基于MSP430的動(dòng)態(tài)心電圖采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)心電圖是指連續(xù)記錄24小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間的心電圖，它已經(jīng)成為臨床上廣泛應(yīng)用的無(wú)創(chuàng)性心血管病診斷手段之一。尤其是常規(guī)心電圖檢查正常，但有心臟病癥狀或心率變化與癥狀不相符時(shí)，可以作為首選的無(wú)創(chuàng)檢查方法。此方法為美國(guó)人Holter發(fā)明，所以又稱為Holter。由于資金、技術(shù)等因素，Holter系統(tǒng)在我國(guó)并未得到普及，因此研制一種能夠記錄24小時(shí)全程心電圖的低功耗、便攜式心電圖記錄系統(tǒng)十分必要。

目前該類(lèi)產(chǎn)品存在的主要問(wèn)題在功耗和容量等方面[1]。市場(chǎng)上的動(dòng)態(tài)心電記錄系統(tǒng)普遍采用51系列或DSP，其功耗很大，不能滿足24小時(shí)連續(xù)記錄的要求。MSP430具有優(yōu)勢(shì)，它自帶12位AD轉(zhuǎn)換和液晶顯示，在圖1中虛線框中的模塊都是MSP430自帶的，其集成化程度高，更有利于實(shí)現(xiàn)低功耗和便攜式。因此采用MSP430和SD卡的動(dòng)態(tài)心電采集系統(tǒng)十分合適[2]。

1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 MSP430 芯片介紹

美國(guó)德州儀器公司推出的MSP430系列超低功耗16位混合信號(hào)處理器，以16位RISC處理器、超低功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)、JTAG仿真調(diào)試定義了新一代單片機(jī)的概念。本系統(tǒng)采用的MSP430FG4618是一款優(yōu)秀的片上系統(tǒng)，它自帶12位AD轉(zhuǎn)換、3個(gè)可編程運(yùn)放、12位DA同步轉(zhuǎn)換器、160段LED驅(qū)動(dòng)以及UART、SPI、I2C等豐富的外設(shè)接口，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了很大的方便。

1.2 系統(tǒng)整體流程介紹

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件主要由三部分組成：模擬放大部分、MSP430主處理部分和SD卡存儲(chǔ)部分。系統(tǒng)的工作流程為：由導(dǎo)聯(lián)電極采集人體表面微弱的心電信號(hào)，經(jīng)由儀表運(yùn)放INA321初步放大，再通過(guò)50Hz陷波器濾除工頻干擾；主運(yùn)放采取MSP430內(nèi)部的可編程運(yùn)放，放大100倍，滿足AD轉(zhuǎn)換的電壓要求；AD轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波消除一些高頻干擾后，一方面直接將數(shù)據(jù)存入SD卡，另一方面通過(guò)設(shè)定閾值判斷QRS波群的到來(lái)，由兩次波群的采樣間隔計(jì)算出心率，經(jīng)由LCD顯示。

系統(tǒng)中AD轉(zhuǎn)換采用MSP430自帶的12位AD，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)定為500點(diǎn)/s，這樣的采樣速率有利于工頻干擾的數(shù)字濾波；MSP430FG4618自帶160段液晶驅(qū)動(dòng)，最多可以帶20位的數(shù)碼顯示；根據(jù)實(shí)際需要選用4位的數(shù)碼顯示；存儲(chǔ)系統(tǒng)采用1GB的金士頓SD卡，完全滿足數(shù)據(jù)量和存儲(chǔ)速度的需要。

1.3 模擬部分電路

儀表運(yùn)放采用TI公司的INA321，其默認(rèn)放大倍數(shù)為5倍。因?yàn)槿梭w皮膚接觸電阻大、共模電壓高等因素，前級(jí)運(yùn)放放大倍數(shù)不能太大，否則容易引起飽和，因此設(shè)定其放大倍數(shù)為5。模擬部分電路如圖2所示。其中點(diǎn)1接參考電壓1.5V，能保證輸出點(diǎn)3的參考電壓也為1.5V。U2和INA321組成一個(gè)積分電路，可以消除由于采集過(guò)程中皮膚接觸阻抗變換引起的基線漂移[2]。U3和R7、C4等電容網(wǎng)絡(luò)組成了低通和陷波電路，其增益為500倍，能將微弱的信號(hào)放大到AD轉(zhuǎn)換需要的1V電壓。

模擬部分整體電路在Multisim10仿真圖形波形中，可以看出此電路的性能完全符合后級(jí)AD轉(zhuǎn)換要求。

1.4 心電信號(hào)的存儲(chǔ)設(shè)備SD卡

24小時(shí)采集的心電信號(hào)數(shù)據(jù)量計(jì)算如下：采樣率500點(diǎn)/s，每個(gè)點(diǎn)用8位表示，則數(shù)據(jù)量為24×3 600×500=43.2MB。這樣大的數(shù)據(jù)量可以采用Flash或者移動(dòng)存儲(chǔ)卡的形式存儲(chǔ)?？紤]到SD卡能用讀卡器直接讀入PC機(jī)，所以將SD卡作為存儲(chǔ)設(shè)備，具體采用金士頓1GB的SD卡作為存儲(chǔ)設(shè)備，它在容量和功耗上完全滿足設(shè)計(jì)需求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和工作流程

AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)須經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波消除高頻干擾，再對(duì)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行心率計(jì)算和存儲(chǔ)。由于MSP430自帶硬件乘法器，因此可以在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單整系數(shù)數(shù)字濾波，以提高心率計(jì)算的準(zhǔn)確度。在存儲(chǔ)時(shí)要滿足FAT16文件系統(tǒng)要求，將FAT表、根目錄、數(shù)據(jù)區(qū)等相應(yīng)位置寫(xiě)入數(shù)值，以便PC機(jī)讀取采集到的心電數(shù)據(jù)。其工作流程如圖3所示。

SD卡的讀寫(xiě)方式有SD方式和SPI方式，這里選擇SPI方式。SD卡上的文件系統(tǒng)基本單位是扇區(qū)，格式化時(shí)由操作系統(tǒng)將每個(gè)扇區(qū)設(shè)置為512B，則采集時(shí)也要在MSP430內(nèi)部設(shè)置一個(gè)512B的緩沖區(qū)，寫(xiě)滿后一次性寫(xiě)入SD卡。由于采樣間隔只有2ms，這就要求在2ms內(nèi)能將一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入卡內(nèi)，不然就會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失?？梢栽O(shè)置SPI總線的時(shí)鐘頻率在8MHz，則存儲(chǔ)512B的數(shù)據(jù)需要0.5ms，滿足實(shí)時(shí)性要求。

3 FAT文件系統(tǒng)原理

SD卡內(nèi)部存儲(chǔ)空間以扇區(qū)為單位，每扇區(qū)512B。在進(jìn)行格式化時(shí)由操作系統(tǒng)決定了每簇含扇區(qū)的個(gè)數(shù)、保留扇區(qū)的個(gè)數(shù)、FAT表的位置和根目錄的位置等信息。然后將這些信息寫(xiě)到SD卡的第一個(gè)扇區(qū)。

在卡上建立文件必須讀取第一個(gè)扇區(qū)的內(nèi)容，并由此計(jì)算出各個(gè)偏移地址。首先計(jì)算出FAT表的位置，并將第一頁(yè)FAT表讀入，并檢查是否有空簇。若有則記錄其偏移地址并寫(xiě)到根目錄相應(yīng)文件屬性中；否則順序讀取下個(gè)FAT頁(yè)面，繼續(xù)查找直到最后一個(gè)FAT頁(yè)。在根目錄中每個(gè)文件占32B，內(nèi)容包括文件名、擴(kuò)展名、文件起始簇所在位置、文件隱藏歸檔等屬性。

FAT文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

因?yàn)樾碾姅?shù)據(jù)是不斷采集的，所以文件的大小也是不斷增加的，這就是說(shuō)在建立文件時(shí)不可能設(shè)定最終的文件大小，要求程序能不斷申請(qǐng)新簇，然后相應(yīng)修改文件大小。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

將采集到的心電信號(hào)存儲(chǔ)在SD卡上，通過(guò)讀卡器讀入PC機(jī)中。先進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過(guò)低通濾波消除工頻干擾、中值濾波消除基線漂移后的結(jié)果如圖5所示。

從預(yù)處理后的波形可以看出，在采集過(guò)程中產(chǎn)生的基線漂移和50Hz工頻干擾都被消除了，得到的波形完全能反映被測(cè)者的心電特征，滿足后級(jí)處理的要求。

上位機(jī)軟件同時(shí)還有QRS波群的識(shí)別功能。算法上采用基于導(dǎo)數(shù)的測(cè)量方法。首先對(duì)預(yù)處理后的波形進(jìn)行一階差分并圖像增強(qiáng)，這樣R波的特征會(huì)更加明顯；然后對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)，可以判斷出R波的位置；接下來(lái)在R波峰位置向前向后分別檢測(cè)，即可找出Q、S波的起始位置。

大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所采集到的ECG圖像完整，能夠滿足臨床診斷精度要求，從而說(shuō)明采用MSP430和SD卡實(shí)現(xiàn)Holter采集系統(tǒng)的方案是可行的。同時(shí)，由于此算法的識(shí)別成功率較高，因此采用基于導(dǎo)數(shù)的QRS波群識(shí)別算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，采用此算法完全可以滿足后級(jí)處理要求。在后級(jí)處理中對(duì)各個(gè)波峰中間采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并計(jì)算出心電圖中的各個(gè)時(shí)間參數(shù)，如P-Q、Q-R時(shí)間等參數(shù)，可以作為實(shí)際診斷的重要依據(jù)。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)：(1)采用TI公司的超低功耗單片機(jī)MSP430和具有關(guān)閉模式的前端儀表放大器，使得兩節(jié)干電池供電的24小時(shí)不間斷采集成為可能。(2)用SD卡作為存儲(chǔ)設(shè)備并用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了文件系統(tǒng)，能方便地將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到PC機(jī)上，利于后端的數(shù)據(jù)處理和顯示。