基于ADS1298的便携式心电采集卡的设计

何超文,冯智毅

广州医科大学附属第三医院 医疗设备科,广东 广州 510150

[摘 要]目的 设计一款基于ADS1298的便携式心电采集卡。以此采集卡为核心,辅以特定功能需求的外围设备并通过合适的传输技术,可搭建各类衍生式心电检测设备。方法 选用单片机STM32作为主控,搭配TI公司的医疗模拟前端芯片ADS1298构成的数据采集器,完成人体心电信号采集,并存储于板载SD卡。结果 经本采集卡完成一个心电检测,结果显示本采集卡可完成心电信号的基本功能采集。结论 本采集卡具有便携式、体积小及可扩展的优点。

[关键词]心电图;便携式设计;STM32;采集卡

引言

心电图(Electrocardiogram,ECG)是反映心脏兴奋的电活动过程,它对心脏基本功能及其病理研究方面,具有重要的诊断参考价值[1-3]。在临床上,可辅助医生做出准确的诊断,比如诊断心率失常、心肌缺血、心肌炎及心包炎等[1-3]。随着移动式医疗设备概念日渐升温,便携式设计是设备开发的一个新热点。由此可见,便携式心电检测设备显得尤为关键和具有市场发展前景。然而,目前的传统心电检测设备存在体积较大、便携性差、价格昂贵、封闭式设计及扩展性差等劣势,不利于心电检测的功能扩展和基础研究,为临床使用者和科研学者带来各种不便。随着电子和计算机技术的进步和发展,开发出更多便携性高、使用灵活、成本低和性能多样的设备成为可能,例如流动性体检、家庭心电检测跟踪、远程心电诊断检测等[4-5]。这类设备的特点是以ECG提取为核心,辅以特定功能需求的外围设备,实现各类使用需求的衍生式设备。这类设备核心在于一个性能优异及扩展性高的心电采集模块,并在外设电路设计方面做针对性考虑,可提升设备的设计效率。

针对上述需求,本文设计一种心电检测的核心采集卡,可作为各类心电检测特定需求的基础平台。该采集卡是选用单片机STM32作为主控,搭配医疗模拟前端芯片ADS1298构成的数据采集器,完成人体心电信号的数据采集。同时,本文以该采集卡完成一个心电采集测试,结果表明本采集卡可完成心电信号的采集与存储,并具备便携性高、低成本、使用方便及扩展性强的优点。

1 心电采集卡框架

本文的心电采集卡采用模拟信号和数字信号分区混合设计方案[6],其结构框架框如图1所示。心电采集卡主要由隔离电源、SD卡、单片机STM32和数据采集器组成,实现心电信号采集及存储一体化和小型化。其中,信号通路主要是:电极所采集人体心电信号传输至数据采集器中完成信号调理及A/D转换为数字信号,并存储于SD卡中。功能丰富的STM32可搭配不同特定功能需求的外围设备,实现各样衍生式心电检测设备。

图1 心电采集卡设计结构框架

2 采集卡硬件设计

2.1 单片机控制器

单片机控制器选用市场上一款以意法半导体ST公司的STM32F103ZET6作为主控制器的最简核心板,其基于Cortex-M3内核的32位高速ARM微处理器,系统工作频率高达72 MHz,内置flash 512 KB和SRAM 64 KB,可存储程度复杂的程序代码和建立数据缓存空间[7-8]。其具有丰富的总线接口,如SPI、I2C、SDIO和USART等,可用于控制数据采集器和读写SD卡[8]。同时,STM32F103主控的数据总线及功能接口丰富,可搭配各种特定功能需要的外围设备,可衍生出不同使用目的的心电采集设备。

2.2 数据采集器

为了更好地提取出心电信号和保护人体,本采集卡的数据采集器由预处理电路和医疗级模拟前端芯片ADS1298电路构成。从电极引出的心电信号先经过预处理电路调理后,再传入ADS1298电路进行信号放大、滤波及A/D转换。

2.2.1 预处理电路

预处理电路图如图2所示,本数据采集器的所有通道均接有预处理电路,此电路由一阶无源低通滤波和限幅电路组成,由RC元件组成100 Hz截止频率的低通滤波[9-10],用于实现信号采集的抗混叠和消除电路的高频噪声;限幅电路利用二极管单向导通特性,实现钳位保护效果,防止电路的过高电压对人造成伤害。

图2 预处理电路

2.2.2 医疗模拟信号前端芯片

本数据采集器的主要功能由TI公司的医疗模拟前端芯片ADS1298实现,该芯片专为心电生理信号采集设计的,其特点是八通道,4 µVpp低噪声,32 kHz高采样率,24倍可编程增益PGA,115 dB高共模抑制比、低功耗0.5 mW/通道、内置基准电压以及振荡器等[11]。芯片内部集成有医疗心电采集应用所需的全部常规功能,如右腿驱动、电极掉落检测和威尔逊中心终端等[11-15]。此外,该芯片集成SPI通信接口,传输速度高达4 MB/s,可实时准确地传送所采集的心电数据。SPI接口是一种高速的、全双工及同步的通信总线,只占四根线,可节约管脚和使电路设计简单。由于芯片ADS1298具有高度集成特性以及性能优良,可简化电路复杂度,减少PCB布局空间,提高心电采集卡的便携性、稳定性和抗干扰性。

本数据采集器应用电路如图3所示,设计为数字时钟采用芯片内置时钟振荡器,参考电压采用外部提供的+2.5 V及±2.5 V双电源供电模式,采集器的模拟地和数字地经零电阻接通,启用内置右腿驱动反馈至电极RLD,可抑制共模信号干扰[15-18]。芯片SPI的四引脚/CS、SCLK、DOUT、DIN和数据完成信号脚/DRDY分别接STM32的PC5、PA5、PA6、PA7、PC4引脚,可将心电数据有效快速传输至STM32中。

图3 ADS1298功能简化架构

2.3 供电电源部分

结合本心电采集卡的便携式开发目标,采集卡的供电方式采取干电池供电。本电源部分结构如图4所示。干电池组的输出电压VCC先经过DC-DC电源隔离芯片DCR010505再进入之后的各电源芯片中[19]。其中,利用线性稳压芯片TPS73625和反向电荷泵芯片TPS60403对输入电压VCC进行变换,为本采集卡提供±2.5 V模拟电压AVDD/AVSS;利用电压芯片REF3313可把输入电压降为+3.3 V,为本采集卡提供+3.3 V数字电压DVDD。本干电池组由四节1.2 V、1300 mAh的镍氢电池串联提供,经各芯片数据手册理论计算可续航大约20 h。

此外,一个稳定的基准电压是A/D高精度转换的关键,因此本采集卡的基准电压由芯片REF5025和OPA350组成。电源芯片REF5025具有高精度0.05%、低温漂3 ppm/℃的优点,运放OPA350作用是缓冲基准电压,为A/D转换提供一个高性能的+2.5 V参考电压Vref

图4 供电电源框架

2.4 数据存储器

本采集卡内有一块金士顿8 GB的SD记忆卡,其负责存储所采集的心电信号原始数据,数据采集器所记录的心电数据为24 bit格式,估计其可存储约16 h长度的心电数据。本采集卡的STM32主控通过SDIO总线与SD卡进行数据读写通信,读写速度高达18 MB/s。STM32内核通过FATFS文件系统管理SD卡的读写数据,让数据读写程序变得更加简便规范[20]

3 采集卡软件设计

3.1 采集卡固化程序

本采集卡中SMT32固化程序采用Keil软件作为开发环境,包括数据采集模块、按键模块、主控模块及SD卡读写模块。固化程序通过烧录器下载至STM32中,断电后重新上电也即可正常工作。其中,数据采集模块负责通过STM32对芯片ADS1298进行初始化、控制采集及数据调取的任务;按键模块负责人机交互的选择作用;主控模块负责调度各子模块间有条不紊的配合工作;SD卡模块负责存储心电信号原始数据,用作离线分析。

3.2 采集卡工作流程

本采集卡的工作流程如图5所示,步骤为:①采集卡上电后,首先初始化采集卡所有系统参数;②启动采集卡的外围设备自检,并初始化数据采集器,红灯1亮,提示操作人可准备开始心电记录;③检测开始按键是否按下,若是则灯2亮和灯1灭,数据采集器ADS1298开始采集人体心电数据,在STM32中断进程读出数据;④单片机STM32将数据采集器ADS1298所采集的心电原始数据存储于SD卡中,或传输至外围设备中;⑤检测停止按键是否按下,若没有按下,则循环进行步骤②、③和④;反之,则灯2灭灯1亮,指示心电信号采集结束。

4 采集卡测试

旨在验证本心电采集卡所采集到的数据结果的正确性、可靠性和稳定性,对本采集卡进行了准确性及稳定可重复性的验证。本文设计了一个三导联的心电信号采集测试,如图6所示,数据采集器的通道正输入端接左手,负输入端接右手,右腿电路输出端接右腿,。电极安置、测试操作和参数等均按常规ECG记录要求[21]

图5 采集卡的工作流程

图6 本采集卡实物及实际应用

本采集卡在内设的Micro SD卡中新建了一个ecg.txt文本文档,用于存储所采集的心电信号原始数据,如图7所示,方便日后随时离线分析研究数据。

对通过本采集卡所采集并存储于SD卡内的心电数据,利用软件Matlab作离线数据处理,用plot工具重新画出心电信号波形,如图8a所示。由图8a中可见,所采集的原始心电数据除了有心电信号基本成分,还混杂着工频干扰等噪声。如图8b为经过Matlab软件的50 Hz陷波数字滤波处理后的心电信号波形,清晰可见心电信号基本成分波形,由此可得本心电采集卡能基本完成心电信号的采集和存储。

图7 存储于SD卡的心电原始数据

图8 同组数据的原始心电波形与50 Hz陷波处理后的心电波形对比

注:a.利用Matlab绘制的原始心电波形;b.利用Matlab软件50 Hz陷波处理后绘制的心电波形。

5 结论与展望

本文所提出的基于ADS1298的便携式心电采集卡,选用单片机STM32作为主控,搭配医疗模拟前端芯片ADS1298构成的数据采集器,完成人体心电信的数据采集。以此采集卡为核心,辅以特定功能需求的外围设备并通过合适的传输技术,可搭建各类衍生式心电检测设备。经测试结果表明,本心电采集卡不但满足心电信号记录的要求,并且具有便携式高、低功耗、低成本、低噪声及抗干扰强的特点。未来,本文可针对不同的特定使用目的,辅以不同功能的外围设备,尝试开发出各类心电检测平台,并考虑可于STM32中增加更多数字滤波处理,保证所采集的心电信号质量,可提高采集成功性。

[参考文献]

[1]Marcinkevics R,O’Neill J,Law H,et al.Multichannel electrocardiogram diagnostics for the diagnosis of arrhythmogenic right ventricular dysplasia[J].Europace,2018,20(FI1):f13-f19.

[2]陈伟伟,高润霖,刘力生,等.中国心血管病报告2013概要[J].中国循环杂志,2014,7:613-615.

[3]Norris RM.Circumstances of out of hospital cardiac arrest in patients with ischaemic heart disease[J].Heart,2005,91(10):1537-1540.

[4]陈海军,陈婷.一种基于移动网络的心电监测报警系统的设计[J].中国医疗设备,2016,31(8):96-98.

[5]渠瀛,安钢,安源,等.便携式心电监测仪设计[J].医疗卫生装备,2016,37(4):47-48.

[6]黄智伟.印刷电路板(PCB)设计技术与时间(第2版)[M].北京:电子工业出版社,2015.

[7]STMicroelectronics.STM32F103 Data Sheet[R].2009.

[8]张洋,刘军,严汉宇,等.原子教你玩STM32(库函数版)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[9]黄奇奇,杨圣.手机化主从式EASI推衍十二导联心电图检测系统[J].工业控制计算机,2016,29(6):49-50.

[10]韩国成,古旺,朱健铭,等.基于BMD101芯片的便携式心电监护仪研制[J].中国医学物理学杂志,2017,8:850-854.

[11]Texas Instruments.ADS1298 Data Sheet[R].2015.

[12]陈颖昭,高跃明,甘振华,等.基于STM32的便携式家用心电监测仪的设计[J].电子技术应用,2013,39(9):18-20.

[13]刘照阳,舒明雷,孔祥龙,等.蓝牙心电采集终端的设计与实现[J].自动化仪表,2018,39(8):83-86.

[14]何伶俐,王宇峰,何汶静,等.ECG监护仪检测放大电路的设计[J].生物医学工程研究,2013,32(1):31-34.

[15]余学飞,叶继伦,张宁,等.现代医学电子仪器原理与设计[M].广州:华南理工大学出版社,2013.

[16]李承炜,韩俊南,杜欣,等.基于ADS1293的穿戴式心电检测装置设计与实现[J].电子技术应用,2017,43(9):8-12.

[17]肖连,杨瀚波.快速心电检测系统的设计[J].电子元器件应用,2009,11(1):52-53.

[18]赖汝楠,刘洪英,皮喜田.基于Android的手持式心电检测系统设计[J].传感器与微系统,2017,7:83-85.

[19]Texas Instruments.DCR010505 Data Sheet[R].2014.

[20]苏维嘉,齐洪涛.基于STM32和μc/OS-II的心电检测系统[J].计算机系统应用,2013,22(2):61-63.

[21]张承宗,吴士彬.实用临床心电图教学图谱[M].天津:天津科学技术出版社,2000.

Design of A Portable ECG Acquisition Card Based on ADS1298

HE Chaowen,FENG Zhiyi
Department of Medical Equipment,The Third Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University,Guangzhou Guangdong 510150,China

Abstract:Objective To design a portable ECG acquisition card base on ADS1298.With the peripheral devices of specific functional requirements,the portable ECG acquisition card can set up various kinds of derivative ECG detection equipment through appropriate transmission technology.Methods STM32 was used as the main control unit of the ECG acquisition card and the ADS1298 was used as data collector to complete ECG signal acquisition.Besides,the raw ECG data collected by this acquisition card were saved in an onboard SD card.Results The test results showed that this acquisition card could complete the integrity function of ECG signal acquisition.Conclusion This ECG acquisition card has kinds of advantages,such as portable,small volume and extensible.

Key words:electrocardiogram;portable design;STM32;acquisition card

收稿日期:2019-03-19

作者邮箱:290590785@qq.com

[中图分类号]R318;R197.39

[文献标识码]A

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2019.10.013

[文章编号]1674-1633(2019)10-0049-04