在这个由六部分组成的智能传感系列的第四部分中，我想讨论Holter监测仪的工作原理和实现。

心电图（ECG）以图形方式记录心脏的电活动和用于临床诊断的识别的生物信号。ECG传感器检测一段时间内每次心跳时电活动的微小变化。ECG测量基于心跳的规律性提供了对心脏功能的有价值的见解。图1显示了人体心脏的解剖结构和心电图信号的心跳波形。图2显示了5秒时间间隔内的心电图波形。

图1：心脏解剖结构和心跳的心电图脉冲

图2:5s以上心电图波形

Holter监护仪是一种便携式心电图记录设备，供患者佩戴。它在很长一段时间（至少24小时）内持续监测患者的心血管活动，以发现医生在短期就诊中无法诊断出的症状。Holter研究实验室于20世纪50年代发明了Holter监护仪，最初设计用于观察日常活动中正常心律的变化。近年来，它的应用已进一步扩展到检测起搏器故障、心率变异性研究和心脏异常症状的诊断。患者可以佩戴动态心电图监护仪作为可穿戴传感器进行远程监测。

当ECG信号的记录完成时（通常在24或48小时之后），医生执行信号分析。由于浏览如此长的信号非常耗时，因此在每个Holter设备的软件中都有一个集成的自动分析过程，可以自动确定不同类型的心跳、节律等。自动分析的成功与信号质量密切相关；质量本身取决于电极与患者身体的连接。如果电极没有正确连接，电磁干扰会影响ECG信号，并导致非常嘈杂的记录。如果患者快速移动，失真会更大，使信号很难处理。除了电极的附着和质量外，影响信号质量的其他因素还包括肌肉震颤、采样率和数字化信号的分辨率。高质量的设备提供更高的采样频率，以捕获数据中的更多信息。

图3显示了Holter监护仪的简化功能框图。由于心电图信号的幅度仅为几毫伏左右，因此需要一个特殊的低噪声放大器来对信号进行升压和滤波，以便通过模数转换器（ADC）进行适当的采样。每个通道的采样频率可以高达1000Hz，以获取用于诊断目的的详细信息。加速度计有助于将患者的身体运动与记录的ECG数据相关联。

图3：Holter监护仪的简化功能框图

Holter监护仪需要执行两项基本任务。第一项任务是记录具有良好质量的心电图数据，用于临床解释。心电图信号电压电平低至0.5至5mV，容易产生比实际情况更大的伪影。滤除噪声以确保正确的临床解释非常重要。

干扰ECG信号的强源噪声是人体的电容性干扰。该干扰电压可能高达2.4V，远高于ECG信号的值范围（0.02mV至5mV）。还存在电磁干扰，在电极上引起额外的电压。由于这些原因，前端放大器需要低噪声并且以具有高共模抑制比（CMRR）的差分模式工作。

另外两种类型的噪声源会破坏信号质量。第一种类型称为基线漂移。它是一种超低频率，由呼吸和身体运动引起。基线漂移可能会导致分析问题，尤其是在检查图1中的低频S-T段时。第二种类型是来自电源线的干扰，频率为50或60Hz。在日常活动中监测正常心律通常需要1-40Hz的带宽。带通滤波器将有效地减少这些噪声。

当试图诊断不太常见的症状时，可能对ECG数据有额外的要求。为了最大限度地减少滤波器对S-T波的影响，带通滤波器的低端频率必须达到0.1Hz。诊断其他症状需要高达150Hz的频率分量。Holter监测器噪声滤波器的采样率和参数必须是可调的，以确保记录的数据包含所需的信息。当带通滤波器窗口包括噪声时，在离线处理中将需要更先进的噪声滤波和消除。是我 第二项任务是提取基本的临床特征，以协助离线临床分析，并在患者感到异常时通知医生。最常见的特征包括有关心率、心率变异性（最大、最小和标准差）、节律概述和患者日记（记录患者按下事件按钮的瞬间）的信息。心跳信息来自R-R间期测量，包括R-R间期平均值、标准差和连续R-R间期之间的差值。另一项要求是起搏器检测和分析，这在检查起搏器功能是否正确时很有用。

由于Holter监护仪是一种长时间运行的可穿戴设备（一些现有产品在AA电池上可以运行长达96小时），因此低功耗是一个主要的设计目标。图4展示了Holter监护仪实现的功能框图。它基于TI的ADS1299 ADC和超低功耗MSP430FR5994微控制器。

图4：基于TI MSP430FR5994 MCU的Holter监护仪的功能框图

在框图中，ADS1294是一个四通道、低噪声、24位、同时采样Δ∑ADC，具有内置可编程增益放大器（PGA）、内部参考和板载振荡器。它包含了心电图应用程序通常需要的所有功能。ADS1294支持-110dB的CMRR，并以250SPS到16kSPS的数据速率运行。您可以使用激励电流汇点或源在设备内部实现引出检测。凭借其高水平的集成和性能，ADS1294能够以显著降低的尺寸、功率和总体成本创建可扩展的医疗仪器系统。在只需要两个输入通道的情况下，作为一种成本较低的解决方案，ADS1294可以被ADS1292取代。

ECG数据通过串行外围接口（SPI）端口传输到MSP430FR5994 MCU。为了提高处理效率，MSP430FR5.994直接存储器存取（DMA）将多个ECG通道的SPI数据保存到片上铁电随机存取存储器（FRAM）中的数据缓冲区。在累积数据块（例如，在1s的周期内）之后，中央处理单元（CPU）将把来自特定通道的数据安排到低能量加速器（LEA）RAM中的缓冲器中，用于滤波和其他处理。MSP430FR5994上有256KB的FRAM，有足够的空间存储数据和程序。FRAM的快速写入和读取速度使其不仅非常适合数据记录，而且是一种低速RAM，用于存储不太频繁使用的数据。

由于Holter监护仪是一种可穿戴设备，因此功耗是主要的设计问题。MSP430FR5994 MCU集成LEA模块，以超低功耗加速矢量数学运算，如有限脉冲响应（FIR）滤波。LEA模块在16MHz下运行时，在1024个数据点的块上应用256抽头FIR滤波器所需时间不到0.1s。它只消耗67µA/MHz。假设有四个ECG通道，LEA模块将花费大约0.4s来以每个通道1Ksps的采样率过滤在1s内收集的数据。LEA模块在这样的操作中平均仅消耗约0.4mA。

你对上面的讨论有什么看法？我想看看你的意见，以便我们能更好地为你的设计工作服务。

额外资源

如果您对许多已发表的搜索ECG数据中R峰值的算法感兴趣，请下载应用程序报告“使用MPS430G2xx在LaunchPad上实现基于心电图的心率监测器”。LEA模块支持最大和最小查找功能，可以减少查找R峰值的周期。

在《神经工程与康复杂志》的一篇文章“可穿戴传感器和系统在康复中的应用综述”中了解更多关于动态心电图监护仪的信息

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阅读“心电图数据分析的高级方法和工具”的第3章，心电图统计、噪声、伪影和丢失数据

下载《国际计算机应用杂志》的文章“心电信号的时间和频率探索”

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