基于PSoC的远程心电监护系统设计

2022-09-11

通过监视心电信号可以实现对心脏类疾病患者进行长期的有效监护。本文以PSo C (Programmable System-On-Chip, 可编程片上系统) 数模混合设计及嵌入式技术为基础设计一套可穿戴远程心电监护系统。

一、信号采集电路设计

心电信号通过容积导电传至身体各部, 身体各部分组织不同, 距离心脏的距离不同, 所以体表两点之间都存在心电引起的电位差。J.C.Huhta和J.G.Webster详细的分析了生物电位记录中各种干扰的来源, 给出了生物电位记录中干扰电压主要为:

(1) 式中, id是50Hz工频干扰, 是电压源在人体感应的位移电流;ZG为人体与大地之间的电极阻抗;∆Z是两个测量电极的不平衡电极阻抗;放大器的共模输入阻抗为。可以看出通过抑制共模电压带来的干扰可以采用两电极导联方式进行心电信号采集, 即浮地式双电极心电图测量方式。浮地式双电极心电信号采集电路如图1所示。电阻R4、R5和电容C1、C4构成截止频率为100Hz的低通滤波器, 滤除高频干扰。设计放大倍数不超过10倍的高模抑制比的差分放大电路, 方便后续滤波电路对干扰的处理。

二、滤波电路设计

本系统直接利用PSo C芯片内的集成运算放大器设计两个Sallen-Key二阶低通滤波器电路, 电路如图2所示。

设计截止频率为40Hz的低通滤波器将心电信号提取出来。设计的滤波器电路每级电压增益是8.5V/V, 则系统整个模拟前端的电压增益是10×8.5×8.5=722.5V/V。

三、数据处理、存储及显示系统设计

本设计基于Pso C芯片的片内资源实现数据处理、存储及显示功能。设计利用PSo C芯片内集成的16位Δ-ΣADC模块完成心电信号的模数转换, 将采集到的数据存储在片内EEPROM内, 经过数据处理后控制TFT液晶显示器显示出心电信号的波形图。PSo C的软件程序主要完成心电数据的采集、存储、心电波形图的显示等功能。

四、远程数据传输系统设计

系统以ARM7处理器为核心, 嵌入式系统平台为主体, 设计基于Wi-Fi的用户和医护人员之间心电信号、诊断监测结果、健康指导信息等数据的远程传输功能。前端PSo C系统通过传感器检测到相关用户数据信息, 利用串口和嵌入式平台相连接并发送相关信息;后端嵌入式平台收到信息后做出相应判断与处理。医护人员通过浏览器端访问Wi-Fi无线网络即可随时检测所需数据, 并做相应的分析处理。通过Internet远端访问的网页信息如图3所示。

五、结论

本文设计的可穿戴式双电极心电监护系统可实现心电图数据的采集、存储和远程通信, 帮助医疗机构为用户提供远程医疗服务。本设计采用数模混合设计技术, 缩短开发周期;充分运用PSo C内部集成的高精度运算放大器、AD、EEPROM、计时器等模块, 配合少量外围辅助电路, 使得系统电路结构简单, 降低了功耗和成本;以Wi-Fi无线通信技术为基础, 依托嵌入式Web服务器, 结合HTML5和AJAX技术, 实现的远程数据传输系统操作简便、性能稳定。

摘要：设计实现了一种互动式远程心电信号 (ECG) 监护系统。系统采用浮地式双电极方式拾取心电信号, 基于片上可编程系统 (PSo C) 硬件平台和Creator开发环境的软硬协同设计方式, 实现心电信号的放大、A/D转换、TFT触控及显示、片内EEPROM数据存储和心电信号算法处理。医护人员可通过互联网访问ARM处理器为核心构建的嵌入式Web服务器, 实现对用户心电信号的远程监护。设计中使用PSo C数模混合设计技术, 使得系统结构简单, 节约成本, 缩短开发周期。

关键词：心电图,远程监护,PSoC,浮地式双电极心电记录,嵌入式系统