实现便携式无线心电采集装置

　　心脏病（heart disease）是心脏疾病的总称，包括风湿性心脏病、先天性心脏病、高血压性心脏病、冠心病、心肌炎等各种心脏病，对心电信号的采集监测有助于医生对有生命危险的伤病员进行及时有效的救治，而现有的采集监测仪器多数是有线测量，在实际应用中存在着很大的局限性，病人的这些生理参数需要长时间测定时，要求病人必须在监护病房内而不能自由走动，另外，体积庞大、便携性不强等缺点也使得手术过程和病房的监护受到局限，更难以应用在院外急救场合。心电信号的无线采集监测成为一个比较热门的研究领域。

　　1 系统方案设计

　　基于无线单片机技术设计出了一种便携式无线心电采集装置。系统总体设计方案如图1所示，其中心电采集无线收发从机模块又由心电采集信号调理电路和无线射频收发电路组成。具体流程为：心电采集无线收发从机模块在接收到主机模块无线发送来的采集命令后，将采集到的信号无线发送至主机模块，主机模块再将接收到数据通过串口上传至上位机。

　　实测的心电信号不可避免地存在一些强干扰和噪声，如何在强背景干扰和噪声下准确提取出有用的心电信号， 是心脏病智能诊断的一个重要内容。提出一种新的基于小波熵的弱心电信号去噪方法，先将信号小波分解，再对不同分解尺度上的高频系数进行小波熵阈值的量化处理，然后利用一层小波分解的低频系数分量和经过阈值处理的不同尺度的高频小波系数分量，组成进行信号重构所需要的系数分量进行重构，将严重的干扰和噪声去掉，实现有效信号的提取。

　　心电信号取自人体表面，信号源阻抗较大，背景噪声强，对采集电路有如下要求：（1）高增益，针对心电信号微弱的情况，较高的放大倍数提高系统采集；（2）高输入阻抗，由于信号源阻抗高，而心电信号很微弱，若输入阻抗不高，则经分压后的信号就更小，导致心电信号损失严重，且信号源过负荷将导致心电信号发生畸变；（3）高共模抑制比，以消除工频及极化电位的干扰；（4）低噪声，使之不淹没极其微弱且信噪比低的心电信号；（5）低漂移，以防高放大倍数的放大电路出现饱和现象；（6）合适的带宽，以便有效地抑制噪声，防止采样混叠；（7）高安全性，确保人体的安全。心电采集信号调理电路总体框图如图2所示。

　　2 硬件设计

　　心电信号通过医用电极拾取后利用前置放大电路进行初步放大，高性能的前置放大电路对干扰信号能够起到很好的抑制作用。

　　右腿驱动电路的引入能够进一步提高信号的采集质量，将右腿连接到一个辅助的运算放大器的输出端，通过这个负反馈结构，可大大抑制测量过程中前置放大器输入端共模电压的影响。除了右腿驱动之外，还采取屏蔽驱动的措施来提高整个电路的抗共模干扰能力，屏蔽驱动器实际上就是一个同相电压跟随器，将放大器的输出端和屏蔽相连，这样就将屏蔽线和地隔开，从人体输入的两路信号是相等的，则由屏蔽驱动器输出的电压和干扰信号大小相等，从而消除了其间的电容，提高了输入电路的阻抗，降低人与地之间的漏电流，保障了患者的安全。电路如图3所示。

　　图4为无线心电采集装置的滤波电路。滤波电路由截止频率分别为0.05 Hz和100 Hz的高通、低通电路组成的带通滤波电路和50 Hz陷波电路组成。一方面阻断前置放大器可能输出的直流电平，防止后续电路出现饱和；另一方面可以消除混在信号中的各种杂波干扰；而陷波电路则是进一步滤除采集过程中强大的工频干扰。随后心电信号将进入后置放大电路，将其放大至合适范围，此时便可通过无线单片机的数模转换器进行A/D转换，将采集到的模拟心电信号量转化为数字量。

　　无线单片机采用基于8051内核的nRF9E5作为心电采集装置的控制，数据的采集、存储和无线传输都围绕着nRF9E5展开。nRF9E5[4]是Nordic VLSI公司近年来推出的无线单片机芯片，其内置nRF905的433 MHz/868 MHz/915 MHz收发器、8051兼容微控制器和4路输入10位80 kb/s A/D转换器，单片机全速运行耗电1 mA，1.9～3.6 V低电压工作，待机耗电滋发射功率为10 dBm，高抗干扰GFSK调制，速率100 kb/s，具有独特的载波监测输出、地址匹配输出、就绪输出。它内置完整的通信协议和CRC，只须通过SPI即可完成所有的无线收发传输，它的所有功能均在一个5 mm×5 mm芯片上实现。

　　3 软件设计

　　采集装置的软件设计主要包括四大部分：A/D转换数据采集、无线通信、串口数据发送、上位机监测。四个部分不完全独立，相互联系。为了确保数据无线传输的准确可靠，在进行无线通信前须制定收发双方的通信协议。nRF9E5的无线数据包格式如下：

　　Peramble是前导码，是由硬件自动加上去的；Addr是要发送的接收端地址码；Playload是有效数据；CRC是CRC校验和，可由内置CRC纠错硬件电路自动加上，可设为8 bit或16 bit。

　　MDRS为模块数据返回首字符；WLF为无线标志字符；MAddr为心电采集模块地址；DADAR为采集到的心电数据；MEND为数据包结束符。

　　收、发模块要实现通信除了应遵循通信协议外，还应对nRF9E5的无线收发部分进行初始化配置。配置参数如表1所示。

　　无线收发主机模块和心电采集无线收发从机模块的无线接收程序均采用DR中断响应接收模式，不同的是无线收发主机模块还要把接收完的数据通过串口发送至上位计算机进行监测。主从机各个模块的无线发送程序则是完全相同的，采用函数模块形式编写，无线收发程序流程图如5、图6所示。

　　LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显着区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。它是一种图形化编程语言软件开发环境，采用流程图的形式开发应用程序，其自带的函数库可以用于数据采集、GPIB和串行设备的控制、数据分析、数据显示和数据存储。

　　4 试验结果及分析

　　4.1试验方法

　　试验分为两个部分，一部分通过数字示波器测试心电采集硬件电路的输出波形；另一部分是心电采集数据的实时无线传输及上位机心电波形数据的显示。

　　4.2 结果与分析

　　图7～图11为心电采集硬件电路通过示波器所测得的波形图。图12为所采集心电数据经过无线传输后在上位机上的心电波形及数据显示图。

　　由图7可知，经过前置放大而未采取屏蔽驱动抗干扰措施所测得的心电波形中掺杂着诸多干扰杂波信号，只显现出心电波形的大致轮廓。从图8可以看出，经过滤波后的心电波形中干扰杂波信号已有所减少，图9和图11分别是加了屏蔽驱动后的心电波形，与未加屏蔽驱动前的图8和图10相比较，心电波形中的干扰杂波明显减少，对上面这些波形进行总体分析可以得出硬件电路中屏蔽驱动的加入能起到很好的抗干扰作用，滤波电路、陷波电路对提高心电的信号质量也是有一定作用的。

　　以往心电信号采集的经验，针对心电信号的具体特点设计了适合的信号放大调理电路，实现了强噪声背景下人体体表微弱心电信号较高质量的检取。基于无线单片机nRF9E5来实现所采集心电数据的无线传输。上位机测试软件以LabVIEW为开发环境，设计了心电数据的监测界面，能够显示存储无线接收来的心电数据波形数据。对硬件电路以及整个装置进行了测试，测试表明，装置工作正常，数据采集、无线传输较为准确可靠，说明本装置的设计是切实可行的，能够给同类以及其他生理参数的采集监测提供借鉴和参考，但仍存在诸多不足之处，比如优化硬件设计电路以改善波形，提高波形质量；上位机软件加入数字滤波功能，以及能够进行心电波形的特征分析等等。