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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 。

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基于 MSP430 的心电仪

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 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。

  6. 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。

  7. 系统功能模块图

  8. 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。

  9. 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；

  10. 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。

  11. MSP430FG43X 系列功能结构图

  12. 系统工作流程图

  13. 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。

  14. 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。

  15. Holter前端电路

  16. 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 。

  17. 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

  18. 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 。

  19. 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。

  20. 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。

  21. 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）

  22. 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：

  23. 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

  24. 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

  25. 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

  26. 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

  27. 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

  28. 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

  29. 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

  30. 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

  31. 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。

  32. 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。

  33. 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”。

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