一種新型的抗電刀干擾心電采集模塊

1、一種新型的抗電刀干擾心電采集模塊引言隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和儀器技術(shù)的快速發(fā)展，先進(jìn)的醫(yī)療儀器設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。如在手術(shù)室中，醫(yī)生用高頻電刀對(duì)病人進(jìn)行組織切割和凝血，而同時(shí)還通過多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測病人的病情和發(fā)展趨勢，以便根據(jù)情況及時(shí)進(jìn)行有效的處理。電刀使用時(shí)，其所產(chǎn)生電氣干擾會(huì)通過身體的傳導(dǎo)和輻射等多種途徑進(jìn)入心電采集模塊，使心電波形的數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真，心率計(jì)算發(fā)生錯(cuò)誤，嚴(yán)重影響監(jiān)護(hù)儀的心電監(jiān)測性能?，F(xiàn)代的監(jiān)護(hù)儀的發(fā)展趨向于模塊化、小型化和智能化，本文根據(jù)市場需求研究了一種抗電刀干擾的心電采集模塊，與傳統(tǒng)心電采集模塊相比，在性能相當(dāng)?shù)那闆r下，模擬電路大為縮減，功耗降低，體積減小，適應(yīng)了模塊設(shè)計(jì)中

2、小型化、單片化、硬件軟件化的發(fā)展趨勢，具有很高的性價(jià)比。本設(shè)計(jì)的心電采集模塊采用adi公司的微控制芯片admc847作為核心，它具有8通道高精度的24位s-d型adc，整合了片內(nèi)參考電平、電源管理、與2通道12位高精度dac，支持isp在線調(diào)試，外接32khz晶振，通過鎖相環(huán)可工作在12mhz下。片內(nèi)還集成有62k字節(jié)的flash與8k字節(jié)的sram，片上外設(shè)資源包含有uart、spi、雙i2c串行接口、3個(gè)定時(shí)器、看門狗和pwm等。心電采集模塊的系統(tǒng)框圖如圖1所示。本設(shè)計(jì)是利用微控制芯片內(nèi)集成的adc對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行檢測，液晶接口可以外接液晶模塊來進(jìn)行獨(dú)立使用時(shí)的心電波形顯示。rs-232接口

3、作為數(shù)據(jù)和程序傳輸接口，可以進(jìn)行iap和采樣數(shù)據(jù)上傳。無源線性網(wǎng)絡(luò)右腿驅(qū)動(dòng)電路admc847最小系統(tǒng)液晶接口rs-232接口圖1 心電采集模塊系統(tǒng)框圖模擬部分設(shè)計(jì) 模擬電路是模塊中直接與人體連接的電路，主要負(fù)責(zé)原始信號(hào)的調(diào)理。本設(shè)計(jì)中要求在處理過程中對(duì)電刀產(chǎn)生的干擾有足夠的抑制作用而同時(shí)保證心電信號(hào)不失真。心電模擬電路中常用的用來防止靜電、電除顫對(duì)器件損壞的保護(hù)電路由于其設(shè)計(jì)方法比較成熟，本文并未涉及。無源線性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)電刀相當(dāng)于一個(gè)變頻變壓器，它的輸出電壓極高，并通過高電流密度使細(xì)胞氣化或干化以達(dá)到切割或凝血的目的。如美國valleylab的force fx型高頻電刀，當(dāng)工作在單極凝血的噴射式

4、凝血模式時(shí)，輸出的峰值電壓可高達(dá)9000v。為了抑制電刀的高頻干擾，模擬部分包含了一個(gè)無源線性網(wǎng)絡(luò)。電刀產(chǎn)生的干擾主要以傳導(dǎo)的方式進(jìn)入心電采集模塊，共模干擾和差模干擾同時(shí)存在，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為對(duì)這兩種干擾均有強(qiáng)抑制作用。圖2為網(wǎng)絡(luò)的原理圖。電路采用了無源線性元件電容和電阻進(jìn)行濾波，避免了非線性失真的引入，器件選取時(shí)需要綜合考慮系統(tǒng)的輸入阻抗、阻容的極限參數(shù)和衰減特性。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)還采用了共模驅(qū)動(dòng)技術(shù)，防止由于阻容元件的不匹配造成共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，以提高共模抑制比。圖3是用仿真軟件multisim2001對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的幅頻分析。由圖可見低頻心電信號(hào)可以無失真的通過，而高頻信號(hào)得到了很大的衰減，在5

5、00khz可以達(dá)到-80db。圖2 無源線性網(wǎng)絡(luò)的原理圖圖3 無源線性網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性放大電路心電測量中，電極與人體皮膚表面接觸形成的半電池會(huì)產(chǎn)生極化電壓，它緩慢變化，表現(xiàn)為很低頻的噪聲信號(hào)，國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定極化電壓最大為300mv，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于心電信號(hào)。傳統(tǒng)的心電采集模塊設(shè)計(jì)中，由于采用的往往是精度比較低的逐次逼近型adc，為避免放大器的飽和，采用了前置多級(jí)放大，并在中間加入了時(shí)間常數(shù)電路去除極化電壓，繼而對(duì)信號(hào)進(jìn)行交流放大。由于放大器的輸入端存在寄生二極管或保護(hù)二極管，當(dāng)電壓發(fā)生突變時(shí)，電容兩端的電壓不能發(fā)生突變，電流就會(huì)通過二極管和電阻對(duì)電容充電。國家標(biāo)準(zhǔn)中要求時(shí)間常數(shù)電路的時(shí)間常數(shù)不小于3.2

6、s，所以當(dāng)放大器的輸入端受到瞬間大脈沖的干擾（如電刀的啟停）或?qū)?lián)切換時(shí)，很容易會(huì)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，這使得放大器需要很長時(shí)間才能使基線恢復(fù)到正常位置。另一方面，心電信號(hào)取自兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)，如果以雙端模式輸入到adc，則理論上其共模增益為0，即共模抑制比為無窮大。而采用了傳統(tǒng)的前置放大電路后，由于將雙端信號(hào)轉(zhuǎn)換成了單端信號(hào)，電路的共模抑制比下降了，而且還受到后級(jí)儀用放大器性能的制約。本設(shè)計(jì)中利用了admc847中集成s-d型adc，它具有24位的高分辨率、108的輸入阻抗及差動(dòng)輸入模式，通道前端含有pga(程控增益放大器)，可以通過編程設(shè)置合適的輸入范圍。由于具有了足夠的分辨率，同時(shí)pga可以保證信號(hào)

7、站有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，所以原始信號(hào)基本不需要放大，或僅需要進(jìn)行低倍的直流放大，即無需加入時(shí)間常數(shù)電路，這樣就避免了放大器的堵塞。在高分辨率的24位采樣結(jié)果中，通過軟件去除高位中極化電壓的影響，提取低位有效位的心電信號(hào)，恢復(fù)心電波形。這樣與傳統(tǒng)心電采集模塊相比，雖然增加了一部分的軟件處理量，但是以現(xiàn)有高性能的mcu處理速度來看，還遠(yuǎn)沒有達(dá)到其處理極限。而與此同時(shí)，模擬電路部分的縮減，卻帶來模塊體積和功耗的降低和穩(wěn)定性的提高。右腿驅(qū)動(dòng)電路工頻(50hz)干擾是心電測量中最重要的干擾。僅靠前置放大器的高共模抑制比還不足以抑制工頻干擾。右腿驅(qū)動(dòng)電路也是抑制工頻干擾的有效方法。本模塊采用人體共模電平信號(hào)(

8、com)與admc847 集成的dac的輸出信號(hào)通過運(yùn)算放大器做差動(dòng)放大，把放大后信號(hào)作為右腿驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該方法不僅可以抑制50hz工頻干擾，還可根據(jù)admc847檢測到的心電信號(hào)適當(dāng)調(diào)整人體電平，便于adc采樣。右腿驅(qū)動(dòng)電路如圖2中下半部分所示(從r7到voc)。數(shù)字電路設(shè)計(jì)admc847不僅具有豐富的數(shù)字資源可提供高達(dá)12m的運(yùn)算速度，還具有良好的模擬接口，其高集成度極大的簡化了心電模塊的設(shè)計(jì)工作，為心電信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和后續(xù)處理提供了保障。本設(shè)計(jì)中心電信號(hào)經(jīng)過主adc輸入通道采集，采用全差分輸入，雙極性配置，輸入緩沖使能且范圍為2.56v。采樣數(shù)據(jù)可直接通過串口送至上位機(jī)處理，也可在模塊內(nèi)使

9、用自適應(yīng)相干模板法先進(jìn)行軟件濾波再上傳。iap實(shí)現(xiàn)admc847提供了一種用戶下載(uload)模式，可以對(duì)其進(jìn)行在應(yīng)用編程(iap)。通過在代碼空間高6k字節(jié)空間上（位于用戶程序存儲(chǔ)器e000hf7ffh）編寫bootloader，可以用我們自定義的協(xié)議將應(yīng)用軟件下載到程序空間的低56k上，而不需要模塊硬件上有絲毫的改動(dòng)。用戶可以將模塊串口與pc連接，利用我們提供的pc及軟件，遠(yuǎn)程下載最新的軟件，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品軟件升級(jí)換代。bootloader程序流程圖如圖4所示。圖4 bootloader程序流程圖結(jié)語本文介紹的心電采集模塊是對(duì)傳統(tǒng)心電模塊電路結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。該電路以很少的元件數(shù)量、簡單的電路結(jié)構(gòu)

10、實(shí)現(xiàn)了高性能的心電信號(hào)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)對(duì)高頻電刀干擾有很強(qiáng)的抑制作用，具有很高的性價(jià)比，可以作為獨(dú)立心電模塊使用，也可以作為心電oem模塊應(yīng)用于術(shù)中監(jiān)護(hù)儀中。同時(shí)模塊利用iap技術(shù)可以直接通過串口實(shí)現(xiàn)本地或遠(yuǎn)程下載軟件，降低了產(chǎn)品的維護(hù)成本。參考文獻(xiàn)：1 杜娟，路宏敏，郭乃武等心電監(jiān)護(hù)中的抗電刀干擾方法北京生物醫(yī)學(xué)工程2003，22（3）：2202222 李剛，林凌新型的高性能生物電放大器電子產(chǎn)品世界2002，11(期)：52533 analog deviceaduc845_7_8_a data sheetanalog device2004，64 李剛，林凌，抗高頻電刀心電監(jiān)測模塊，中國發(fā)明專利

11、，專利（申請(qǐng)）號(hào)：200610013144.6.5. 林凌，李剛，高精度采集微弱信號(hào)的方法與電路，中國發(fā)明專利，專利（申請(qǐng)）號(hào)：200610013461.8.as of microsoft internet explorer 4.0, you can applmultimedia-style effects to your web pages using visual filters and transitions. you can apply visual filters and transitions to standard html controls, such as text cont

12、ainers, images, and other windowless objects. transitions are time-varying filters that create a transition from one visual state to another. by combining filters and transitions with basic scripting, you can create visually engaging and interactive documents.internet explorer 5.5 and later supports

13、 a rich variety of optimized filters. click the following button to see a demonstration of many of these filters and how to usetheprocedural surfaces are colored surfaces that display between the content of an object and the objects background. procedural surfaces define each pixels rgb color and al

14、pha values dynamically. only the procedure used to compute the surface is stored in memory. the content of an object with a procedural surface applied is not affected by the procedural surface.警告：此類已序列化的對(duì)象將不再與以后的 swing 版本兼容。當(dāng)前的序列化支持適合在運(yùn)行相同 swing 版本的應(yīng)用程序之間短期存儲(chǔ)或 rmi。從 1.4 版開始，已在 java.beans 包中加入對(duì)所有 jav

15、abeanstm 的長期存儲(chǔ)支持。請(qǐng)參見 xmlencoder。引用類型和原始類型的行為完全不同，并且它們具有不同的語義。引用類型和原始類型具有不同的特征和用法，它們包括：大小和速度問題，這種類型以哪種類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，當(dāng)引用類型和原始類型用作某個(gè)類的實(shí)例數(shù)據(jù)時(shí)所指定的缺省值。對(duì)象引用實(shí)例變量的缺省值為 null，而原始類型實(shí)例變量的缺省值與它們的類型有關(guān)。當(dāng)java程序違反了java的語義規(guī)則時(shí)，java虛擬機(jī)就會(huì)將發(fā)生的錯(cuò)誤表示為一個(gè)異常。違反語義規(guī)則包括2種情況。一種是java類庫內(nèi)置的語義檢查。例如數(shù)組下標(biāo)越界,會(huì)引發(fā)indexoutofboundsexception;訪問null的對(duì)象時(shí)會(huì)引發(fā)nullpointerexception。另一種情況就是java允許程序員擴(kuò)展這種語義檢查