CN104510461A - 数字式全隔离心电信号采集降噪装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字式全隔离心电信号采集降噪装置，包括：心电信号采集放大单元、数字信号处理单元、数字隔离光耦和数字输出电路；本发明还提供了一种数字式全隔离心电信号采集降噪方法。本发明的装置利用数字信号处理单元将心电信号转换为数字信号，配合价格低廉的数字隔离光耦传递数字信号，在保证高信噪比的条件下，降低了成本；本发明的装置数字信号处理单元具有IIR滤波模块，不仅有效的降低工频和高次谐波噪声，提高信噪比，同时降低装置功耗；本发明的装置对信号进行了隔离，保证装置的安全使用。

Description

数字式全隔离心电信号采集降噪装置及其方法

【技术领域】

本发明涉及医疗仪器制造领域，具体涉及一种数字式全隔离心电信号采集降噪装置及其方法，降低心电信号噪声。

【背景技术】

随着社会的发展、科技的进步、生活水平的不断提高，人们的健康观念及保护健康的方式和途径都发生了深刻的变化，为适应当前社会发展需要，将当代高新技术与临床医疗相结合，已成为当今世界医疗领域的研究热点。

心电图作为一种无创伤检查手段，对心脏肥大、心肌梗塞及梗塞部位具有诊断价值，对心肌炎、心包炎等心脏疾病以及药物等引起的心脏病变具有辅助诊断意义，心电信号是心脏疾病临床评价的主要指标。心电信号一般比较微弱，频率为0.05～100赫兹，幅度一般从几百微伏到几毫伏，因此心电信号在采集的过程中极易受到内、外环境的干扰，主要的干扰不仅包括50赫兹的工频干扰，还包括提前生物电信号，如肌肉电信号、脉搏信号等。因此，对心电信号采集并消除噪声成为心电信号处理中亟待解决的问题。

现有技术中心电信号降噪主要采用以下三种方式：第一，传统模拟滤波电路：模拟前端采用传统仪表放大电路，放大后使用双T型滤波电路和工频滤波电路进行降噪处理，并用右腿驱动电路提高共模抑制比；第二，具有模拟隔离放大器的心电信号采集电路，如现有技术CN2703498利用模拟光耦元件隔离数据传送端与电源（包括模拟电源和数字电源），现有技术CN102485169A利用模拟光耦元件隔离模数两端；第三，数字滤波器：利用有限长单位冲击响应（FiniteImpulse Response，FIR）滤波器进行心电信号降噪处理。上述第一种现有技术中传统采集电路、模拟滤波器使用的模拟电子元件精度有限，导致所采集的心电信号质量不佳；上述第二种现有技术中的模拟光耦元件成本较高；上述第三种现有技术中FIR滤波器的陷波带宽较宽，表征信号所需的参数较多，计算复杂。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种数字式全隔离心电信号采集降噪装置及方法，提高信噪比，降低成本，同时实现低功耗。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

一种数字式全隔离心电信号采集降噪装置，包括：心电信号采集放大单元、数字信号处理单元、数字隔离光耦和数字输出电路，所述数字信号处理单元中嵌入模数转换模块、低通滤波模块及IIR滤波模块，心电信号被所述心电信号采集放大单元采集、放大后输出至所述数字信号处理单元，经由所述数字信号处理单元依次进行模数转换、低通滤波和IIR滤波处理后转换为数字信号，数字信号由所述数字信号处理单元的串行通信接口输出到所述数字隔离光耦，所述数字隔离光耦对数字信号进行隔离后输出至所述数字输出电路，所述数字输出电路输出降噪后的数字信号。

优选地，所述心电信号采集放大单元包括心电信号采集电极和心电信号放大电路。

优选地，所述心电信号放大电路为三级运算放大电路，包括依次连接的第一级运算放大电路、第二级运算放大电路及第三级运算放大电路，其中，所述第一级运算放大电路为双通道运算放大器，所述第二级运算放大电路为仪表放大器，所述第三级运算放大电路为电平抬升电路。

优选地，所述心电信号采集放大单元还包括用于提高共模抑制比的右腿驱动电路，所述右腿驱动电路的输入端输入用于克服人体承载的共模干扰信号，所述右腿驱动电路的输出端将信号反馈至所述心电信号采集电极的导联部。

优选地，所述装置还包括为所述数字式全隔离心电信号采集降噪装置供电的直流电源，所述直流电源为隔离电源。

优选地，所述数字信号处理单元为STM32L151VBT6型号的数字处理芯片。

优选地，所述的数字隔离光耦包括高速光耦、电阻R1和电阻R2，其中，所述电阻R1的一端为所述数字隔离光耦的数字信号输入端，其和所述数字信号处理单元的数字信号输出端连接，所述电阻R1的另一端连接所述高速光耦的输入端；所述高速光耦的输出端与所述电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端接地。

优选地，所述数字输出电路为SP3232型号的芯片。

本发明还提供了一种数字式全隔离心电信号采集降噪方法，包括如下步骤：

步骤1，心电信号的采集放大：

心电信号通过采集后，经心电信号放大电路处理，得到放大的心电信号；

步骤2，心电信号的数字处理：

对所述放大的心电信号依次进行模数转换处理、低通滤波处理和IIR滤波处理，得到数字信号；

步骤3，数字信号的隔离、输出：

对所述数字信号进行隔离处理，得到隔离后的数字信号，再经数字输出电路输出至上位机。

优选地，所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤a：对数字信号处理单元的输入和输出、串行通信接口波特率进行初始化，设定模数转换结果寄存器及串行通信接口缓冲区大小，设定模数转换采样频率；

步骤b：模数转换模块将所述放大后的心电信号进行模数转换，存入所述模数转换结果寄存器；

步骤c：检测所述模数转换结果寄存器是否达到最大存储值，如达到，将所述模数转换结果寄存器中的数据进行低通滤波处理和IIR滤波处理，得到数字信号；

步骤d：将步骤c所得数字信号通过串行通道接口进行发送，其后返回步骤c。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明的装置利用数字信号处理单元将心电信号转换为数字信号，配合价格低廉的数字隔离光耦传递数字信号，在保证高信噪比的条件下，降低了成本；本发明的装置数字信号处理单元具有IIR滤波模块，不仅有效的降低工频和高次谐波噪声，提高信噪比，同时降低装置功耗；本发明的装置对信号进行了隔离，保证装置的安全使用。

【附图说明】

图1是本发明实施例1的数字式全隔离心电信号采集降噪装置的结构框图；

图2是本发明实施例1的心电信号采集单元结构示意图；

图3是本发明实施例1的心电信号采集放大单元的心电信号放大电路的电路图；

图4是本发明实施例1的右腿驱动电路的电路图；

图5是本发明实施例1的数字信号处理单元的电路图；

图6是本发明实施例1的数字隔离光耦的电路图；

图7是本发明实施例1的数字输出电路的电路图；

图8是本发明实施例1的数字式全隔离心电信号采集降噪装置的功能原理图；

图9是本发明实施例2的方法流程图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明实施例1提供了一种数字式全隔离心电信号采集降噪装置，如图1所示，该装置包括：心电信号采集放大单元1、数字信号处理单元2、数字隔离光耦3和数字输出电路4，其中，数字信号处理单元2中嵌入模数转换模块21、低通滤波模块22、IIR滤波模块23，数字信号处理单元2还包括模数转换输入端、以及串行通信接口24。

请参阅图2所示，心电信号采集放大单元1包括心电信号采集电极11和心电信号放大电路12，其中，心电信号放大电路12为三级运算放大电路，包括依次连接的第一级运算放大电路121、第二级运算放大电路122、第三级运算放大电路123，请参阅图3所示，在本实施例中，第一级运算放大电路121为双通道运算放大器，采用OPA2337芯片；第二级运算放大电路122为仪表放大器，采用AD8220芯片；第三级运算放大电路123为电平抬升电路，采用AD8613芯片。另外，心电信号采集放大单元1还包括右腿驱动电路13，用于提高共模抑制比，右腿驱动电路13的输入端输入用于克服人体承载的共模干扰信号，右腿驱动电路13的输出端将信号反馈至心电信号采集电极11的导联部。本实施例中右腿驱动电路13的电路图如图4所示，采用OP2177运算放大器组成，电阻R4、R5，电容C6均为常用的右腿驱动电路所需电阻值，其中，R4为500K，R5为900K，C6为68pf。

本实施例的数字信号处理单元2采用STM32L151VBT6型号的数字处理芯片，该芯片自带12位高精度模数转换模块，足够支持8通道心电采集，且该芯片属于STM32L系列，处理能力优越，完全满足数字滤波所需的MCU处理能力。如图5所示，该芯片的12、13脚连接外部8M高频晶振及R62，C68，C69；23～26脚及29～32脚作为心电信号的模数转换输入端，14脚接电阻R57，R58，电容C70，组成复位键；94脚与电阻R59连接，为BOOT口；6、59、75、100、28、11管脚接电源；10、27、49、74、99脚均接地；81管脚为串行通信接口输出端，将数字信号输出到数字隔离光耦的输入端。

请参阅图6所示，本实施例的数字隔离光耦3包括高速光耦31、电阻R1和电阻R2，其中，电阻R1的一端为数字隔离光耦3的数字信号输入端，与数字信号处理单元2的数字信号输出端连接，电阻R1的另一端连接高速光耦31的输入端；高速光耦31的输出端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接地。数字隔离光耦3接收数字信号处理单元2输出的数字信号并将其隔离后输出至数字输出电路4的数字隔离输入端，得到由数字输出电路4的数字信号输出端输出的降噪后的数字信号。

请参阅图7所示，本实施例的数字输出电路4为SP3232型号的芯片，11管脚为数字隔离输入端；电容C1、C2、C3、C4、C5均为外围电路所需电容；14管脚TX1与电阻R3连接，为数字信号输出端，将数字信号输出至上位机；15管脚接地，16管脚接电源。

另外，本实施例的装置还包括直流电源，为整个数字式全隔离心电信号采集降噪装置供电，该直流电源为隔离电源，电压较低，且与人体表相接触时不会产生较大的电流，提高装置的安全性。

本实施例的装置的工作原理：请参阅图8所示，心电信号被心电信号采集放大单元1采集并经心电信号采集放大单元1放大后输出至数字信号处理单元2的模数转换输入端，由数字信号处理单元2的模数转换模块21、低通滤波模块22、IIR滤波模块23分别对心电信号进行模数转换、低通滤波和IIR滤波处理，将心电信号转换为数字信号，再由数字信号处理单元2的串行通信接口24输出到数字隔离光耦3的数字信号输入端，数字隔离光耦3对数字信号进行隔离后输出至数字输出电路4的数字隔离输入端，得到由数字输出电路4的数字信号输出端输出的降噪后的数字信号。

实施例2

本发明实施例2提供了一种数字式全隔离心电信号采集降噪方法，用实施例1的数字式全隔离心电信号采集降噪装置进行心电信号采集降噪，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，心电信号的采集放大：

心电信号通过采集后，经心电信号放大电路处理，得到放大的心电信号；

步骤S2，心电信号的数字处理：

将步骤S1所得放大的心电信号先进行模数转换处理，然后进行低通滤波处理和IIR滤波处理，得到数字信号；

步骤S3，数字信号的隔离、输出：

将步骤S2所得数字信号以数字形式传输，对其进行隔离处理，得到隔离后的数字信号，再经数字输出电路输出至上位机。

进一步地，所述步骤S2具体包括如下步骤：

步骤S201：对数字信号处理单元的输入和输出、串行通信接口波特率进行初始化，设定模数转换结果寄存器及串行通信接口缓冲区大小，设定模数转换采样频率；

步骤S202：模数转换模块将放大后的心电信号进行模数转换，存入模数转换结果寄存器；

步骤S203：检测模数转换结果寄存器是否达到最大存储值，如达到，将模数转换结果寄存器中的数据进行低通滤波处理和IIR滤波处理，得到数字信号；

步骤S204：将步骤S203所得数字信号通过串行通道接口进行发送，后返回步骤S203。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种数字式全隔离心电信号采集降噪装置，其特征在于，所述装置包括：心电信号采集放大单元（1）、数字信号处理单元（2）、数字隔离光耦（3）和数字输出电路（4），所述数字信号处理单元（2）中嵌入模数转换模块、低通滤波模块及IIR滤波模块，心电信号被所述心电信号采集放大单元（1）采集、放大后输出至所述数字信号处理单元（2），经由所述数字信号处理单元（2）依次进行模数转换、低通滤波和IIR滤波处理后转换为数字信号，数字信号由所述数字信号处理单元（2）的串行通信接口输出到所述数字隔离光耦（3），所述数字隔离光耦（3）对数字信号进行隔离后输出至所述数字输出电路（4），所述数字输出电路（4）输出降噪后的数字信号。

2.根据权利要求1所述的数字式全隔离心电信号采集降噪装置，其特征在于，所述心电信号采集放大单元（1）包括心电信号采集电极和心电信号放大电路。

3.根据权利要求2所述的数字式全隔离心电信号采集降噪装置，其特征在于，所述心电信号放大电路为三级运算放大电路，包括依次连接的第一级运算放大电路、第二级运算放大电路及第三级运算放大电路，其中，所述第一级运算放大电路为双通道运算放大器，所述第二级运算放大电路为仪表放大器，所述第三级运算放大电路为电平抬升电路。

4.根据权利要求2所述的数字式全隔离心电信号采集降噪装置，其特征在于，所述心电信号采集放大单元（1）还包括用于提高共模抑制比的右腿驱动电路，所述右腿驱动电路的输入端输入用于克服人体承载的共模干扰信号，所述右腿驱动电路的输出端将信号反馈至所述心电信号采集电极的导联部。

5.根据权利要求1所述的数字式全隔离心电信号采集降噪装置，其特征在于，还包括为所述数字式全隔离心电信号采集降噪装置供电的直流电源，所述直流电源为隔离电源。

6.根据权利要求1所述的数字式全隔离心电信号采集降噪装置，其特征在于，所述数字信号处理单元（2）为STM32L151VBT6型号的数字处理芯片。

7.根据权利要求1所述的数字式全隔离心电信号采集降噪装置，其特征在于，所述的数字隔离光耦（3）包括高速光耦（31）、电阻R1和电阻R2，其中，所述电阻R1的一端为所述数字隔离光耦（3）的数字信号输入端，其和所述数字信号处理单元（2）的数字信号输出端连接，所述电阻R1的另一端连接所述高速光耦（31）的输入端；所述高速光耦（31）的输出端与所述电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端接地。

8.根据权利要求1所述的数字式全隔离心电信号采集降噪装置，其特征在于，所述数字输出电路（4）为SP3232型号的芯片。

9.一种数字式全隔离心电信号采集降噪方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1，心电信号的采集放大：

心电信号通过采集后，经心电信号放大电路处理，得到放大的心电信号；

步骤2，心电信号的数字处理：

对所述放大的心电信号依次进行模数转换处理、低通滤波处理和IIR滤波处理，得到数字信号；

步骤3，数字信号的隔离、输出：

对所述数字信号进行隔离处理，得到隔离后的数字信号，再经数字输出电路输出至上位机。

10.根据权利要求9所述的数字式全隔离心电信号采集降噪方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤a：对数字信号处理单元的输入和输出、串行通信接口波特率进行初始化，设定模数转换结果寄存器及串行通信接口缓冲区大小，设定模数转换采样频率；

步骤b：模数转换模块将所述放大后的心电信号进行模数转换，存入所述模数转换结果寄存器；

步骤c：检测所述模数转换结果寄存器是否达到最大存储值，如达到，将所述模数转换结果寄存器中的数据进行低通滤波处理和IIR滤波处理，得到数字信号；

步骤d：将步骤c所得数字信号通过串行通道接口进行发送，其后返回步骤c。