1基于單片機(jī)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）

1緒論

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當(dāng)今心血管疾病已成為要挾人類健康和生命的主要疾病之一，心臟病的死亡率仍居首位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上平均每年約幾百萬(wàn)人死于此類疾病，我國(guó)因心血管疾病死亡人數(shù)約占總死亡人數(shù)的44％，好多心臟病人是由于未及時(shí)發(fā)現(xiàn)病變延誤了治療而最終導(dǎo)致死亡[1]。因此，對(duì)心血管疾病的診斷、預(yù)防是當(dāng)今醫(yī)學(xué)界面臨的首要問(wèn)題。盡早地發(fā)現(xiàn)心血管系統(tǒng)疾病征兆，及時(shí)地了解心臟病狀況，對(duì)疾病的預(yù)防和及時(shí)診治具有重要的意義。

1．1心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展背景及意義

心臟是人體的重要器官，在人的生命過(guò)程中，心臟不斷地、有節(jié)律地收縮與舒張，將血液從靜脈吸入心臟，并射入動(dòng)脈實(shí)現(xiàn)其泵血的功能。心臟在機(jī)械性收縮之前，首先產(chǎn)生電沖動(dòng)。心肌沖動(dòng)所產(chǎn)生的微小電流可經(jīng)過(guò)身體組織傳導(dǎo)到體表，使體表不同部位產(chǎn)生不同的電位。假使在體表放置兩個(gè)電極，分別用導(dǎo)線聯(lián)接到心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(即縝密的電流計(jì))的兩端，它會(huì)依照心臟沖動(dòng)的時(shí)間順序，將體表兩點(diǎn)間的電位差記錄

[1]下來(lái)，形成一條連續(xù)的曲線，這就是心電圖(ECG)。心電圖是反映心臟內(nèi)興奮產(chǎn)生、

傳導(dǎo)和恢復(fù)的過(guò)程中的電位變化的綜合波形。它不僅與單個(gè)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位的曲線有明顯的不同，而且因測(cè)量的電極放置的位置和連接方式的不同而有所差異。心電信號(hào)是最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的人體生物電之一，如今醫(yī)學(xué)界人士已經(jīng)可以通過(guò)對(duì)心電信號(hào)的分析研究對(duì)心血管相關(guān)病變做出預(yù)計(jì)和診斷。因此，及時(shí)確鑿和完整地進(jìn)行心電信號(hào)提取，并提供有效的輔助分析和診斷手段是一項(xiàng)重要而有意義的研究課題。

1．2心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)浮現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)各大醫(yī)療器械廠和科研單位都在心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)上投入了大量的資源，并且都開發(fā)了各具特點(diǎn)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品。電子醫(yī)療技術(shù)的突飛猛進(jìn)以及臨床醫(yī)學(xué)的相互促進(jìn)，已經(jīng)出現(xiàn)了各種各樣的心電監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，常見(jiàn)的有床邊心電監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)、電話心電監(jiān)測(cè)和天線心電監(jiān)測(cè)等。1.2.1床邊心電監(jiān)測(cè)

床邊心電監(jiān)護(hù)是在病床邊對(duì)被監(jiān)護(hù)者進(jìn)行持續(xù)或休止的心電監(jiān)測(cè)，它是心臟監(jiān)護(hù)的重點(diǎn)內(nèi)容。自1962年創(chuàng)立了冠心病監(jiān)護(hù)病房以來(lái)，國(guó)內(nèi)外均先后開展了床邊心電監(jiān)護(hù)。目前，心電監(jiān)護(hù)已廣泛應(yīng)用到臨床各種危重病和非危重病的監(jiān)護(hù)，各種手術(shù)、

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特別檢查與治療的監(jiān)護(hù)。

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由于床邊心電監(jiān)護(hù)的開展，提高了臨床診斷水平與醫(yī)療質(zhì)量，大大提高了危重病人的搶救成功率，起到預(yù)防和減少醫(yī)療事故或醫(yī)療糾紛的作用，也減輕了醫(yī)護(hù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。1.2.2動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)

動(dòng)態(tài)心電圖是用一個(gè)磁帶或固態(tài)式記錄器24小時(shí)連續(xù)不斷的記錄病人在日?；顒?dòng)狀態(tài)下的心電信息，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)回放、分析和編輯打印[2]。

動(dòng)態(tài)心電圖記錄了不同體位、不同狀態(tài)、不同時(shí)間的心電變化，一次獲得的信息長(zhǎng)達(dá)2.16Km，十余萬(wàn)次心搏和十余萬(wàn)次心動(dòng)周期，現(xiàn)已成為診斷心率失常、心肌缺血、評(píng)估起搏功能和藥物療效的高新技術(shù)。1.2.3電話心電監(jiān)測(cè)

電話傳送心電監(jiān)護(hù)是指通過(guò)電話傳送患者的心電信息到監(jiān)護(hù)/接收中心進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理，醫(yī)護(hù)人員根據(jù)患者的病癥及傳送的心電圖對(duì)其分析判斷后實(shí)施電話診斷、護(hù)理、處置而進(jìn)行的監(jiān)護(hù)，具有使用便利、不受時(shí)間、空間和地域限制等特點(diǎn)。它是心血管領(lǐng)域心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)突破和進(jìn)展，它的應(yīng)用對(duì)院外心臟病急救治理、心臟病家庭電話遙控診治、護(hù)理有著十分重要的意義。

TTM作為臨床心電監(jiān)護(hù)向院外延伸的一種新的手段，對(duì)心律失常、心肌缺血和心肌梗死等有可靠的監(jiān)護(hù)效果，對(duì)有病癥，偶發(fā)、短暫的心律失常和一過(guò)性心肌缺血有獨(dú)到的監(jiān)測(cè)作用。對(duì)嚴(yán)重心律失常、心肌梗死和心絞痛，它較心電圖(ECG)診斷更確鑿，對(duì)院外心臟病的急救處理、護(hù)理指導(dǎo)具有很大的價(jià)值。它大大地縮短了醫(yī)患、護(hù)患之間的距離，給患者一種安全感，從而穩(wěn)定了患者擔(dān)憂的心理狀態(tài)，消除了心理壓力和負(fù)擔(dān)，減少了心臟病的誘發(fā)因素。作為長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)的患者，則在不斷得到急救、護(hù)理指導(dǎo)的同時(shí)，提高了自救、自護(hù)能力。

TTM系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用處在起步階段，院外急救治理也是一個(gè)新的課題，需更進(jìn)一步探討、總結(jié)和提高，以更好地造福于全社會(huì)的心臟病患者。

但是，如今有好多心電監(jiān)測(cè)儀還沒(méi)有得到普及，還存在一些問(wèn)題：

（a）提供的心電處理功能和記錄的心電信息有限，醫(yī)生從中難以得到全面的電信息，降低了醫(yī)生對(duì)疾病診斷的正確率。

（b）一般都采用了數(shù)字信號(hào)處理器作為心電數(shù)據(jù)分析的核心器件，而數(shù)據(jù)通信、液晶顯示、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、程序存儲(chǔ)器等都需要外擴(kuò)專門的功能器件，因此結(jié)構(gòu)比較繁雜，

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（c）與之配套的監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)和心電數(shù)據(jù)處理中心尚不完善。

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體積比較大，同時(shí)功耗也比較大，價(jià)格比較昂貴，一般患者難以承受。

1．3心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向和展望

傳統(tǒng)的基于PC機(jī)平臺(tái)的心電監(jiān)測(cè)儀價(jià)格昂貴，體積巨大，不便于移動(dòng)且主要集中在大醫(yī)院而無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者的病情，給醫(yī)生和患者帶來(lái)了很大的不便。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信等相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，心電監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用到遠(yuǎn)程醫(yī)療領(lǐng)域中，使得醫(yī)院為心臟病患者的遠(yuǎn)程保健服務(wù)成為可能。未來(lái)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)具有成本低、體積小、可靠性高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，會(huì)繼續(xù)向全信息、固態(tài)記錄、多導(dǎo)聯(lián)同步采集等方向發(fā)展，適用于個(gè)人、中小醫(yī)院和社區(qū)醫(yī)療單位，為家庭保健和遠(yuǎn)程醫(yī)療等新興的醫(yī)療途徑提供良好的幫助和支持。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證

2．1心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求

本課題的題目是基于單片機(jī)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

要求心電監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)采集裝置輸入到前置放大器，信號(hào)放大8倍以后，再經(jīng)過(guò)濾波電路進(jìn)行濾波，濾掉0.05Hz以下頻率與105Hz以上頻率，同時(shí)阻止50Hz工頻干擾信號(hào)的通過(guò)。經(jīng)過(guò)濾波的信號(hào)通過(guò)后級(jí)放大電路將其放大到伏特級(jí)別，再經(jīng)過(guò)加法器電路將其波形提升到0V以上，便于單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)化電路直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字值。經(jīng)過(guò)處理的心電信號(hào)最終由簡(jiǎn)易的示波器顯示到液晶屏上，以便使用者能夠?qū)崟r(shí)便利的觀測(cè)到心電波的變化與形態(tài)。

液晶屏選用具有KS0108控制器的12864LCM,采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理并驅(qū)動(dòng)顯示屏顯示波形。

2．2心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于心電信號(hào)的采集，采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)方式進(jìn)行采集。心電信號(hào)是一種微弱的電信號(hào)，要先利用前置放大電路將信號(hào)放大8倍。由于人體信號(hào)源中存在各種噪聲干擾，為了抵消這些干擾，可以設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償電路。對(duì)于放大以后的信號(hào)，讓它通過(guò)濾波電路進(jìn)行濾波。心電信號(hào)中存在0.05Hz以下的頻率信號(hào)、105Hz以上的頻率信號(hào)和50Hz的工頻干擾信號(hào)，需要讓心電信號(hào)依次通過(guò)低通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器，經(jīng)過(guò)濾波電路以后的信號(hào)變的比較清白。然后為將心電信號(hào)放大到伏特級(jí)別，讓其通

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過(guò)一個(gè)主放大電路。同時(shí)，為了便于單片機(jī)和ADC0808的信號(hào)采集和處理，可以讓心電信號(hào)通過(guò)一個(gè)加法器電路，將波形提升到0V以上。然后通過(guò)顯示電路讓經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理的信號(hào)顯示在液晶屏上。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。

補(bǔ)償電路心電信號(hào)采集儀表放大器前置電路濾波器電路主放大電路顯示電路單片機(jī)ADC0808同相加法器

圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2．3心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性論證

在所學(xué)的知識(shí)中，對(duì)于心電信號(hào)采集，可以利用特定的傳感器進(jìn)行心電信號(hào)的采集；對(duì)于前置放大電路，可以采用集成儀表放大器AD620進(jìn)行信號(hào)的前置放大；對(duì)于補(bǔ)償電路，可以用運(yùn)算放大器和反饋電阻組成補(bǔ)償電路；對(duì)于濾波電路，可以利用有源濾波器電路通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)出符合要求的低通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器；對(duì)于主放大電路，可以利用集成運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行再次放大；對(duì)于加法器電路，可以利用集成運(yùn)算放大器來(lái)進(jìn)行加法器的設(shè)計(jì)；對(duì)于心電信號(hào)的數(shù)字化以及分析處理，可以利用單片機(jī)和ADC0808來(lái)設(shè)計(jì)硬件電路；對(duì)于顯示電路，可以讓心電信號(hào)在液晶上顯示。A/D轉(zhuǎn)換電路，顯示電路以及單片機(jī)對(duì)心電信號(hào)的分析處理需要進(jìn)行軟件的編寫。

通過(guò)論證，上述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可行，可以達(dá)到心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3硬件電路設(shè)計(jì)

3．1心電信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)

臨床上心電信號(hào)主要從體表收集，檢測(cè)時(shí)將測(cè)量電極安放在體表相隔一定距離的

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兩點(diǎn)，電極通過(guò)多股絕緣芯線絞成的屏蔽線與心電監(jiān)護(hù)儀的放大器相連，測(cè)量出電極在體表的電位差就是心電信號(hào)，描成曲線就是心電圖。在測(cè)定心電信號(hào)波形時(shí)，電極安放的位置以及導(dǎo)線與放大器連接的方式，稱為心電儀的“導(dǎo)聯(lián)〞。

將電極捆綁在手腕或腳腕的內(nèi)側(cè)面，并通過(guò)較長(zhǎng)的屏蔽導(dǎo)線與心電儀連接的方式稱為“標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)〞。習(xí)慣上對(duì)這些電極規(guī)定了表示符號(hào)和連接導(dǎo)線的顏色，如表3.1所示。

表3.1導(dǎo)聯(lián)標(biāo)記

電極的部位表示符號(hào)導(dǎo)線顏色右臂RA紅左臂LA黃左腿LL藍(lán)（綠）右腿RL黑標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)直接把兩個(gè)肢體的電位加到心電放大器的輸入端，所描述的波形即為兩點(diǎn)電位差的變化。

標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ導(dǎo)聯(lián)：右臂（RA）接放大器反相輸入端（-），左臂（LA）接放大器同相輸入端（+），右腿（RL）作為參考電極，接心電放大器的參考點(diǎn)。

標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ?qū)?lián)：右臂（RA）接放大器反相輸入端（-），左腿（LL）接放大器同相輸入端（