以单片机作为MCU的心电监测系统设计与浅析

第一章 绪

随着生活水平的提高，人们对自身健康的重视程度日益提高。目前人口老龄化程度在逐渐加剧，心脏类疾病的患病几率也日益增加。心脏病发作的随机性和危险性，成为威胁人类健康的直接因素。临床研究证明，心脏病的防治手段主要体现在预防和保健，这就要求心脏病患者定期地做心脏病常规检查，及早发现致病因素，从而做好预防和治疗，因此需要患者经常出入医院等医疗机构，这给人们的生活带来了不必要的不便。而市场上现有的心电监测类医疗设备多应用于医院、社区等医疗机构的应用，而应用于家庭的监测设备有待研制。因此，设计一种面向家庭的心电实时监测系统具有重要的意义。

1.1 课题的研究背景及意义
心脏类疾病严重地威胁着人们的日常生活与工作，随着如今生活节奏的加快和日益增多的压力，心脏类疾病成为人们无法避免的杀手。因此心脏病的诊断与治疗是一项重要的国际课题，而这首先需要获取心脏病患者病态的心电图。心电图（Electrocardiogram，简称 ECG）是表征心脏病患者心脏状况重要依据，在临床应用上已经有百年的历史。尽管临床诊断技术越来越现代化，但心电图至今仍是临床诊断心脏疾病的重要辅助手段。心电图作为一种无创检查手段，经大量的临床医学研究，证明对心脏肥大、心肌梗塞具有重要的、决定性的诊断价值，对某些心脏疾病，如心肌炎、心包炎、药物中毒等所引起的心脏病变也具有良好的辅助诊断意义。
现如今主要应用的是常规心电图和动态心电图。常规心电图主要是记录患病者在静息状态下大约1分钟的心电信息，常见的是12 联记录，记录心脏由兴奋产生的电位变化，对患者发病当时的心律失常类型以及传导阻滞的诊断、心肌缺血、异常Q波的定位诊断、急性心肌梗塞等心电图改变以及动态衍变有不可代替的作用。但是，常规心电图记录的心电信息是静息状态下所取得的，而且时间短，不足以完整捕捉到心律失常的电位变化，降低了记录的正确率，尤其致使一些阵发性的心律失常患者得不到更及时的诊断和治疗。而动态心电图便可以在日常生活中24小时连续不间断的记录各种情况下的心电信息，可以实时的监测病人心脏情况，捕捉到异常的电位信息，尤其对症状较轻的患者，或者是偶感不适的患者，可以得到很好的效果。因为其症状只是一时的出现，维持几秒到十几秒时间，当再去医院或社区做常规心电图时便无法捕获异常心电，因为症状消失了，心脏活动恢复正常，心电信息也趋于平稳，最终无法准确诊治，而错过了最佳诊断治疗时机。
因此，研究动态心电图仪，尤其是面向家庭使用的监测系统尤为重要，它能够24 小时不间断提取患者的心电信号，不但可以为医生提供患者长时间、不同运动状态下的动态心电信息作为判断病情、制定针对性治疗方案的重要依据，还可以在患者心脏出现典型异常时立即报警，提醒患者或亲属及时采取急救措施，为就医争取宝贵时间。动态心电图仪已是临床上不可或缺的医用电子设备，所以本文旨在研究面向家庭的、低成本的、便携的心电实时检测系统。

1.2 国内外研究现状及趋势
上世纪五十年代末期，首先由美国物理学家Holter提出一种记录媒介为磁带的心脏病患者各种日常活动状态下心电信号连续、长时记录的思想，这一思路不但首创了心电信息全时间信息和全环境信息获取的新技术领域，还在一定程度上解决了常规静息心电图获取信息时间短、环境特定的不足之处。这种心电图记录技术称为动态心电图(Dynamic electrocardiogram简称 DCG，有时也称为 Holter)，它的显著技术优势是对诊断早期心血管病变、研究生物生理与心律失常关系、诊断各种典型心律失常、客观评价抗心律失常治疗方案的治疗效果等都具有非常重要的意义。1961年，DCG技术率先在美国用于临床应用，并以其在心电信息检测的技术优势和临床应用取得的良好效果，迅速广泛推广到世界各国。

    1.3 课题主要研究内容 ..............14
    1.4 论文的结构与安排 ..............14-16
第二章 心电图学的基本知识 ..............16-24
    2.1 心电导联体系 ..............16-19
    2.2 典型的心电信号波形及其意义 ..............19-21
    2.3 心电信号的特征 ..............21-22
    2.4 心律失常 ..............22-24
第三章 心电监测系统总体设计 ..............24-28
    3.1 系统整体设计原则 ..............24-26
    3.2 系统整体设计结构 ..............26-28
第四章 心电实时监测系统的硬件设计 ..............28-54
    4.1 模拟电路部分设计 ..............28-40
    4.2 数字部分设计 ..............40-51
        4.2.1 单片机选型及电路设计 ..............41-44
        4.2.2 模数转换电路设计 ..............44-46
        4.2.3 数据存储电路设计 ..............46-48
        4.2.4 液晶显示电路设计 ..............48-50
        4.2.5 接口电路设计 ..............50-51
        4.2.6 键盘电路设计 ..............51
    4.3 电源变换电路设计 ..............51-54
        4.3.1 3.3 V 电压电路设计 ..............52
        4.3.2 5V 电压电路设计 ..............52-54
第五章 心电实时监测系统的软件设计 ..............54-79
    5.1 心电信号采集及控制程序 ..............54-61
        5.1.1 中断系统 ..............55-56
        5.1.2 心电信号采集程序 ..............56-58
        5.1.3 液晶显示子程序 ..............58-59
        5.1.4 串口通信子程序 ..............59-61
    5.2 心电信号分析处理程序 ..............61-79
        5.2.1 心电信号预处理 ..............61-69
        5.2.2 心电信号分析 ..............69-79

结论和展望

6.1.结论
本论文提出了一种面向家庭的、便携的、智能化的心电实时监测系统的设计方法，较为全面地讨论和分析了系统硬件以及软件的设计。该系统以单片机作为心电监测系统的MCU，硬件部分实现心电信号的采集与变换，软件部分实现心电信号的显示、存储、传输以及心电信号自动分析等工作。

6.2.展望
本文完成了面向家庭的心电实时监测系统的设计和部分实验验证等主要工作。但由于时间有限等原因，也存在着一些需要进一步完善之处：
1．本文在数据传输上采取了较为传统的串行通行方式。如果采用USB传输方式，不但可以进一步提高传输速度，而且将令数据传输的稳定性更好一些。
2．无线网络通信是当代通信技术的主要发展方向之一，如果将有线数据传输方式改用无线数据传输方式，利用MSP430单片机丰富的外围模块可以方便实现。例如远距离的可以采用GSM、CDMA等，近距离的可以采用红外、蓝牙等传输。
3．可以对波形检测算法进一步优化，使其实时性、准确性和有效性进一步提高。算法的优化直接关系到系统诊断功能的完善和技术指标的提高，因此，是今后仪器改进的重要工作之一。