基于 MSP430 的心电仪

基于MSP430的心电仪 深圳大学-德州仪器DSPs实验室 http://cie.szu.edu.cn/dsp 2008.03

概要 • Holter概述 • 基于MSP430的Holter功能模块概述 • 基于MSP430的Holter前端 • 心电产生的基本原理 • 心电图的基本波形 • 心电图的正常值及意义 • 病态心电图实例

Holter概述 1957年，美国物理学博士、实验物理学家Nor-man J.Holter发明AECG(动态心电图)，美国心脏协会把这种心电图长时间记录系统命名为Holter系统。 AECG英文全称Ambulatory Electrocardiograph。 AECG监测即在不影响日常生活的情况下长时间连续或间隙地记录心电图的方法。 Holter系统的主要构成: • 记录设备 • 回放分析系统

Holter设备分类： • 连续型记录器典型的记录时间为24-48小时，目前临床上使用最广泛。 • 间隙型记录器非连续记录，根据一定的触发条件开始记录，这类记录器又分为两类: a）循环采集记录器 b）事件记录器

Holter的主要用途: • 鉴别各种临床上暂时不能确诊的心律失常。 • 帮助诊断心肌病变。如:心肌梗塞、心肌炎、心绞痛及慢性冠状动脉供血不足等。 • 急性心包炎、缩窄性心包炎的辅助诊断。 • 提示心房、心室肥厚扩大的情况，从而协助临床诊断。

基于MSP430的Holter功能模块概述 系统以超低功耗微型控制器MSP430FG439为处理核心，并且该芯片集成了前端所需的OPA和A/D模块，为达到系统的超低功耗目标提供了必备条件，其系统功能如下： • 实现人体心电信号的采集、滤噪及放大； • 实现心电信号的长时间连续记录； • LCD液晶屏显示心率； • 系统集成有串口，JTAG，方便系统调试。

系统功能模块图

系统包括以下结构组成： • ECG前端：采用仪表放大器INA321对采集的心电信号进行放大，放大倍数为5倍。 • 电源管理：采用3V的锂电池供电。 • 时钟模块：由32.768KHz的晶振产生ACLK为系统时钟源。 • 系统调试：采样的心电信号可通过RS232在PC上显示。

超低功耗微型控制器MSP430FG439，其内部集成了综合运算放大器OPA、A/D转换等模块，USRAT，JTAG等接口，如MSP430FG43X 系列功能结构图所示： • 低工作电压：3V； • 应用MSP430FG439内部的OPA对ECG前端输入的心电信号进行100放大，心电共放大倍数Gain＝5×100，再对其进行12位的A/D转换；

MSP430FG439的运算放大器外接电阻和电容配置低通、高通滤波器，带宽约为1.6Hz-34Hz；MSP430FG439的运算放大器外接电阻和电容配置低通、高通滤波器，带宽约为1.6Hz-34Hz； • 计算心电信号的心率，并通过LCD驱动模块驱动LCD显示心率； • MSP430FG439集成USART端口，系统设置该端口为UART模式。

MSP430FG43X 系列功能结构图

系统工作流程图

基于MSP430的Holter前端 信号采集：本系统信号采用两个正方形金属片作为左右手接触电极，采集人体心电信号。

前端放大： • 心电信号心电是体表的弱信号，大概在0.1-5mv之间，频率范围大概在0.1-100Hz之间。信号采集首先需要将心电放大到cmos电平。 • 心电信号放大心电信号采集一般采用两级放大。第一级差分放大，大概放大5倍。然后滤波后第二级放大，大概放大100 倍。

Holter前端电路

前端放大电路原理： • 由于采集到的是弱信号且受到多种噪声的干扰，所以左右手指的信号通过差分放大器INA321来消除共模噪声，并放大5倍。 • 放大后信号通过MSP430FG439的OA0和OA1进行滤波和放大。 • OA0的输入和输出端之间接RC滤波器，提供34Hz的低通滤波器，且做为信号A/D转换前的反混叠滤波器。 • OA0的增益由两个电阻控制，G=100，信号共放大500倍。 • OA1输入和输出间接电容C＝100nF，其与R=1M构成约为2Hz的低通滤波器，对直流积分，加在INA321用于去除基线漂移。

心电产生的基本原理 首先看心脏及其传导系统解剖图 RA－右心房 LA－左心房 RV－右心室 LV－左心室

静息电位 心肌细胞未受到刺激（处于静息状态）时存在于细胞膜内、外两侧的电位差，称为静息电位。静息状态时细胞膜外排列一定数盘带正电荷的阳离子，细胞膜内侧排有相同数量带负电荷的阴离子，因此，膜外的电位高于膜内，膜内电位约为－90mV。这种以细胞膜为界，膜外呈正电位、膜内为负电位，并稳定于一定数值的静息电位状态，称为极化状态。

动作电位 心肌细胞在静息电位的基础上发生一次快速性的、可以可扩布性电位波动，称为动作电位。当细胞膜表面受到一定强度刺激时，膜通透性发生改变，膜外的阳离子大量进入膜内，于是膜内的电位高于膜外，由原来的-90mv达到+30mv左右，称为除极。发生去极化后，膜电位又恢复到原来的极化状态，称为复极。

心肌细胞保持静息状态时，因膜内、外电荷互不交流，并不产生心肌细胞保持静息状态时，因膜内、外电荷互不交流，并不产生电流；细胞膜外面任何两点之间的电位都相等，因而无电位差。但在除极或复极过程中，形成电位差，从而产生电流。

心脏位于体液之中，好像一个电池放在含盐溶液中一样，心脏心脏位于体液之中，好像一个电池放在含盐溶液中一样，心脏相当于一对电偶，每次激动所产生的电流，必然通过体液传导，在其周围形成一个心电场。由体表所记录到的电位强度与下列因素有关： • 与心肌细胞的数量成正比； • 与探查电极的位置和心肌细胞的距离的平方成反比； • 与探查电极的方位和心脏去极的方向所构成的角度有关，角度越大电位越小。 V=E×cosθ／（r×r）

心电图的基本波形 心电图反映了心脏兴奋（除极）的产生，传导和恢复过程中的生物电变化。心电图波形如下：

P波 P波代表左右心房除极的电位变化。心脏激动的起源为窦房结，最先传导至心房，所以在心电图中首先出现的是P波。 • Ta波 Ta波代表心房复极过程中产生的电位变化。经常被 QRS波所掩盖而无法看到，故一般心电图上看不到Ta 波。心电波形

QRS波群 QRS波群代表左、右两心室去极化过程的电位变化。典型的QRS波群包含三个紧密相连的波，第一个向下的波为Q波，其后向上的高而尖的为R波，继R波之后的一个向下的为S波。其波形和幅度变化也较大。 • T波 T波代表心室复极过程中的电位变化，T波的方向与 QRS波群的主波方向一致。心电波形

P-R间期 由P波起点到QRS波群开始之间的时间，代表自心房除极开始至心室除极的时间。在幼儿及心率较快的情况下，P-R间期相应缩短; 而经常进行体育锻炼的人，如职业运动员，其P-R间期较长。 • Q-T间期从QRS波群起点至T波终点之间的时间，代表心室除极开始至完全复极到静息状态的时间。这一间期的长短与心率密切相关。心率越快，Q-T间期越短;反之，则间期越长。心电波形

R-R间期 前后两个心电波形R波峰之间的时间，代表窦性心率的快慢。 • S-T段自QRS波终点至T波起点之间的线段，代表心室各部分己全部进入去极化状态。心室各部分之间没有电位差存在，因此又恢复到基线水平。心电波形

心电图的正常值及意义 P波：呈钝圆形，可有轻微切迹。P波宽度不超过 0.11s，振幅不超过0.25mv。 P波的振幅和宽度超过上述范围即为异常，常表示心房肥大。 Ta波：方向与P波相反，波幅很低，约为0.05- 0.1mv，持续时间为0.22-0.26s，经常被QRS波所掩盖而无法看到。在心电图里看到Ta波，常表示房室分离或高度房室传导阻滞。心电波形

QRS波群：正常成人为0.06-0.10s，儿童为0.04- 0.08s。 QRS波群时间延长，常表示心室肥大、心室内传导阻滞等。 T波：是一个波形圆钝、占时较长(0.05-0.25s)的波，T波的幅度不应低于R波的1/10。 T波低平或倒置，常表示心肌缺血、低血钾等。心电波形

P-R间期：一般成人P-R间期为0.12－0.20s。 P-R间期延长，表示激动通过房室交界区的时间延长，说明有房室传导障碍，常见于房室传导阻滞。 Q-T间期：正常成人的Q-T间期为0.32-0.44s。凡 Q-T间期超过正常最高值0.03秒以上者称显著延长，不到0.03秒者称轻度延长。 Q-T间期延长，常表示心动过缓、心肌损害、心脏肥大、心力衰竭、低血钙、低血钾、冠心病、Q-T间期延长综合征、药物作用等。心电波形

R-R间期：一般成人R-R间期为0.6-1.0s。 R-R间期小于0.6s，表示窦性心率过速；大于1.0s，表示窦性心率过缓；R-R间期不等，则表示窦性心率不齐。 S-T段：正常ST段上升不应超过基线0.1 mv,下降不应低于基线0.05mv。超过正常范围的S-T段下移，表示于心肌缺血或劳损等。超过正常范围的S-T段上移，表示急性心肌梗塞、急性心包炎等。心电波形

病态心电图实例 A图为窦性心动过速［心电图特征］a）频率> 100次／分b）其他波型值在正常范围内。 B图为窦性心动过缓［心电图特征］a）频率<60次／分b）其他波型值在正常范围内。

房室传导阻滞 ［心电图特征］ P－R间期超过正常最高限度（正常P－R间期的长短与心率、年龄有关），一般<0.20秒。房室传导阻滞［心电图特征］ P－R间期逐渐延长，直至脱落一个R波后，P－P间期缩短，继之又延长，周而复始。

心房肥大 ［心电图特征］ Ⅱ、Ⅲ导联P波高尖，电压≥0.25mV，常见于肺心病，该P波又称“肺型P波”。

基于 MSP430 的心电仪