基于MSP430设计的微型家用心电图机

一、概述

　　心血管疾病是一种较为普遍的疾病，随着生活节奏的加快，生活水平和健康意识的提高，人们需要随时对心脏进行健康监护并且能在比较危急的情况下进行及时的诊治；同时，如果长期住在医院里面进行监护和治疗，那样花费高而且也给医院带来了不小的门诊压力。心电图机是诊断心脏病的重要仪器之一，目前市场上有多种心电图机，但是这些心电图机都不太适合在家庭中使用。为此，一种能够在家庭中应用、操作简单、价格便宜的低功耗家用电图机的设计方案应运而生。

　　总所周知，随着科学技术的推进、人类社会的发展进步，全球医疗仪器的发展也是日新月异。21世纪的医疗行业主要呈现以下两个特点：第一、未来的医疗世界，主要的代表产品是纳米机械元件、随身佩戴式化学感测器、居家保健应用医疗器材等。第二、信息与医疗技术紧密地结合在一起。家用心电图机的设计正是顺应这两个大趋势。另外，从这次SARS病毒爆发来看，可以预计，它将会推动居家保健应用医疗器材的发展。因此，家用心电图机在国内外都是一种新型产品，具有极大的市场发展潜力。

二、功能与基本原理

（一）总体设计

　　为了实现心脏的"健康监护"和"家庭门诊"，该家用心电图机具有以下基本功能：

　　利用液晶显示系统实时显示心电波形和工作菜单；

　　利用外部存储器将需要存储的心电信息保存以便日后作为诊治参考；

　　利用打印机将心电图打印存档；

　　可整理保存用户的记录信息；

　　多种操作模式，自动，手动操作可以任意选择；

　　可以方便的将从人体采集到的心电信号传送到相关的医疗机构。

　　考虑到用户实际使用的需要，家用心电图机还必须满足以下的特点：

　　抗干扰能力强；

　　体积小，重量轻，携带方便；

　　操作简单；

　　功耗低；

　　为了得到广泛推广使用，生产成本要低，必须有比较好的性能价比。
该家用心电图机采用的是干电池供电，而干电池供电需要解决的一个基本矛盾是：低功耗要求系统采用比较低的时钟频率而与此同时要求系统对一些基本的操作能够快速反应和启动，这就要求系统最少具备两种高低不同的频率，必要时两种频率可以切换使用。正因为MSP430 F135具有丰富灵活的时钟模块，所以本系统选取它来作为控制核心，与此同时还选用了与之配套的低功耗外部存储器AT29LV1024和液晶显示模块LMS0192A。

　　德州仪器公司所提供的MSP430为高整合、高精度的单芯片系统，是目前工业界中具有最低功耗的flash 16-bits RISC微控制器。MSP430 F135具有强大的处理功能和丰富的外围模块，可方便地实现心电信号的采集、处理、存储、打印以及传输。另外，将其作为系统的控制核心，可以极大地简化整个硬件电路和提高系统的性价比。

　　心电信号由电极或导联线从人体采集，经放大、滤波处理后进入单片机进行A/D转换，送液晶显示。如需存储则按下存储键后心电数据就会存储到外部存储器中，而且在需要回放、打印、传输时，可以直接从外部存储器中调出使用，进而实现各种功能。可以直接利用网络或电话将家用心电图机所监测的数据传送到相关的医疗机构，经过诊断、处理之后由医疗机构反馈回来，因而方便和高效地实现了"家庭门诊"和"健康监测"，既节省了用户开支又相对减轻了医院的门诊压力。本系统采用了图1所示的电路结构。

（二）心电信号的检测及采集

　　家用心电图机所需检测的心电信号幅值在0.05～4 mV，频率在0.05～72Hz。而检测中存在的主要干扰信号有电极板与人之间的极化电压、50Hz工频干扰、仪器内部噪声和仪器周围电场磁场电磁场的干扰等等。心电信号中50Hz工频干扰可以利用自适应模板法消除，则心电图机模拟部分可以采用如图2所示的硬件结构。心电信号经电极或导联线采集后，先要进行电压放大。电压放大器一般由两级组成，前级采用负反馈差动放大电路。系统中，采用TI公司的基于双运放电路的微功耗仪表放大器INA321芯片作为心电信号的前级放大器，放大倍数为10倍。由于72Hz以上的干扰信号较强而0.05Hz以下的干扰信号相对较弱，所以在滤波电路中，采取先低通滤波取出72Hz以下的信号，然后接高通的方式，这样就能滤除极化电压信号得到心电信号。由于在前面的滤波电路中采用了RC高通滤波电路，该电路具有较高的输出阻抗，所以后级放大采用了同相放大电路，放大倍数为20倍。

　　心电信号的最高幅值为4mV，经过200倍的放大为0.8V，而A/DC的输入范围为0～2.5V，设计时取中间值1.25V为参考，所以放大后的心电信号叠加参考电压1.25V后大小为(1.25