心脏刺激是心脏电生理检查的重要手段，在心动周期的某一时刻给予心脏一个或数个电脉冲刺激，观察心脏对刺激的反应，了解心脏的电生理特征，阐明心率失常的发生机理，从而指导临床诊断和治疗。刺激脉冲模式分为基础刺激和早搏刺激。早搏刺激可以在基础刺激的基础上发放，也可以在感知QRS波的基础上刺激^[4]。

1　多功能心脏电生理程控刺激仪的硬件设计

1.1　硬件结构框图

该程控刺激仪的硬件结构主要由主、从CPU89C55单片机、键盘扫描电路、体表心电检测放大电路、R波感知比较电路、脉冲发放电路、双通道D/A转换器、555振荡电路、ALARM信号产生电路、串行A/D转换器、电源电路、刺激通道控制电路、脉冲输出电路等组成，如图1所示^{[2] [3]}。

图1  程控刺激仪硬件结构框图

1.2　主要单元模块电路分析

（1）体表心电检测放大电路

电路最左边的1，2，3号接口分别接三个电极，这三个电极分别接在左右手和右腿上，这样就可以从RWAVE端输出心电波形。体表R波检测电路通常由前置放大电路，带通滤波器电路等组成。一般情况下，体表心电的幅度大约在1mv左右，频谱范围为0.05~100Hz。因为体表心电频谱的付里叶分析表明，体表R波的频谱范围为0~33Hz，体表T波的频谱范围为0~9Hz，体表P波的频谱范围为0~17Hz，故选择带通滤波电路的通频带为7.5~33Hz，可以有效地放大R波，同时抑制T，P波，避免因大T波或大P波引起的误感知，如图2所示。

图2  体表心电检测放大电路

（2）R波感知比较电路

主CPU将RSENSE发送给从CPU，从CPU再将此数据发送给D/A转换器，于是得到模拟信号RSENSE^[1]。将RSENSE和先前R波检测电路得到的RWAVE输入到以上电路进行比较就能得到R波中断信号R-INT，再将该信号同时发送给主从CPU，主CPU每接收到一个R-INT，就在显示屏上画一个脉冲，从CPU只在后三种模式下使用该信号。其中RSENSE的值可以通过键盘进行调整。R波在检测电路上引入了2.5伏直流漂移，所以在此对RSENSE也要加上2.5伏的直流偏移电压，两者比较产生低电平R-INT信号，如图3所示。

图3  R波感知比较电路

（3）双通道D/A转换器

主CPU把脉冲幅度和感知灵明度的数字量发送给从CPU，从CPU再将其发送给该D/A转换器，脉冲幅度信号V-PACE的地址为7EFFH，R波感知灵敏度信号RSENSE信号地址为7FFFH。该D/A转换器的基准电压为0.5伏，电压转换分辨率为0.2伏，转换上限为50伏^[6]，如图4所示。

图4　双通道D/A转换器

（4）脉冲发放电路

采用电容放电发放刺激脉冲。从CPU通过串口通信从主CPU那儿得到脉冲幅度的数字量，然后发送给D/A转换器，得到脉冲幅度控制的模拟量，输入到该电路。该模拟量通过放大器放大102倍，在三极管集电极产生一个与脉冲幅度相当的稳定电平。从CPU发送脉冲宽度PACE信号来控制脉冲发放，导通时，电容通过负载放电，输出负脉冲。四个稳压管起保护作用，使最高脉冲幅度不超过50伏。继电器用于电容的快速充电，每发送完一个脉冲，从CPU就发送一个低电平宽度为50ms的F-CHARGE信号对电容进行快速充电。在其它时间则通过10K电阻继续充电。

（5）刺激通道控制电路

该芯片的D0~D7口与从CPU的P1口相连，CHN-CS与P2.6口相连，其数据传输地址为0BFFFH，仪器正是通过该电路发送脉冲输出通道控制信号来控制脉冲输出通道^{[5] [6]}。

（6）脉冲输出电路

刺激通道控制电路发送CH-SELECT控制信号和AV-SELECT控制信号来控制两个继电器的通断，从而达到刺激通道选择的目的。

2　多功能心脏电生理程控刺激仪的软件设计

2.1　软件系统结构框图

多功能心脏电生理程控刺激仪的软件系统结构框图如图5所示。

图5　软件结构框图

2.2　各功能模块简介

（1）初始化程序

主CPU初始化液晶显示屏，设置初始工作模式。从CPU初始化内存及定时器，定义内存，并进入中断等待状态。

（2）显示程序

显示程序又分多个小程序，主要负责液晶屏上各种文字，符号，参数，变量 ，图形等的显示工作，首先要做模式判断，然后才能显示。

（3）键盘中断服务程序

当键盘上有键闭合时，中断服务程序判断键盘上闭合键的键号，然后进入该键的中断服务程序，修改相应的参数。每按一次键，整个屏幕就刷新一次，以保证数据的实时显示。若按下Burst，起博，开始，停止，确认键时，程序立即调用串口通信子程序。

（4）R波中断服务程序

对主CPU，每来一个R中断脉冲，就在液晶屏上画出一个脉冲。对从CPU而言，只有后三种模式需要R波中断信号，通过数R波中断脉冲的个数来决定何时发送S2或S3刺激。

（5）定时器中断程序

脉冲间期的长短控制以及定时模式下定时时间的控制主要由定时器倒计数产生中断并经过计算来控制。

（6）串口通信子程序

主要负责主从CPU间的通信，主CPU调用该程序就按顺序发送各参数，从CPU按顺序接收参数，并存放在相应的位置。

（7）脉冲发放程序

这是整个仪器的核心，先进行模式判断，然后进入相应模式的脉冲发放子程序发放脉冲。

3　结束语

多功能心脏电生理程控刺激仪的心电感知部分采用三电极导联，能够获得较好的心电信号。在该仪器的设计、调试过程中，我们曾采用过另一个R波感知电路，该电路用两个电极也能得到较好的心电信号，但信号较弱且不稳定，不能满足设计要求，因此换成三电极导联的电路。在此问题上还有待进一步完善，有望得到更好的心电感知电路。另外，多功能心脏电生理程控刺激仪还存在干扰问题，心电信号是一种相对微弱的电信号，很容易受到外界的干扰。该刺激仪可以自行去除主要来自于仪器使用的交流电网的工频干扰和患者呼吸引起的心电信号的低频漂移干扰，但对粘贴心电电极下的肌肉收缩时产生的肌电对心电信号的干扰，患者身体运动引起的心电信号的基线漂移，本心电刺激仪则无能为力。

参考文献

[1] 李建新；金印彬．基于MSP430的微功耗体外临时心脏起搏器的设计[J]．微计算机信息，2006，22（7-2），110-112．

[2] 胡兆阳；舒辉；谢余强．基于MSP430F149的网络心电系统设计[J]．微计算机信息，2005，21（7-2），82-83．

[3] 陈家胜；朱小松；单学明．智能仪器在线CRT显示的简单实现[J]．微计算机信息，2001，17（1），82-83．

[4]李忠杰编，实用食管法心脏电生理学[M]．江苏科学技术出版社， 2003年4月．

[5]薛钧义，张彦斌编．MCS-51/96系列单片微型计算机及其应用[M]．西安交通大学出版社，1997年．

[6]王建校等．51系列单片机及C51程序设计[M]．科学出版社，2002年4月．

项目经济效益：多功能心脏电生理程控刺激仪（以下简称刺激仪）主要用于心脏传导系统的电生理参数的测定和功能检查，为心率失常的诊断提供必要的依据。该刺激仪除了具有具有传统的刺激模式外，还需增加RS2+RS3刺激模式；具有较高分辨率的液晶显示屏，能够显示心电图和刺激脉冲，具有友好操作界面，方便用户使用；能够对显示的波形进行放大，缩小，冻结，回放控制；采用电池供电方式，使用方便快捷，并具有较高的安全性。由于该项目还处于研究阶段，尚未投入临床应用，暂无经济效益。但可以预见，该项目的临床应用必将取代传统的心脏程控刺激仪，带来较大的经济效益。

研究方法：采用了具有较高分辨率的液晶显示屏，并采用主从CPU，主CPU主要负责读取键盘输入以及完成液晶显示，用C语言进行程序开发，因为对实时性要求不高，存储空间也较大，因此采用C语言较为方便；从CPU主要负责各种模式下脉冲的发放，用汇编语言开发程序，因为汇编程序执行效率高，有利于脉冲发放的精确控制。主从CPU间采用串行通信方式。电路采用数模转换调整脉冲幅度，并用电容放电方式来发放脉冲，电路简洁可靠，能满足设计要求。