一种新型心电信号发生器的设计
发布时间：2021-02-19 点击：
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摘 要：心电图机和心电监护仪在心血管疾病的诊断中发挥着重要的作用，仪器检测结果的准确性对患者的安全治疗有着重大的影响。该研究设计了一种新型的心电信号发生器，用于检测心电图机和心电监护仪的心电信号是否异常，其以AT89S51为主控芯片，以标准心电信号为基准信号，经数模转换后，再通过心电导联线触发心电图机和心电监护仪的心电模块实现检测，通过检测结果，设备科工程师可以比较准确及时地了解设备的输出情况，利于提高医疗质量，降低医疗风险。
关键词：滤波电路 心电信号发生器 AT89S51
心血管疾病是危害人类健康的主要疾病，且因其死亡的人数呈逐年增加的趋势[1]。心电图机和心电监护仪在该类疾病的诊断中发挥着重要的作用，但由于大多数医院中心电图机和心电监护仪的数量和品牌均较多，且使用年限不等，导致管理难度加大，影响临床使用，因此，确保每台机器的正常、准确运行是医院亟需解决的问题。《国家市场监督管理总局关于发布实施强制管理的计量器具目录的公告》（2019年第48号）中明确指出，心电图机和心电监护仪均为每年需计量的设备，表明心电图机和心电监护仪检测的准确性对疾病的诊断至关重要。由于心电图机和心电监护仪的强检频率一般为1次/年，导致医务人员无法及时发现其输出信号不准确；此外，若心电导联线老化或设备维修后未及时进行检测，则会导致医务人员无法察觉心电图的失真[2]。基于此，本研究设计了一种新型的心电信号发生器，以标准心电信号为基准信号，通过心电导联线，检测心电图机和心电监护仪的输出信号是否异常。
图1 系统硬件框图
本系统采用2 000 m Ah的锂电池供电，续航时间较长；按键电路用于控制系统开关机及心电信号输出；液晶显示电路用于显示心电信号信息、操作流程、报错信息等；复位电路用于系统错误复位；报警电路用于提示系统的运行状态。
1.1 数模转换电路
本系统采用的基准心电信号为美国麻省理工学院与哈佛医学院贝斯以色列医学中心（Massachusetts Institute of Technology-Beth Isreal Hospital,MIT-BIH）联合建立的心电数据库，其是目前国际上公认的标准心电数据库之一，也是近年来应用较为广泛的心电数据库[4]，见图2。因心电数据库存储的心电信号是数值信号，而心电图机和心电监护仪的导联线采集的是模拟信号，所以，需将心电信号转换为模拟信号。
图2 MATLAB描绘100.dat的心电信号波形
本系统采用的数模转换器为TLC5602CDW，其为高速并行的8位D/A转换器。TLC5602CDW的D0～D7端连接AT89S51的数据端口，用于接收数字心电信号；DVDD端通过滤波电容C60、C61、C62连接输入电源；AOUT模拟信号输出后经运算放大器LF353及比较器LF353输出至导联线接口上，便于导联线采集心电信号[5]。其电路图见图3。
图3 数模转换电路
1.2 低通滤波电路
数字心电信号转换为模拟信号时会伴随各种高频阶梯波，因此，本系统中设计了1个低通滤波器来滤除各种高频阶梯信号。当低通滤波器的阻带特性下降速率大于|-40 d B/10 oct|时，则必须使用高阶低通滤波器。本系统中采用的是四阶巴特沃斯滤波电路，经测试，将巴特沃斯低通滤波器的截止频率设定为23 k Hz，既可滤除高频阶梯波，又能较好地保留心电波形的细节。其电路图见图4，由图可知，心电信号通过比较器LM358的3脚与基准信号进行比较，并从LM358的7脚输出；R5、C1、R6、C2、R7、C3、R8、C4共同组成四阶低通滤波器，便于滤除高频信号[6-7]。
2 软件设计
新型心电信号发生器主要输出标准的模拟心电信号，进而检测心电图机和心电监护仪的心电输出信号是否异常。在系统软件设计中，系统开机后首先进行系统基准信号和端口的初始化，并由液晶显示系统进程；进入系统后首先检测电池电量，若电量低，则液晶显示电量界面并进入报警程序，若电池电量正常，则进入主程序。本系统的子程序主要包括电池电量监测、按键扫描、数模转换、液晶显示、报警等[7]。其程序框图见图5。
图4 低通滤波电路
图5 新型心电信号发生器的程序
参考文献
[1]梁振士，魏红霞，王茜，等.一种心电信号发生器的研制[J].医疗装备，2020,33(7):1-2.
[2]刘斌，张正国.一种新的长时心电信号模拟方法[J].中国生物医学工程学报，2009,28(3):362-366,371.
[3]蔚文婧，王寻，张鹏远，等.一种基于多层感知器的房颤心电图检测方法[J].中国医学物理学杂志，2020,37(3):332-336.
[4]蒋莲，陈兆学.基于心电信号提取呼吸信号的算法研究[J].中国医学物理学杂志，2019,36(4):462-469.
[5]何超文，冯智毅.基于ADS1298的便携式心电采集卡的设计[J].中国医疗设备，2019,34(10):49-52.
[6]陈苹，叶继伦，张旭，等.心电信号中基线漂移的去除方法比较及算法实现[J].中国医疗器械杂志，2018,42(5):326-329.
[7]何超文，冯智毅.基于USB声卡的便携式心电检测装置的设计[J].中国医疗器械信息，2018,24(10):146-148.
[8]贺玉珍，汤敏芳，何征岭，等.手持式微型多生理参数监测设备的研制[J].中国医疗设备，2019,34(10):41-44,63.
[9]戴思舟.心电信号处理方式及其应用[J].中国医疗器械杂志，2016,40(5):351-354.
[10]欧阳绳武.便携式移动医疗心电诊断系统研究与设计[D].贵阳：贵州大学，2016.
关键词：滤波电路 心电信号发生器 AT89S51
心血管疾病是危害人类健康的主要疾病，且因其死亡的人数呈逐年增加的趋势[1]。心电图机和心电监护仪在该类疾病的诊断中发挥着重要的作用，但由于大多数医院中心电图机和心电监护仪的数量和品牌均较多，且使用年限不等，导致管理难度加大，影响临床使用，因此，确保每台机器的正常、准确运行是医院亟需解决的问题。《国家市场监督管理总局关于发布实施强制管理的计量器具目录的公告》（2019年第48号）中明确指出，心电图机和心电监护仪均为每年需计量的设备，表明心电图机和心电监护仪检测的准确性对疾病的诊断至关重要。由于心电图机和心电监护仪的强检频率一般为1次/年，导致医务人员无法及时发现其输出信号不准确；此外，若心电导联线老化或设备维修后未及时进行检测，则会导致医务人员无法察觉心电图的失真[2]。基于此，本研究设计了一种新型的心电信号发生器，以标准心电信号为基准信号，通过心电导联线，检测心电图机和心电监护仪的输出信号是否异常。
1 硬件设计
本系统以标准的心电信号作为基准信号，通过数模转换电路输出模拟心电信号至导联线接口电路上，被检设备通过导联线接于导联线接口上，即可通过被检设备输出的心电信号来判断心电信号是否输出异常[3]。本系统的硬件电路主要包括电源电路、复位电路、按键电路、数模转换电路、液晶显示电路、报警电路、导联线接口电路、低通滤波电路等，见图1。图1 系统硬件框图
本系统采用2 000 m Ah的锂电池供电，续航时间较长；按键电路用于控制系统开关机及心电信号输出；液晶显示电路用于显示心电信号信息、操作流程、报错信息等；复位电路用于系统错误复位；报警电路用于提示系统的运行状态。
1.1 数模转换电路
本系统采用的基准心电信号为美国麻省理工学院与哈佛医学院贝斯以色列医学中心（Massachusetts Institute of Technology-Beth Isreal Hospital,MIT-BIH）联合建立的心电数据库，其是目前国际上公认的标准心电数据库之一，也是近年来应用较为广泛的心电数据库[4]，见图2。因心电数据库存储的心电信号是数值信号，而心电图机和心电监护仪的导联线采集的是模拟信号，所以，需将心电信号转换为模拟信号。
图2 MATLAB描绘100.dat的心电信号波形
本系统采用的数模转换器为TLC5602CDW，其为高速并行的8位D/A转换器。TLC5602CDW的D0～D7端连接AT89S51的数据端口，用于接收数字心电信号；DVDD端通过滤波电容C60、C61、C62连接输入电源；AOUT模拟信号输出后经运算放大器LF353及比较器LF353输出至导联线接口上，便于导联线采集心电信号[5]。其电路图见图3。
图3 数模转换电路
1.2 低通滤波电路
数字心电信号转换为模拟信号时会伴随各种高频阶梯波，因此，本系统中设计了1个低通滤波器来滤除各种高频阶梯信号。当低通滤波器的阻带特性下降速率大于|-40 d B/10 oct|时，则必须使用高阶低通滤波器。本系统中采用的是四阶巴特沃斯滤波电路，经测试，将巴特沃斯低通滤波器的截止频率设定为23 k Hz，既可滤除高频阶梯波，又能较好地保留心电波形的细节。其电路图见图4，由图可知，心电信号通过比较器LM358的3脚与基准信号进行比较，并从LM358的7脚输出；R5、C1、R6、C2、R7、C3、R8、C4共同组成四阶低通滤波器，便于滤除高频信号[6-7]。
2 软件设计
新型心电信号发生器主要输出标准的模拟心电信号，进而检测心电图机和心电监护仪的心电输出信号是否异常。在系统软件设计中，系统开机后首先进行系统基准信号和端口的初始化，并由液晶显示系统进程；进入系统后首先检测电池电量，若电量低，则液晶显示电量界面并进入报警程序，若电池电量正常，则进入主程序。本系统的子程序主要包括电池电量监测、按键扫描、数模转换、液晶显示、报警等[7]。其程序框图见图5。
图4 低通滤波电路
图5 新型心电信号发生器的程序
3 临床测试结果
新型心电信号发生器主要用于检测心电图机和心电监护仪的心电信号是否异常，主要包括设备常规定期检测、维修后检测、临床医务人员不定时检测等[8]。本研究应用此系统检测18台心电图机和100台心电监护仪，将心电图机和心电监护仪的心电导联线连接系统的导联线接口，发现可输出正常的心电信号，说明该系统能够准确检测出设备的心电信号，进而判断设备存在的安全隐患。4 小结
心电信号检测已成为住院及门诊检查或治疗不可或缺的辅助手段，因此，医院的心电图机和心电监护仪的使用频率均较高[9]。针对现阶段心电图机和心电监护仪年度检测和维修后检测不及时的状况，本研究设计了一种新型心电信号发生器，可用于心电类设备的检测，以便及时发现设备存在的安全隐患或故障（如心电导联线破皮、外部干扰等），进而提示医务人员及时报修，对提高心电信号的检测准确性、降低医疗风险具有重要的意义[10]。参考文献
[1]梁振士，魏红霞，王茜，等.一种心电信号发生器的研制[J].医疗装备，2020,33(7):1-2.
[2]刘斌，张正国.一种新的长时心电信号模拟方法[J].中国生物医学工程学报，2009,28(3):362-366,371.
[3]蔚文婧，王寻，张鹏远，等.一种基于多层感知器的房颤心电图检测方法[J].中国医学物理学杂志，2020,37(3):332-336.
[4]蒋莲，陈兆学.基于心电信号提取呼吸信号的算法研究[J].中国医学物理学杂志，2019,36(4):462-469.
[5]何超文，冯智毅.基于ADS1298的便携式心电采集卡的设计[J].中国医疗设备，2019,34(10):49-52.
[6]陈苹，叶继伦，张旭，等.心电信号中基线漂移的去除方法比较及算法实现[J].中国医疗器械杂志，2018,42(5):326-329.
[7]何超文，冯智毅.基于USB声卡的便携式心电检测装置的设计[J].中国医疗器械信息，2018,24(10):146-148.
[8]贺玉珍，汤敏芳，何征岭，等.手持式微型多生理参数监测设备的研制[J].中国医疗设备，2019,34(10):41-44,63.
[9]戴思舟.心电信号处理方式及其应用[J].中国医疗器械杂志，2016,40(5):351-354.
[10]欧阳绳武.便携式移动医疗心电诊断系统研究与设计[D].贵阳：贵州大学，2016.
