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BMD101便携式心电检测仪

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简介:利用BMD101芯片,这是一款专为生物电信号设计的高精度模拟前端芯片,具有极低的噪声和高度的信号稳定性,非常适合用于心电信号的采集。它相较于传统的多导联具有更小的体积以及更加精准的数据采集。
星火计划2024
开源协议:CC BY-NC-SA 3.0(未经作者授权,禁止转载)
创建时间:2024-04-24 10:20:07更新时间:2024-07-04 09:24:18

描述

项目背景

随着健康意识的提高和医疗技术的快速发展,心电图(ECG)监测在心脏疾病的预防和诊断中变得越来越重要。传统的心电监测设备通常体积庞大且价格昂贵,限制了其在日常生活中的普及和使用。为了满足人们在日常生活中对便携式、经济实用的心电监测设备的需求,BMD101便携式心电检测仪它具有更为便捷的双导联连接线,作为与人体测量的方式更加的方便,相较于传统的多导联更具有稳定性和便携性。本项目设计成本低,效果较于以往的测量数据更为精准

 

项目进度

进度1:通过上位机显示相关数据,与电脑进行连接实现波形显示(本版本已实现)

进度2:通过单片机再处理相关数据,并做好相关屏幕显示心电数据以及心电相关数据(待实现)

 

项目方案

从医学角度来看,人体心脏由左心房、右心房、左心室和右心室组成。心脏的基本单位是心肌细胞,当这些细胞受到刺激时,会产生电位变化,进而引发兴奋。这种兴奋首先在右心房中传播,导致右心房收缩,随后传导到左心房,引起左心房的收缩。接下来,兴奋通过结间束传递到房室区,然后经由左右束和房室束传导至心脏内膜,最终到达心脏外膜,完成整个心脏的起搏、收缩和舒张过程。心脏每一次完整的跳动称为一个心动周期,在心电图上表现为一系列波形,包括P波、Q波、R波、S波、T波和U波。每个波形和间期都有其特定的幅度、时间和形态特征,这些特征在心脏疾病的诊断中起着关键作用。 下图为正常心电波形数据。

P波:代表了心电波的开始,在心房除极时所产生的心电波,也就是心脏开始除极,一般情况下P波的时间宽度应小于0.11s,其幅度为0至0.3mv。

QRS波群:它代表着左右心室除极过程中电位的变化过程,所以它是心室除极时所产生的心电波。QRS波它包含了一个稍向下的Q波,振幅最高的R波和一个稍向下的S波,正常情况下QRS波的持续时间小于0.1s,QRS波群是判断心脏疾病的重要波形。

T波:它由心室复极所产生。它是S波之后凸起的波形,T波相对其他波形来说较平缓,但是宽度比QRS波的宽度要宽。T波幅值一般在R波幅值的十分之一左右,宽度应小于0.25s。

PR间期:PR段是P波结束到QRS波的开始的这段时间,刺激通过心房的心肌细胞传导至心室,这段过程就是PR间期刺激传导的过程。一般可以作为等电位电平点参考线。

ST间期:ST段是QRS波的结束到T波开始的这一段时间,心肌梗死、心肌缺血会引起这段时间的信号波形的异常变化,所以ST段对于心机梗死和心肌缺血有重要的病症判断。

TP间期:它表示心室除极完成的时刻直到下一个心电周期P波到来的周期。这段时间为心室的静止时期,常作为心电的等电位电平基准线。

U波:它是继T波之后出现的一个细小的波峰,在所要监测的导联中一般检测不出来,低血钾情况下U波的波形会比较明显 ,本项目暂不考虑。

 

BMD101:BMD101是NeuroSky(神念科技)的第三代生物信号检测和处理的片上设备。它具有先进的模拟前端电路和灵活强大的数字信号处理结构。它可以采集从uV到mV的生物信号,然后经过Neurosky的专利算法处理。 低噪音放大器和ADC模数转换器是BMD101模拟前端的主要组成部分。

BMD101具有极低的系统噪声和可控增益,因此可以有效地检测到生物信号,并使用16位高精度ADC模拟数字转换器把它们转化成数字信号。模拟前端还包含一个检测感应器脱落的电路。 BMD101的核心是一个功能强大的系统管理单元。它负责整体系统配置、运行管理、内外通讯、专有算法计算和电源管理。

BMD101还配有固化DSP数字信号处理模块来加速对系统管理单元监控下的各种数字滤波的计算。 

 

设计原理

通过观察正常的心电波以及结合BMD101的特性,硬件设计方案如下:

为实现心电的采集,本次前端采集采用的是带有电极的导联线,并且使用心电电极贴组成的。

前端采集设计原理,在本电路中,H1和H2用于焊接导联线的导线,再BMD101进行处理后TX发送出去。在前端的采集需注意的电源的处理,要对GNDA和GNA的两个地做好处理,避免模拟信号和数字信号的相互干扰。

因为BMD101供电为3.3V,其余电路为5V供电,为了防止电位的不等导致数字信号传输的问题,这里需要使用数字隔离,使用数字隔离不仅可以把数字信号稳定的传输回上位机,也可以保护前端采集人体接触的保护。本数字隔离可以更换其他隔离芯片,USB转UART部分,也可以采用其他芯片,CH340等均可。IDO部分需采性能稳定和低纹波的芯片,避免电源纹波大等问题导致信号采集造成干扰。

PCB部分需要主要3个地的处理和铺铜。

 

软件说明

此版本的软件部分主要自制上位机显示相关心电数据,采用QT和Python进行编写,软件主要加入了信号的提取,处理和滤波等等。本版本不再赘述相关代码。

 

实物展示

 

按照设计焊接后即可使用,接入电脑后需要安装FT232系列插件,否则读取不到。

使用时直接将两片电极贴在左胸和右胸,或者左手和右手手腕均可采集。

通过此数据可做医学初诊的参考。

 

注意事项

在设计过程可以多加电源滤波,做好滤除电源噪声。

 

设计参考

心电监护方案_bmd101-CSDN博客

BMD101心电详解-CSDN博客

[1] 骆方正 蒋明峰 张鹏. 基于BMD101可穿戴式心电监测系统设计 [J]. 电子测量技术, 2021年  

其他

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设计图

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