摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)床位患者心電的監(jiān)護(hù)，提出多床位心電監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)思想，解決傳統(tǒng)心電采集過(guò)程中對(duì)單床位患者心電的監(jiān)護(hù)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)生集中監(jiān)護(hù)病房中患者心臟跳動(dòng)的目的。上位機(jī)采用Visual C++6．0開(kāi)發(fā)監(jiān)護(hù)控制軟件，采用USB 2．0接口接收下位機(jī)上傳的心電數(shù)據(jù)；下位機(jī)用MCS-51單片機(jī)采集患者的心電數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：心電監(jiān)護(hù)；上位機(jī)；信號(hào)放大；心電采集

0 引言
    為了適應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)療業(yè)的迅速發(fā)展，心電監(jiān)護(hù)儀是臨床診療的一種必備檢查設(shè)備。心電監(jiān)護(hù)儀種類較多，如臨床使用的基于PC平臺(tái)的心電監(jiān)護(hù)儀，家用便攜式心電監(jiān)護(hù)儀，隨時(shí)攜帶便攜式心電監(jiān)護(hù)儀等。
    調(diào)查表明，心血管疾病已經(jīng)成為目前威脅人類生命的主要疾病之一，導(dǎo)致此類疾病的主要原因是人們生活節(jié)奏加快、人口逐漸老齡化以及生活不規(guī)律性。心血管疾病的主要特點(diǎn)是突發(fā)性、短暫性和危險(xiǎn)性。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行治療，將會(huì)導(dǎo)致患者死亡的嚴(yán)重后果。
    心電監(jiān)護(hù)儀是檢查、診斷和預(yù)防該類疾病的重要手段和依據(jù)，是監(jiān)護(hù)患者心臟狀態(tài)的一個(gè)重要儀器；對(duì)于心肌梗塞、心律失常等癥狀，心電監(jiān)護(hù)儀的使用貫穿于治療、康復(fù)的整個(gè)過(guò)程。由于傳統(tǒng)的基于PC機(jī)平臺(tái)的心電監(jiān)護(hù)儀，價(jià)格昂貴，體積龐大，不便于移動(dòng)且主要集中在大醫(yī)院，給醫(yī)生和患者帶來(lái)了很大的不便。采用一臺(tái)PC機(jī)設(shè)計(jì)一種新型多床位心電監(jiān)護(hù)儀。它利用上位機(jī)來(lái)遠(yuǎn)程監(jiān)視多位患者的心電，不但可以降低成本、縮小體積，而且還可以同時(shí)監(jiān)護(hù)多位患者，方便醫(yī)生隨時(shí)查看被檢查床位患者的病情。

1 心電波形知識(shí)
1．1 心電波形組成
    心電波形是由一系列的波組所構(gòu)成，每個(gè)波組代表著每一個(gè)心動(dòng)周期。一個(gè)波組包括P波、QRS波群、T波和U波，如圖1所示。

    (1)P波。P波由心房除極所產(chǎn)生，是每一波組中的第一波，心臟的激動(dòng)發(fā)源于竇房結(jié)，然后傳導(dǎo)到達(dá)心房，它反映了左、右心房的除極過(guò)程。前半部分代表右房，后半部分代表左房。
    P波呈鈍圓形，可有輕度切跡；P波時(shí)小于<0．11 s，雙峰間距小于0．04 s。
    (2)QRS波群。典型的QRS波群包括三個(gè)緊密相連的波，第一個(gè)向下的波稱為Q波，繼Q波后的一個(gè)高尖的直立波稱為R波，R波后向下的波稱為S波。因其緊密相連，且反映了心室電激動(dòng)過(guò)程，故統(tǒng)稱為QRS波群。這個(gè)波反映了左、右兩心室的除極過(guò)程。
QRS時(shí)限小于0.11s。
    (3)T波。T波位于S-T段之后，是一個(gè)比較低且占時(shí)較長(zhǎng)的波，它是心室復(fù)極所產(chǎn)生的。T波在24 h振幅變化較大。
T波鈍圓，占時(shí)較長(zhǎng)，從基線開(kāi)始緩慢上升，然后較快下降，形成前肢較長(zhǎng)、后肢較短的波形；T波方向常和QRS波群的主波方向一致；T波的振幅不應(yīng)低于同導(dǎo)聯(lián)R波的1／10。
    (4)U波。U波位于T波之后，比較低小，其發(fā)生機(jī)理未完全明確；一般認(rèn)為是心肌激動(dòng)的“激后電位”。
1．2 心電信號(hào)的特性
    一般電信號(hào)有三大特征：幅度、頻譜和信號(hào)源阻抗。作為生物電的心電信號(hào)也是如此：
    (1)微弱性。心電信號(hào)是自人體體表特定點(diǎn)處拾取的生物電信號(hào)，信號(hào)通常十分微弱，其幅度一般不超過(guò)5mV。
    (2)低頻特性。通常心電信號(hào)的頻率較低，其頻譜范圍一般為0．05～100 Hz，頻譜能量主要集中在0．25～35Hz之間。
    (3)高阻抗特性。作為心電的信號(hào)源，人體源阻抗一般較大，可達(dá)幾千歐到幾十千歐，它將給心電測(cè)量帶來(lái)誤差和失真。
    (4)不穩(wěn)定性和隨機(jī)性。人體是在內(nèi)環(huán)境與外環(huán)境相適應(yīng)的條件下維持其新陳代謝和生命。為適應(yīng)各種外環(huán)境的變化，人體內(nèi)各種系統(tǒng)的功能活動(dòng)都在相互影響中不同地變化調(diào)整著，以在內(nèi)環(huán)境保持平衡。同時(shí)遺傳等因素也造成人體的個(gè)體差異。由于人體所處內(nèi)外界環(huán)境在時(shí)空上的復(fù)雜多變性和個(gè)體差異，使得人體心電信號(hào)表現(xiàn)出不穩(wěn)定性和隨機(jī)性。

2 多床位心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)方案
2．1 總體功能目標(biāo)
    開(kāi)發(fā)多床位心電監(jiān)護(hù)儀主要實(shí)現(xiàn)以下功能目標(biāo)：
    (1)對(duì)所監(jiān)護(hù)每一床位實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)、動(dòng)態(tài)顯示心電波形和打印功能；
    (2)對(duì)所監(jiān)護(hù)每一床位患者的心電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并具有查看重顯功能；
    (3)監(jiān)護(hù)軟件可以自動(dòng)計(jì)算心率、并能顯示心率數(shù)值；
    (4)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的床位選擇功能，顯示多個(gè)床位的心電畫面，重點(diǎn)患者心電波形可置頂顯示；
    (5)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信功能；
    (6)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的心電數(shù)據(jù)采集功能；
    (7)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)USB接口和串口RS 232的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)；
    (8)患者心率為0時(shí)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的報(bào)警功能；
2．2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    根據(jù)多床位心電監(jiān)護(hù)儀所要完成的功能和特點(diǎn)，建立該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    圖2中，PC主控機(jī)主要安裝有多床位心電監(jiān)護(hù)儀控制軟件，完成1～8個(gè)床位的監(jiān)護(hù)工作，同時(shí)要具備計(jì)算心率和心電報(bào)警的任務(wù)；8051單片機(jī)主要用來(lái)接收A／D轉(zhuǎn)換后的心電數(shù)字信號(hào)；A／D轉(zhuǎn)換完成心電的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)要接收的數(shù)字信號(hào)；光電隔離電路用于心電信號(hào)進(jìn)行去噪、濾波；心電采集和放大器完成對(duì)患者心電信號(hào)的采集并放大采集信號(hào)；心電導(dǎo)聯(lián)主要連接患者身體的檢測(cè)部位，采集患者的心電信號(hào)。
2．3 多床位心電監(jiān)護(hù)儀控制系統(tǒng)
    多床位心電監(jiān)護(hù)儀控制系統(tǒng)是基于Visual C++6．0開(kāi)發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，主要完成的功能有開(kāi)始監(jiān)護(hù)、停止監(jiān)護(hù)、重顯、心率顯示、取圖(波形顯示和波形采集)、網(wǎng)格圖紙顯示、存儲(chǔ)、打印、報(bào)警、時(shí)間和日期，以及利用Visual C++編寫USB驅(qū)動(dòng)程序。
    系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

    (1)開(kāi)始監(jiān)護(hù)。啟動(dòng)多床位心電圖監(jiān)護(hù)軟件后，出現(xiàn)開(kāi)機(jī)畫面，選擇要監(jiān)護(hù)的床位，在確認(rèn)好患者的導(dǎo)聯(lián)采集裝置都連接好后，點(diǎn)擊開(kāi)始監(jiān)護(hù)，對(duì)患者的心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，同時(shí)顯示心電網(wǎng)格圖紙、心電波形、監(jiān)護(hù)時(shí)間和保存心電數(shù)據(jù)，計(jì)算出患者當(dāng)前的心率，達(dá)到對(duì)其中一個(gè)床位進(jìn)行監(jiān)護(hù)的目的。如果有多個(gè)床位同時(shí)需要監(jiān)護(hù)，建立對(duì)應(yīng)床位的監(jiān)護(hù)界面，點(diǎn)擊開(kāi)始監(jiān)護(hù)即可進(jìn)行。
    (2)停止監(jiān)護(hù)。監(jiān)護(hù)過(guò)程中，對(duì)不需要再繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)護(hù)的床位患者，選擇停止監(jiān)護(hù)；保存好患者的心電數(shù)據(jù)，用于醫(yī)生診斷時(shí)重顯監(jiān)護(hù)時(shí)的心電數(shù)據(jù)。
    (3)系統(tǒng)報(bào)警?；颊哌M(jìn)行病情監(jiān)護(hù)時(shí)，如果心電波形出現(xiàn)異常，心功能參數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，心率為0時(shí)，系統(tǒng)會(huì)即時(shí)報(bào)警。
    (4)日期時(shí)間。顯示患者進(jìn)行監(jiān)護(hù)時(shí)的時(shí)間，用于醫(yī)生診斷時(shí)對(duì)患者病情的了解，并能及時(shí)做好病情的診治。
    (5)取圖。完成來(lái)自USB接口采集的心電信號(hào)數(shù)據(jù)，以波形形式顯示到計(jì)算機(jī)屏幕上。
    (6)數(shù)據(jù)保存。數(shù)據(jù)保存的目的是將患者心電波形數(shù)據(jù)、監(jiān)護(hù)日期和時(shí)間都保存下來(lái)。
    (7)心率計(jì)算。心率計(jì)算是將采集的心電實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用RR間期的差值方法計(jì)算心率，并顯示到屏幕上的編輯框中，醫(yī)生第一時(shí)間就可以掌握患者的心率資料。
    (8)重顯。挑選出有典型意義的波形進(jìn)行分析處理，調(diào)出患者某一時(shí)間的心電數(shù)據(jù)，顯示心電波形和時(shí)間，幫助醫(yī)生來(lái)分析患者的病癥。
    (9)打印。采集的心電波形、計(jì)算所得的心率、監(jiān)護(hù)時(shí)間打印到心電圖網(wǎng)格紙上，幫助醫(yī)生根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷。

3 硬件設(shè)計(jì)
3．1 心電信號(hào)采集
    根據(jù)心電信號(hào)的特性，采用心電信號(hào)模擬器模擬產(chǎn)生心電信號(hào)。這種心電信號(hào)很微弱，最大只有4 mV。將提取后的心電模擬信號(hào)送入前置放大器初步放大，對(duì)各種干擾信號(hào)進(jìn)行一定抑制后送入帶通濾波器，濾除心電頻率范圍以外干擾信號(hào)，主放大器將濾波后的信號(hào)進(jìn)一步放大到合適范圍，經(jīng)由50 Hz和35 Hz陷波器濾除工頻和肌電干擾，得到符合要求的心電模擬信號(hào)，隨后就可由模擬輸入端送人8051單片機(jī)的ADC上，進(jìn)行高精度的A／D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)，如圖4所示為心電信號(hào)的采集過(guò)程。

    心電信號(hào)是一種低頻弱信號(hào)，對(duì)心電信號(hào)采樣精度的考慮主要是出自于對(duì)ST段異常分析處理的要求，ST段電平變化為0．05 mV，已經(jīng)得到公認(rèn)，因此采樣精度至少為0．025V。根據(jù)美國(guó)心臟學(xué)會(huì)AHA標(biāo)準(zhǔn)和Nyquist采樣定律，當(dāng)信號(hào)采樣頻率等于或大于信號(hào)最高頻率的2倍時(shí)，就可以從抽樣后的信號(hào)中不失真的還原出原信號(hào)。ECG頻率范圍為0．05～100 Hz，取采樣頻率為200 Hz，即采樣周期為5 ms。采用ADC08 09的逐次逼近8路模擬信號(hào)輸入的10位ADC，輸入滿刻度電壓為2．5 V，能分辨出來(lái)的輸入電壓變化的最小值為2．5／210=2．5 mV，心電采集放大倍數(shù)約為1 000倍，輸入端的最小分辨率約為2．5／1 000=0．002 5 mV，故滿足系統(tǒng)采樣要求。
3．2 前置放大電路
    設(shè)計(jì)選用儀表放大器AD620作為前置放大器，如圖5所示。有效解決了心電信號(hào)采集時(shí)伴隨的較強(qiáng)背景噪聲和干擾；同時(shí)解決了心電信號(hào)頻率低，變化緩、信號(hào)弱，信號(hào)源阻抗較高的特性。

    為防止前置放大器工作于飽和或截止區(qū)，其增益不能過(guò)大，實(shí)驗(yàn)表明10倍左右效果較好。U3將R2，R3檢出的人體共模信號(hào)用來(lái)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)聯(lián)線屏蔽層，以消除分布電容，提高輸入阻抗和共模抑制比。U4，R5，R6，C1構(gòu)成“浮地”驅(qū)動(dòng)電路，將人體共模信號(hào)倒相放大后，激勵(lì)人體右腿，從而降低甚至抵消共模電壓，較強(qiáng)地抑制50 Hz工頻干擾。U1，U2用于穩(wěn)定輸入信號(hào)和提高輸入阻抗，進(jìn)一步提高共模抑制比。
3．3 帶通濾波及主放大電路
    由于心電信號(hào)頻帶主要集中在0．05～100 Hz之間，頻帶較寬，為此采用OP2177的兩個(gè)運(yùn)放分別設(shè)計(jì)一個(gè)二階壓控有源高通和低通濾波器，組合成帶通濾波。帶通濾波由雙運(yùn)放集成電路OP2177構(gòu)成，如圖6所示。

    主放大電路由OP1177(U7)，R12，R13構(gòu)成。考慮到心電信號(hào)幅度約為0～4 mV，而A／D轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)要求1 V左右，從而整個(gè)信號(hào)電路放大倍數(shù)需要1 000倍左右。而前置方法約10倍，因此本級(jí)放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為100倍左右。
3．4 陷波和電平抬升電路
    (1)50 Hz陷波。雖然前置放大器對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，但工頻干擾是心電信號(hào)的主要干擾，部分工頻干擾是以差模信號(hào)進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號(hào)頻帶之內(nèi)，必須專門濾除。為較好地濾除工頻干擾，專門設(shè)計(jì)了一個(gè)8階巴特沃斯50 Hz陷波器，采用的時(shí)鐘信號(hào)頻率為2．5 kHz，設(shè)計(jì)電路如圖7所示。

    經(jīng)測(cè)試陷波深度可達(dá)50 dB，效果較理想。
    (2)35 Hz陷波及電平抬升。人體肌電隨著個(gè)體的差異也會(huì)對(duì)心電信號(hào)造成不同程度的干擾，有時(shí)甚至淹沒(méi)心電信號(hào)，因而有必要加以抑制。研究表明，肌電干擾主要集中在35 Hz左右，為此，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了如圖8所示的35 Hz的無(wú)限增益多路反饋型二階陷波器。其截止頻率約為35 Hz，Q約為7，可符合實(shí)際要求。
    經(jīng)過(guò)一系列信號(hào)調(diào)理后，陷波輸出的心電信號(hào)為交變信號(hào)，而該系統(tǒng)中單片機(jī)內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換輸入電壓范圍為0～4．98 V，因此，在送入ADC之前還需進(jìn)行電平抬升，在圖8中，電平抬升部分由U11，R42，R43，R44構(gòu)成。

3．5 上位機(jī)中USB接口與RS 232接口轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)該轉(zhuǎn)換電路時(shí)，采用CH341設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的3線RS 232串口，如圖9所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以達(dá)到系統(tǒng)的要求。

    圖10所示為系統(tǒng)在重顯時(shí)第一個(gè)床位的心電波形圖。

4 結(jié)論
    至此，利用心電信號(hào)模擬發(fā)生器，連接前置放大器、帶通濾波及放大器、50 Hz陷波和35 Hz陷波及電平抬升，與單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱上的ADC0 809轉(zhuǎn)換器相連；將實(shí)驗(yàn)箱上的單片機(jī)串口經(jīng)USB與RS 232轉(zhuǎn)換器連接至PC機(jī)。
    啟動(dòng)PC機(jī)多床位心電監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)，選擇第一個(gè)床位監(jiān)護(hù)命令，按動(dòng)心電信號(hào)模擬發(fā)生器產(chǎn)生心電信號(hào)，PC機(jī)接收下位機(jī)上傳的心電信號(hào)數(shù)據(jù)；并在第一個(gè)窗口中顯示了該心電波形。心電波形清晰，并能計(jì)算出心率和顯示，同時(shí)也顯示出監(jiān)護(hù)的時(shí)間達(dá)到了預(yù)期效果。