基于USB声卡的便携式心电检测装置的设计

2018-06-06何超文冯智毅广州医科大学附属第三医院医疗设备科广东广州510150

中国医疗器械信息 2018年10期

何超文冯智毅广州医科大学附属第三医院医疗设备科（广东广州 510150）

心电是反映心脏活动的电势变化，对诊断心脏功能具有重要参考价值[1,2]。随着便携式医疗设备概念日渐升温，便携式心电检测装置具有不错前景。然而，传统心电检测装置存在便携差、价格贵及扩展差等劣势，为使用者和科研者带来各种不便。随着电子技术的发展，开发更多便携性高、成本低和性能多样的设备成为可能。

因此，本文提出一种基于USB声卡的便携式心电检测装置的设计方案，以便携式计算机作为上位机，利用运放INA128作为信号调理模块的核心，结合USB声卡来完成心电信号的模-数转换的数据采集的功能，可实现心电检测的高性能和便携的要求，具有操作方便及低成本的优点。

1.系统框架

本装置采用模拟和数字分区设计，如图1所示主要由信号调理模块、USB声卡、电源模块及便携式计算机等4个部分构成。本装置以便携式计算机作为上位机，以声卡作为数据采集卡，通过C#上位机程序控制声卡实现信号的模-数转换，并完成信号显示及数据管理。此外，本装置把调理模块安装于金属屏蔽盒中，可减少工频干扰。

图1.本检测装置结构

2.硬件设计

2.1 USB声卡

本装置采用创新公司USB声卡替代传统数据采集卡，充分提高便携性。本声卡具有96kHz-24bits高精度采样、USB高速传输等特点，利用声卡LineIn端口完成心电信号模数转换。声卡具有体积小、低功耗及可移植性强等优点。

2.2 信号调理模块

为更好提取心电信号，从电极引出的心电信号先经过信号调理模块后，传至声卡LineIn 1端口完成模数转换。本模块电路如图2所示，由前置放大电路、滤波电路、右腿驱动电路及后级放大电路构成。根据心电检测的技术参数，本模块实现了约800倍放大、0.05～100Hz带通和50Hz陷波滤波，从而提高心电信噪比。

图2.信号调理模块电路

（1）前置放大电路

由于心电强度微弱，常淹没在强噪声中。本电路以运放INA128为前置放大主芯片，其具高输入阻抗1010Ω，高共模抑制比高达130dB及低噪声等优点[3]。如图2左上所示，记录电极ACT和参考电极REF分别连接INA128的差分输入端，心电先经过预处理电路，利用二极管实现限幅钳位保护，并用R-C实现采集抗混叠和消除高频噪声。信号预处理后至INA128放大，由芯片增益公式G=1+50 kΩ/RG，RG为两个3.3 kΩ精密电阻串联，增益约为8倍。

（2）右腿驱动电路

电生理信号采集常用右腿驱动技术减少人体共模信号，提高共模抑制比[4,5]。如图2左下所示，用电阻搭建的平均网络把人体共模电压引出后，经由运放OPA227组成的反向跟随器和电极RLD反馈到人体中，形成共模电压负反馈，从而减弱电极上共模电压输入[4,5]，提高共模抑制比。

（3）滤波电路

心电信号混有各种噪声需被滤除，根据心电信号有效频率为0.05～100Hz[6]，本电路用三片CMRR）构建陷波和带通滤波[7]。通过设置运放外围电阻电容参数，如图3中间所示，实现0.05～100Hz带通和50Hz陷波的滤波，有效滤除噪声，更好提取心电。

（4）后级放大电路

本电路采用运放OPA227实现同相放大约100倍和100Hz的R-C低通滤波。结合前置放大，实现总放大约800倍，幅毫伏级幅度心电调理为伏特级，达到声卡A/D转换的较优信号强度水平，使心电模数转换后的数据数字量能更好地进行数字信号处理。

图3.Visual C#上位机界面

2.3 便携式计算机

便携式计算机作为上位机，通过内设的C#上位机程序控制USB声卡，实现上下位机的数据传输、心电检测显示及数据管理功能。

2.4 电源电路

本电路采用计算机USB接口（5V、500mA）供电，满足调理模块的低功耗要求。本电路利用隔离芯片DCR010505、电压芯片LP2989和TPS60403，输出调理模块所需的±5V。这种设计可避免干电池使用时间短、电压转换及充电的电路庞大问题，并可减少工频噪声干扰。

3.软件设计

本装置选用Visual C#作为编程平台，采用多线程技术实现对USB声卡的控制，实现信号采集显示及数据管理。上位机界面如图3所示，从功能看主要分为心电记录及数据存储两个部分。

3.1 信号记录模块

本模块负责完成上位机与声卡间通讯，因两者间需频繁进行数据传输，则将微软公司提供的DirectSound底层函数重新封装为Record采集函数，结合USB高速传输，有效地接收声卡所采集的心电数据。

3.2 数据管理模块

本模块负责受试者信息建档，可保存个人信息、记录时间、检测波形和原始心电数据，并可打印相关数据。

4.装置测试

旨在验证本装置功能的可靠性，本文设计了一个三导联心电信号记录测试，按常规检测步骤，电极ACT接LF，电极REF接RA，电极RLD接右腿。本装置可在上位机中以txt文件存储所采集的原始心电数据，方便离线分析。对通过本装置所存储的心电数据，利用Matlab软件作离线数据处理，用plot工具画出心电波形，如图4所示。由图可见心电信号的主要成分波形，可证本装置能基本完成心电信号的采集和存储。