容微控制器和4路輸入10位80 kb/s A/D轉(zhuǎn)換器,單片機(jī)全速運(yùn)行耗電1 mA，1.9～3.6 V低電壓工作，待機(jī)耗電2 ?滋A最大發(fā)射功率為10 dBm，高抗干擾GFSK調(diào)制，速率100 kb/s，具有獨(dú)特的載波監(jiān)測(cè)輸出、地址匹配輸出、就緒輸出。它內(nèi)置完整的通信協(xié)議和CRC，只須通過(guò)SPI即可完成所有的無(wú)線收發(fā)傳輸，無(wú)線通信如同SPI通信一樣方便。它的所有功能均在一個(gè)5 mm×5 mm芯片上實(shí)現(xiàn)，是真正的片上系統(tǒng)SoC。nRF9E5射頻收發(fā)電路可見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]。
3 軟件設(shè)計(jì)
    采集裝置的軟件設(shè)計(jì)主要包括四大部分：A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通信、串口數(shù)據(jù)發(fā)送、上位機(jī)監(jiān)測(cè)。四個(gè)部分不完全獨(dú)立，相互聯(lián)系。為了確保數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)臏?zhǔn)確可靠，在進(jìn)行無(wú)線通信前須制定收發(fā)雙方的通信協(xié)議。對(duì)于nRF9E5來(lái)說(shuō)，每次發(fā)送/接收數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)包的方式來(lái)進(jìn)行的。數(shù)據(jù)包格式是通信協(xié)議的重要部分，nRF9E5的無(wú)線數(shù)據(jù)包格式如下：
　Peramble是前導(dǎo)碼,是由硬件自動(dòng)加上去的；Addr是要發(fā)送的接收端地址碼；Playload是有效數(shù)據(jù)(最大32 B)；CRC是CRC校驗(yàn)和，可由內(nèi)置CRC糾錯(cuò)硬件電路自動(dòng)加上，可設(shè)為8 bit或16 bit。

　MDRS為模塊數(shù)據(jù)返回首字符（1 B）；WLF為無(wú)線標(biāo)志字符(11 B)；MAddr為心電采集模塊地址；DADAR為采集到的心電數(shù)據(jù)(2 B)；MEND為數(shù)據(jù)包結(jié)束符(1 B)。
　收、發(fā)模塊要實(shí)現(xiàn)通信除了應(yīng)遵循通信協(xié)議外，還應(yīng)對(duì)nRF9E5的無(wú)線收發(fā)部分進(jìn)行初始化配置。配置參數(shù)如表1所示。

　無(wú)線收發(fā)主機(jī)模塊和心電采集無(wú)線收發(fā)從機(jī)模塊的無(wú)線接收程序均采用DR(數(shù)據(jù)就緒）中斷響應(yīng)接收模式，不同的是無(wú)線收發(fā)主機(jī)模塊最后還要把接收完的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主從機(jī)各個(gè)模塊的無(wú)線發(fā)送程序則是完全相同的，采用函數(shù)模塊形式編寫(xiě)，直接調(diào)用即可。無(wú)線收發(fā)程序流程圖如5、圖6所示。

    上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件采用美國(guó)NI公司的LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)完成，它是一種圖形化編程語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用流程圖的形式開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，其自帶的函數(shù)庫(kù)可以用于數(shù)據(jù)采集、GPIB和串行設(shè)備的控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
4 試驗(yàn)結(jié)果及分析
4.1試驗(yàn)方法
    試驗(yàn)在江蘇大學(xué)生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，分為兩個(gè)部分，一部分通過(guò)數(shù)字示波器（普源RIGOL DS1102C）測(cè)試心電采集硬件電路的輸出波形;另一部分是心電采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸及上位機(jī)心電波形數(shù)據(jù)的顯示。在試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)先對(duì)試驗(yàn)對(duì)象測(cè)試部位的皮膚進(jìn)行酒精擦洗，保持皮膚的清潔，以利于心電信號(hào)的拾取。
4.2 結(jié)果與分析
    圖7～圖11為心電采集硬件電路通過(guò)示波器所測(cè)得的波形圖。圖12為所采集心電數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸后在上位機(jī)上的心電波形及數(shù)據(jù)顯示圖。

    由圖7可知，經(jīng)過(guò)前置放大而未采取屏蔽驅(qū)動(dòng)抗干擾措施所測(cè)得的心電波形中摻雜著諸多干擾雜波信號(hào)，只顯現(xiàn)出心電波形的大致輪廓。從圖8可以看出，經(jīng)過(guò)濾波后的心電波形中干擾雜波信號(hào)已有所減少，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。圖9和圖11分別是加了屏蔽驅(qū)動(dòng)后的心電波形，與未加屏蔽驅(qū)動(dòng)前的圖8和圖10相比較，心電波形中的干擾雜波明顯減少，呈現(xiàn)出良好的顯示效果。對(duì)上面這些波形進(jìn)行總體分析可以得出硬件電路中屏蔽驅(qū)動(dòng)的加入能起到很好的抗干擾作用，濾波電路、陷波電路對(duì)提高心電的信號(hào)質(zhì)量也是有一定作用的。
    本文結(jié)合以往心電信號(hào)采集的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)心電信號(hào)的具體特點(diǎn)設(shè)計(jì)了適合的信號(hào)放大調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)噪聲背景下人體體表微弱心電信號(hào)較高質(zhì)量的檢取。基于無(wú)線單片機(jī)nRF9E5來(lái)實(shí)現(xiàn)所采集心電數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性，制定了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，并在軟件編制中采取了一些校驗(yàn)措施，以確保無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_無(wú)誤。上位機(jī)測(cè)試軟件以LabVIEW為開(kāi)發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)了心電數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)界面，能夠顯示存儲(chǔ)無(wú)線接收來(lái)的心電數(shù)據(jù)波形數(shù)據(jù)。最后對(duì)硬件電路以及整個(gè)裝置進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試表明，裝置工作正常，數(shù)據(jù)采集、無(wú)線傳輸較為準(zhǔn)確可靠，說(shuō)明本裝置的設(shè)計(jì)是切實(shí)可行的，能夠給同類(lèi)以及其他生理參數(shù)的采
集監(jiān)測(cè)提供借鑒和參考，但仍存在諸多不足之處，比如優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)電路以改善波形，提高波形質(zhì)量；上位機(jī)軟件加入數(shù)字濾波功能，以及能夠進(jìn)行心電波形的特征分析等等。這都需要在后續(xù)工作中進(jìn)一步研究。
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