1 简介
MIT-BIH心律失常数据库 (MIT-BIH Arrhythmia Database)是美国麻省理工学院 (MIT) 与波士顿贝丝以色列医院 (BIH)合作进行心律失常的分析和研究，系统总结成的数据库。该数据库4，每条是时长30分钟、二个导联的数据记录，都有权威专家加以注释。现在MIT-BIH心律失常数据库已经成为各国公认的心律失常数据库，也成为标准测试源，而在我国目前仍没有基于该数据库原始数据的模拟标准信号源。本设计利用MSP430单片机将数据库的数据记录转换成模拟信号输出，同时320×240的点阵式液晶显示信号的波形和注释，这样大大方便了心律失常诊断仪器的测试需要及观察需要。另外，本仪器还包括我国国家新的行业标准YY1079-200X（送审稿）中有关用于起搏器和心电监护仪等医疗仪器所必需的一些测试信号，如起搏脉冲试验波，T波抑制能力的试验波，以及正弦波、三角波和方波等。
2 总体设计
本信号源作为便携式系统，要求系统具有功耗
低、体积小、供电电压低等特点。因此，设计选取TI公司的低功耗型MSP430单片机，作为系统的控制单元。该系列单片机除了超低功耗这一特点外，还集成了多种功能模块，如多通道的10-14位的ADC和DAC、多个I/O端口、定时器、温度传感器以及丰富的中断功能和节电模式等，使得用一片MSP430芯片就能完成以前要用多个芯片组合才能完成的功能，大大地缩小了系统的体积，降低了成本。本设计选用的MSP430F439，包含了双通道12位DAC、6个I/O 端口、三个内置放大器等。 设计时，根据用户对键的操作，单片机内部12位DAC将输出不同的信号。MIT-BIH心律失常数据库的原始数据以“212”压缩格式存于Flash Memory中，由于数据量较大，故选取128MB的Flash Memory作为存储器。当需要输出数据库的心电信号时，单片机发出指令读取Flash中的压缩数据，经过解码后，送DAC输出和LCD显示。值得一提的是，本设计的DAC所输出的心电信号完全忠实于MIT-BIH心律失常数据库的原始数据，没有任何删减或增补，可作为标准的测试源。LCD液晶显示的内容，主要包括信号名称、导联名称、信号波形、波
采用MIT-BIH 心律失常数据库的信号源
文章编号：1671-7104(2007)06-0415-04
【作 者】【摘 要】【关 键 词】【中图分类号】【文献标识码】 【 Writers 】【 Abstract 】【Key words 】沈宇飞，赵燕，方祖祥
复旦大学电子工程系（上海，200433）
介绍了一种将MIT-BIH心律失常数据库的波形连同注释设计成信号源的装置。它在波形输出的同时，在液晶屏上显示信
号的波形和注释，从而方便了测试和观察。设计中还包含国家新的行业标准YY1079-200X中规定的一些测试信号。
MIT-BIH心律失常数据库；心电信号；MSP430单片机；液晶；闪存 R318.6A
SHEN Yu-fei, ZHAO Yan, FANG Zu-xiang
Department of Electronic Engineering, Fudan University, 200433
This paper introduces the design of a device which combines the waves with notes from standard MIT-BIH Arrhythmia
Database to generate a signal source. The device displays both waves and notes on LCD while the waves are being output, making things convenient for testing and observation. In addition, this generator includes some necessary test signals stated in our new National Industry Standard on Medical Instrumentation as well.
MIT-BIH Arrhythmia Database ，ECG ，MSP430, LCD, flash memory
收稿日期：2007-07-16
通讯作者：赵燕，Email: zhaoyan@fudan.edu.cn
基金项目：上海市重点学科建设项目资助，项目编号B112。
A Signal Generator Using Standard MIT-BIH Arrhythmia Database
形注释和显示时间等。系统框图如图1所示。
3 具体设计
3.1 主程序
主程序流程图如图2所示。开机后，系统会首先进行初始化，包括系统时钟频率设置、DAC相关设置、用于控制Flash Memory及键盘的I/O口设置、LCD液晶显示器初始化等。此后，系统自动进入默认状态，即DAC同步输出4记录中的第1条二个导联的信号，同时液晶也显示该条记录的二个导联的信号，并有导联名称、时间进度和注释等信息显示。然后，系统开始等待键盘输入。
3.2 键盘中断程序
用户通过键盘对系统进行操作。键盘采用中断处理方式，有键盘按下后，中断程序根据不同的按键对当前状态进行处理。描述状态的参数有：记录的条目号、导联名称、记录进度等。本系统一共设计了六个按键来实现输出的记录条目加一、条目减一、二个导联之间切换，记录进度快进、快退、复位至默认状态。
3.3 核心程序
输出和显示指定的状态是本系统的核心部分，无论是系统初始化进入的默认状态，还是键盘动作后进入的新状态，都要用到该部分程序。核心程序流程图如图3所示。
3.3.1 Flash Memory的读写控制
M I T-B I H心律失常数据库中的4心电信号，由12位ADC以360Hz的采样频率采集得到，每条记录包括2道导联的信号，每道包括约30分钟共650,000个采样显示点，4记录每条都达到1.85MB，所以需要一个较大容量的数据存储器。本系统选用Samsung公司容量128MB的Flash Memory 作为数据存储器。它的数据结构是以页为单位的，1 Page = (2 K + ) Bytes，1 Block = Pages，1 Device = 1024 Blocks。
在运行正式的程序之前，需要做一次准备工作。首先要将Flash Memory初始化，然后再将MIT-BIH心律失常数据库中的原始数据写入。正式的程序开始之后，需要不停地根据状态改变页地址，从而读取Flash里面的数据。本系统选用的Flash Memory是NAND类型的，在操作时对读写单位有所要求，例如，在擦除或写入数据的时候以Block为单位，而在读取数据的时候灵活性则相对较大，既可以以Page为单位，又可以以Byte为单位。
3.3.2 数据的解压缩
MIT-BIH心律失常数据库中的原始信号数据是以
图1 系统框图
Fig.1. The system's block diagram 系统初始化
进入键盘中断程序进入默认状态进入新的状态维持现有状态
键盘中断？
否
是
图2 主程序流程图
Fig.2. Flowchart of the main program
根据状态
（条目，导联，进度）
从Flash读取压缩数据
（信号数据，注释数据）
对数据进行解码
确保信号和注释同步
解码后的信号数据
直接送DAC输出
解码后的注释数据和
信号数据送LCD显示
图3 核心程序流程图
Fig.3. Flowchart of the core program
Flash Memory
K9F1GO8UOA
MCU
MSP430FG439
LCD
MPG1356-B1
Keyboard片内DAC输出电路
“212”格式存放的，即某一时刻的两道导联的两个由12位ADC采集得到的数据，被压缩存放在三个字节中，即第一道导联12位数据的低8位，存在第一字节中，高4位存在第二字节的前4位中；第二道导联12位数据的低8位，存在第三字节中，高4位存在第二字节的后4位中（X X X X X X X X，X X X X Y Y Y Y，YYYYYYYY）。在输出前，需要对此格式的数据进行解压缩，即将两个导联的数据分别提取出来进行重组，然后根据用户的选择由DAC输出。
MIT-BIH心律失常数据库中的原始注释数据将注释信息和时间信息压缩在一起，即某一时刻的注释和时间信息被存放于两个字节中。其中高6位是注释信息，低10位是时间间隔信息。所谓时间间隔，其实是每两个注释之间相隔的采样点数，根据360 Hz的采样频率可以还原出相对的时间。在输出时需要利用时间信息，确保注释与信号的输出保持同步。3.3.3 LCD显示控制
本系统采用的控制芯片为SED1335，分辨率为320×240的单色点阵式液晶。在DAC输出心电信号的同时，液晶屏幕上也显示两道导联信号的名称、波形、注释以及时间，方便用户测试的需要。
在系统初始化时，对液晶的初始化包括设置显示模式、显示区域、清除存储器等。这些工作是通过系统对控制芯片SED1335进行操作来实现的，根据显示类型（点或字符）或位置的不同，向液晶存储器的不同地址存放数据，波形或符号就能根据需要显示在屏幕上。
由于解压缩得到的数据都是离散的数据点，如果直接显示在液晶屏幕上，波形将由虚线形成，设计将相邻的两个点连成线以得到连续、清晰的波形。
本系统采用刷屏的显示方式，在显示新的波形时清除上一屏的波形，二者之间留有合适的空白予
图4（a）液晶屏显示的数据库中第100条记录Fig.4(a). Waveforms displayed on LCD (Record: No.100)
图4（b）DB Browser显示的数据库中第100条记录
Fig.4(b). Original waveforms displayed on DB Browser (Record: No.100)
图5（a）液晶屏显示的数据库中第102条记录Fig.5(a). Waveforms displayed on LCD (Record: No.102)
图5（b）DB Browser显示的数据库中第102条记录
Fig.5(b). Original waveforms displayed on DB Browser (Record: No.102)以区分。波形显示满一屏后，重新从屏幕左端开始显示。
4 结论与展望
系统调试已经完成，能够实现全部的预计功能，数据中断调用方便，可以作为测试诊断心律失常仪器的标准测试源。图4（a）和图4（b），图5（a）和图5（b）分别是液晶屏和MIT提供的专用工具DB Browser显示的对比情况。图4（a）和图4（b）显示的是数据库中第100条记录（No.100），二个导联分别是MLII和V5，注释“1”和“N”均表示正常心电（normal beat），“8”和“A”表示房早（atrial premature contraction），二者对应关系由MIT的WFDB Applications Guide提供。
图5（a）和图5（b）显示的是数据库中第102条记录（No.102），二个导联分别是V5和V2，注释
“12”和“/”表示起搏心电（paced beat）。
由二种显示对比可得出结论，本设计是正确、可行的。另外，本信号源还包含了我国国家新的行业标准YY1079-200X（送审稿）中有关用于起搏器和心电监护仪等医疗仪器所必需的一些测试信号。图6是起搏脉冲试验波波形：根据标准，这个波周期是1s，包含了一个幅度为2 mV、脉宽为2 ms的脉冲波作为校准信号，在此脉冲波后50 ms后有一个模拟心电QRS复合波，此波共历时100 ms、上升部分波形历时43.75 ms，幅度为0.875 mV，下降部分波形历时50 ms，幅度1 mV，其尾部已在等电位线下，再接着有一历时6.25 ms、幅度为0.125 mV的波形恢复到等电位线。在此模拟心电QRS复合波后，是1/2的正弦波来模拟T波，其幅度为0.2 ms，历时180 ms。
图7是T波抑制能力的试验波波形。图7（a）是参考QRS-T信号，共历时350 ms，其中的QRS波群模拟波历时100 ms，幅度为0.875 mV；模拟T波历时180 ms，幅度0.4 mV。图7（b）是高T波信号，模拟T波幅度升为1.2 mV，其它与图7（a）相同。
本信号源已用于复旦大学电子工程系心脏起博与电生理实验室的相关科研实验中。但是还存在一些问题，如对于便携式系统希望功耗尽可能小，还有下降的空间；经进一步的努力，系统的功能将更加完善。
参考文献
[1] http://www.physionet.org/physiobank/database/mitdb
[2] TI MSP430 Family User’s Guide
[3] Samsung K9F1G08U0A Datasheet
[4] EPSON SED1335 Series LCD Controller ICs Technical Manual，
MF1167-01
[5] 王颖, 张勇, 方祖祥. 以MIT-BIH Arrhythmia Database为标准数
据源的心率不齐的ECG模拟信号发生器. 中国医疗器械杂志, 2005, 29(5):346
图6 起搏脉冲试验波波形
Fig.6. Pacemaking pulse testing waveforms
图7 (a) 参考QRS-T信号(aＴ=0.4mV) Fig.7(a). Reference QRS-T signal (a
Ｔ
=0.4mV)
图7(b) 高T波信号(aＴ=1.2mV)
Fig.7(b). Tall T-wave signal (a
Ｔ
=1.2mV)
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