专为健康监控设计的家用holter监护仪方案实现
一 正文1 前言
前年，当我购买自己的第一台笔记本电脑时，也算是煞费苦心，终于选中了一款自己觉得还可以，而且比较主流的机器。可是一年后当我再次踏入电脑商城时，忽然发现通过一年来对笔记本电脑的使用，我非但没有更加熟悉笔记本，反而变得更生疏了。酷睿的处理器已经不再是宣传的卖点，DDRII的内存也很少出现，主频高出了我的预想……所有我了解的性能参数都仿佛来到了另一个时代。我不得不感叹自己真的OUT了。记得大学第一节C语言课上老师说：“内存——我们心中永远的痛！”觉得很是有道理。然而，当我年前再次把目光投向电脑市场时，却发现情况似乎有了很大的改观。内存好像已经不再是很大的瓶颈。受摩尔率指导的电子产品的更新速度简直到了让我无法理解的地步。我曾看到有人说：与其说是摩尔率在起作用，倒不如说是科技进步和市场需求在起作用。不过对我来说，无论是什么在起作用，这个世界的节奏都已经快到让我很难静下来思考的速度。
但是一旦静下来思考，会想到什么呢？周围所有的东西都在不停的发展。从绿皮火车到高铁，从菜价到房价，从农村到城市……虽然周围很多人都在骂骂咧咧的抱怨，但很少有人会觉得现在的日子不如一前。也就是说，无论生活、环境给了我们多大的压力，我们还是在迈着前进的步子。然而前进的路上，又有谁和我们一道风雨兼程呢？
人类对于科技的应用虽然为自己开辟一条难得的前进之路，但同时也告知了我们的同伴应当何去何从。并不是所有的同伴都可以风雨同舟，因为有同伴躲在阴暗的角落里，在伺机向人类发起进攻。当然，被我们经常说道的生老病死中的病，便是在等候着专属于它的时机。而人类个体的生命大多也是在它的陪伴下，走向终点。
疾病的迅速发展，不仅缘于它惊人的繁衍速度，还在于人类科学技术发展对其的指引。当我观察人类与疾病的抗争时，想到的却是，当我还是一个孩子的时候，当我想要做的是大人们所不愿接受的事情时，大人们几乎总是穷尽办法来阻止我的行动，当然更多的是呵斥。但不管怎么说，在大人们的指引之下，最终我还是在向一个对的方向前进。人类与疾病之间的斗争，大人对小孩的指引，这两者在某种程度上的相似，让我萌生了一种想法：疾病是否就是那个在科技指引之下的孩子。
疾病的不断发展，也从另一个角度不不断督促着人类对自身的认知。这应该就是祸福相依的一种具体表现形式吧。正如人们由表及里，有外观而内涵的认知规律一样，疾病的发展抑或说前进方向也是如此。科技的发展使得原来极其棘手的疾病失去了它原有的恐怖外衣，但随之而来的却是以前从没有出现过的难题。但无论怎样这些我们都不能回避，因为这里的每一次战斗都是关乎生死的抗争。
所有人，正如在战火席卷的国度中的人民一样，无论愿意与否，他总会卷入与疾病抗争的之中。而我们在这场抗争中能做些什么呢？是像平民一样任人鱼肉，还是像极端的武装分子一样盲目抵抗。当然这并不是一个只有A、B选项的选择题，我们可以穷尽所能给出自己满意的答案。虽然，人类总是以自己的生生不息来证明自己的胜利。但是正如我开始所描述的情况一样，疾病的进化速度也快的惊人。有时快到，甚至不给人类以思考的机会。你会发现，过剩的不仅是CPU，还有病原体。
当我很长时间之后，再次踏入医院。却发现原来可以通过注射药剂治好的病症，现在得改用输液了。这让我不得不承认，当今的世界，病菌的进步速度已经在我之上了。被世界遗弃，还是奋勇追击，这的确是一个问题。当然，面临的问题很多，但现在我又该做些什么？医学对我来说是个很遥远的专业，但正如距离军人这种职业很遥远的平民，在面对国家安全这种问题时总要做些什么一样，似乎大家都应该出分力，而且还应当清楚“分”是“分内”的“分”。
现在，当我即将读完四年大学时，从哪里来的问题，我不必花费什么心思，但是往哪里去的问题却是不得不思考的。正如我前边所描述的，周围的一切都在发展，当然也包括老百姓的生活水平。这里我不是一个政客，我只是在描述自己的见闻。这样就会形成一个我所见闻的关系网络：科技、发展、疾病、生活、专业……无论是从一个即将步入职场的仪器类学生的角度，还是从一个具有社会责任心的公民的角度来看，医疗器械都将会是一个很有发展前景的行业，近来很多公司的产品动向和一些活动中的产品展示，也都肯定了这个判断的正确性。如此看来，便捷的家用医疗仪器定然会走向千家万户，事实也正是如此。
由于母亲高血压的缘故，几年前，家里就购买了家用的电子血压计，以便于母亲能及时知道自己的血压状况。有段时间母亲一度想要购买一款心电图机，因为听说通过心电图可以更好的了解自己的健康情况，不过最终还是因为受限于获取心电图信息那些复杂方法难以学习，而只好作罢。这样看来，一个家用holter监控器也确实有其施展的天地。
总体设计方案
1) 心电的特点：
1、微弱性。人体体表的心电信号很微弱，一般只有0.05-5mV。在测量中，对于如此微弱的信号，很难进行直接记录或处理，必须通过放大器适当放大，同时必须滤波处理。
2、低频特性。人体心电信号的频谱范围在0.05-100Hz，其能量谱主要集中在0.5-35Hz，频率是比较低的。
3、高阻抗特性。作为心电的信号源，人体源阻抗一般较大，可达几千欧姆至几万欧姆，这将给心电测量带来误差和失真。
4、不稳定性和随机性。人体是在内部环境与外部环境相适应的条件下维持新陈代谢的，为适应外部环境的变化，人体内各种系统的活动都会在相互影响中不断调整，以便与外部环境保持平衡，同时遗传等因素也会造成人体的个体差异性，这使得人体心电信号表现出不稳定性和随机性。
2) 心电信号的干扰
1、工频干扰。由于日常供电网络的存在，50Hz工频干扰是最常见的干扰，它是心电信号主要的干扰源之一。50Hz工频干扰主要通过人体和测量系统输入导线的电容藕合，以位移电流的形式引入，其强度足以淹没心电信号。
2、电极极化电压干扰。心电信号是通过紧贴在人体体表的电极提取的，而与电极接触的是电解质溶液（导电膏、汁液或组织液等），这会形成一个金属与电解质溶液的界面。由于电化学的作用，在二者之间会产生一定的电位差，称为极化电压。极化电压的幅度一般较高，在几毫伏到几百毫伏之间。当两个电极的状态不能保持对称时，极化电压就会产生干扰，特别是在电极与皮肤接触不良以致脱落的情况下更为严重，而且电极在皮肤表面的移动也会引起电位差变化。
3、肌电信号干扰。肌肉的兴奋与收缩会引起生物电变化，而这些生物电将在人体表面产生一定的电位差。由于心电信号必须通过贴在人体表面的电极进行提取，因此同时肌电干扰信号也会被提取出来。肌电干扰信号是一种快速变化的电压信号，其频率范围为20-5000Hz。
4、测量设备自身产生的干扰。信号处理所采用的电子设备本身也会产生噪声，这种干扰一般都是高频干扰，用低通滤波器就可滤除。
5、高频电磁场干扰。随着无线电技术的发展，各种频段的无线电广播、电视发射台、通讯设备、雷达等电子设备的工作使空间存在着大量的电磁波。这些高频电磁干扰可通过测量系统与人体连接的导线引入，并引起测量结果的不稳定，严重时会使测量系统不能正常工作，必须加以消除。
3) 电极的选取
电极是来摄取人体内各种生物电现象的金属导体，也称作导引电极。它的阻抗，极化特性、稳定性等对测量的精确度影响很大。
1、金属平板电极。金属平板电极是测量心电图时常用的一种肢体电极，它是一块镍银合金或铜质镀银制成的凹形金属板，这种电极比较简单，其抗腐蚀性能、抗干扰和抗噪声能力较差，在微电流通过时容易产生极化，而且电位不稳定和电位随时间漂移严重，信号失真也较大缺点。
2、吸附电极。吸附电极是用镀银金属或镍银合制而成，呈圆筒形，其背部有一个通气孔，与橡皮吸球相通，它是测量心电时作为胸部电极的一种常用电极。该电极不用扣带而靠吸力将电极吸附在皮肤上，易于从胸廓上一个部位换到另一部位。使用时挤压橡皮球，排出球内空气，将电极放在所需部位，然后放松橡皮球，由于球内减压，使电极吸附在皮肤上。但这种电极，由于只有圆筒底部的面积与皮肤接触（即接触面积小），从而使得它的阻抗和对皮肤的压力很大，因此，不适用于输入阻抗低的放大器和不宜作长时间监护之用。
3、圆盘电极。圆盘电极多数采用银质材料，其背面有一根导线。有的电极为了减轻基线漂移及移位伪差在其凹面处镀上一层氯化银。值得注意的是，该电极在使用一段时间后必须重新镀上氯化银。
4、悬浮电极。悬浮电极分为永久性和一次性使用的二种。其中永久性悬浮电极又叫作帽式电极，其结构是把镀氯化银或烧结的Ag-AgCI电极安装在凹槽内，它与皮肤表面有一空隙。使用时，应在凹槽内涂满导电膏，用中空的双面胶布把电极贴在皮肤上。由于导电膏的性质柔软，它粘附着皮肤，也粘附着电极，当肌肉运动时，电极导电膏和皮肤接触处不易发生变化，起到接触稳定的作用。一次性悬浮电极也叫作钮扣式电极，其结构是将氯化银电极固定在泡沫垫上，底部也吸附着一个涂有导电膏的泡沫塑料圆盘，使用前，圆盘周围粘有一层保护纸，封装在金属箔制成的箱袋内，用时取出，剥去保护纸，即可使用。
5、软电极。为了克服由于各种硬质电极与皮肤贴附不紧密而当人体有所活动时，电极与体表之间的接触可能会改变原来的状态而引起意外的移位伪差，而生产出了软电极。一种常见的软电极是贴在胶布上的银丝网电极。使用时，只需把银丝网涂上导电膏后贴在所需的人体部位即可。另一种软电极是在13um厚的，聚脂薄膜（Mylar）上镀一层1um厚的氯化银膜而制成的。整个电极的厚度仅为15um，质地十分柔软。它适用于检测、监护早产儿心脏变化功能。
6、干电极。干电极是利用固态技术，将放大器与电极组装在一起所示。使用时不必涂上导电膏而波形又不失真，但必须要一个输入阻抗很高（Zsr>109Ω）的前置放大器相匹配。
出于对本设计方案的综合考虑，使用平板电极。
4）总体设计方案
在了解了心电信号的特点之后，综合考虑诸如：环境干扰、电极选择、心电导联体系、本设计的预期目标、以及USB Startkit & Etherner Startkit的优势，总体设计框图如下：
硬件设计
心电信号输入缓冲电路
图二：心电信号输入缓冲电路图
心电信号从人体经电极首先进入缓冲电路，包括低通滤波和电压跟随两部分。无源低通滤波的截止频率为：
(3-1)
放大和右腿驱动电路
图三： 放大和右腿驱动电路
由于心电信号具有微弱、低频、不稳定、易受干扰等特点，使得心电信号的模拟放大环节非常关键，尤其是心电前置放大器直接跟被测信号相连，其设计和选择直接影响整个测量系统的工作性能。这就要求所采用的放大器必须有低噪声、低漂移、低失调参数、高共模抑制比、高输入阻抗、非线性度小等特点。仪表放大器可以很好的满足上述要求。
右腿信号采集电路专门用来消除由人体引入的共模干扰，又称右腿驱动电路。该电路一般从前级放大电路的增益调节电阻处提取反馈信号，并将反馈信号输入反向放大器的负端，放大后接到人体右腿。右腿驱动电路可等效为以人体为相加点的共模电压并联负反馈放大电路，它可以大大降低人体共模电压的影响，使共模干扰降低到1%以下，而不会损失心电信号中的有效信号。
高通和低通滤波电路
图四：高通和低通滤波电路
50Hz陷波电路
图五：50Hz陷波器电路
导联选择
本设计采用模拟开关CD4051控制导联通道切换。
软件设计
本设计中软件部分主要分为两部分：一部分是PIC32进行信号采集和存储部分，一部分是PC机信号处理部分。
信号采集和存储流程图
页:
[1]