一種便攜式心電監測儀的設計*

張亞君，余永紀，洪 明

(杭州電子科技大學電子信息學院， 杭州310018)

心血管疾病是威脅人類生命的主要疾病之一，心電圖(ECG)則是評價心臟功能的主要依據。而目前具有心電檢測、分析功能的設備價格不菲，而且主要是在醫院等醫療場所才有，個人監護使用很不方便。也有針對個人的便攜式產品，但一般僅能記錄、存儲心電數據而不帶分析功能[1-2]。

隨著電子技術的發展，器件性能大大提高，使開發一種便攜式、功耗低、容量大、具有分析能力的心電檢測設備成為可能。本文利用ARM Cortex-M3內核的32 bit單片機作為處理器，采用大容量SD卡作為存儲單元，開發出一套具有分析功能、性能強的心電檢測系統。

1 系統原理及構成

系統主要分為三個部分，包括心電信號采集模塊、數據存儲模塊和心電數據分析處理模塊。系統框圖如圖1所示。心電信號采集模塊主要由心電采集電路、信號放大電路、濾波電路和AD采樣電路組成。心電信號微弱且有較多干擾，因此對這一模塊的硬件和軟件設計都提出了更高的要求。

圖1 系統框圖

數據管理模塊主要完成數據的存儲與回調，采用大容量的SD卡來設計，并嵌入FAT文件系統。萬年歷時鐘給用戶提供時間信息，心電數據采集后以文件的形式存入以當前時間為命名的TXT文件中，這樣便于讀取和傳輸。心電分析處理模塊主要完成心電信號預處理、QRS波檢測及常見疾病分析，實時顯示處理結果及實現病情報警。用戶可通過鍵盤與LCD顯示與系統實現人機交互。

2 硬件設計

心電信號經放大電路和濾波電路處理后，由單片機完成AD采樣。放大電路采用TI公司的儀用放大器INA128設計，可以過到較高的共模抑制比。

心電信號進行軟件濾波和數據分析處理時的運算相當復雜，不僅要求運算速度快而且要求計算的精度高，這就使得CPU處理器的選擇顯得尤為重要。本系統選用Luminary Micro公司的LM3S1138單片機芯片作為CPU。該芯片是基于ARM Cortex-M 3內核哈佛結構，采用ARMv7-M架構的32 bit處理器，它擁有硬件除法單周期乘法的32 bit RSIC，運算速度快。內部有64 K單周期Flash， 16 KB單周期訪問的SRAM，可以在50 MHz的工作頻率下運行，這對提高數據運算的速度，實現算法的實時性有很大幫助。而且該芯片價格便宜、功耗低，片上外設豐富，不用另外設計電路便可以完成心電信號的AD采樣。

數據存儲模塊是整個系統的重要組成部分之一，本系統選用大容量SD卡作為存儲媒介，它讀寫速度快、尺寸小、而且安全性高[3]，能夠達到長時間監測的要求。 SD卡與單片機的接口電路如圖2所示。 SD卡的數據輸入、輸出管腳與單片機的SPI口相連，并由單片機提供SPI時鐘信號，用于同步單片機SPI與 SD卡之間的數據傳輸。檢測信號線CARD_INSER用于檢測卡是否插入。 SD卡的供電方式采用可控方式，其作用是為了防止SD卡進入不確定狀態時，可通過對卡重新上電使卡復位而無須撥出。可控電路采用P型場效應晶體管2SJ355，由CPU與CARD_POWER相接的管腳進行控制。

圖2 SD卡與單片機的接口電路圖

3 軟件設計

本監測儀接口較多，功能性強，軟件設計采用模塊化的設計思想。整個系統軟件包括系統初始化與自學習、濾波處理、QRS波檢測、心律失常檢測、SD卡讀寫和文件系統、波形結果顯示和界面設置等等。監測主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

3.1 系統初始化與自學習

設備上電后，首先要進行初始化。初始化過程包括CPU工作頻率、采樣頻率、SPI模塊、I2C模塊和AD模塊的設置等。此時信號采集模塊并未開啟，用戶可以通過管理界面對系統進行設置和數據管理。當需要進行心電采集時，再打開采電路，這樣可以大大降低功耗。心電檢測開啟后，在5 ～10 s內完成自學習。自學習是對個人心電特征參數的提取，包括心率、R波幅度等信息。這一過程與心電采集過程基本相同，都要完成AD采樣、濾波、數據處理及存儲等過程，只是不作疾病分析。自學習得到的心電特征參數將在以后的采樣、數據分析處理過程中不斷修正，使參數與實際特征參數相近。

3.2 數據處理

數據處理部分主要是完成QRS波的檢測和心律失常判斷。QRS波檢測的方法有很多，比較常用的有小波分析法與神經網絡法等[4]，但這種方法計算復雜，且實時性不易實現。經過計算心電數據的一階、二階差分發現[5-6]：ECG信號中一階差分的向下過零點和二階差分的極小值點與ECG信號中的R波是相對應的。在一階差分信號中， R波在一階差分信號中為QRS波群所對應的向下過零點，其值為負；Q波應為R波所在位置向前的第一個向上過零點，其值為正；S波為R波所在的位置向后的第一個過零點，其值為正。本系統是根據這一相對應的關系來設計的算法。

檢測算法實現的基本過程如下：信號采集后，對信號進行預處理，采用低通、高通濾波器組成帶通濾波器濾除基線干擾和工頻干擾。然后對該組數據進行一階差分和二階差分，找到二階差分極小值點，根據二階差分與 R波點的對應關系便可以定位出CEG信號的R波點。當然，第一次定位出的R波點不一定十分準確，可能存點噪聲點或漏檢點。為此，系統根據兩次心跳的時間不應小于200 ms和兩次心跳的時間不應大于平均心率的1.5倍進行去噪查漏檢測，然后根據QRS波幅值條件確定噪聲點和漏檢點。定位出R波點后，根據一階差分與QRS波的對應關系對CEG信號的QRS波進行精確定位。

為實現實時處理和保證數據分析處理期間AD采樣能夠實時響應，本系統建立了兩個數據緩沖區，以5 s為一個周期采用中斷的方式對兩個緩沖區數據進行輪番處理。采用這種方法會使數據分析有所滯后，但在判斷心律失常時需要與前后的心搏相結合，所以本心電檢測系統還是符合實時要求的。為了檢驗所設計的心電檢測算法的準確性，運用美國麻省理工的MIT-BIH心電數據庫進行了測試[8]，QRS波檢測平均準確率在99.5 %以上，說明算法的準確性是很高，能符合實際檢測的要求。

3.3 數據文件管理

3.3.1 文件系統

根據FAT文件系統的需要， SD卡上的數據按照其不同的特點和作用大致可分為5個不同的數據結構[7]，即主引導記錄(MBR)區、系統引導記錄(DBR)區、文件分配(FAT)表、文件目錄(FDT)表和數據(DATA)區。文件系統存儲的原理可用圖4來表示。系統以簇為基本單位為文件分配存儲空間，在創建文件時，自動為該文件創建一個由簇號組成的索引鏈，并以FF為結束標志。在讀寫文件時，在目錄項中查找與文件名相對應索引鏈的首簇號，在簇號對應的數據區讀取或寫人數據，然后通過查詢FAT區確定下一簇的簇號，直到文件結束。

圖4 文件存儲原理圖

3.3.2 數據文件管理

本系統的數據存儲、文件管理過程的流程圖如圖5所示。

圖5 文件管理流程圖

系統上電后，進行SD卡初始化和文件系統初始化，對文件系統進行掛載，然后通過底層驅動程序在SD卡上進行創建文件、讀寫文件和刪除文件等操作，從而實現文件的管理。在存儲數據時，以當前時間為文件名建立TXT文件，然后往SD卡寫數據進行數據存儲，從文件名便可以得到這段心電數據的時間信息，為醫療人員的進一步分析、病情掌握作參考。心電波形回調時，先讀取SD卡磁盤中的文件名，然后選擇要回調的文件進行讀數據操作，并可通過開始/暫停、停止鍵來控制波形回放的過程。刪除文件時選擇要刪除的文件后，系統自動尋找目標定位進行刪除操作。

4 結果及分析

除了利用數據庫進行測試外，在一定范圍內還進行了實際檢測測試。本文以處于如安靜、慢走和慢跑不同狀態下的測試者為對象進行測試，將監測儀的測試結果與計算機上的測試結果進行對比分析。由于并未出現象MIT數據庫中那種極端的數據，即使包含了小跑，準確率也達到了99.87%。處于安靜和慢走狀態下沒有誤檢，檢測效果令人滿意。實測數據如表1所示。

表1 實測ECG信號結果

5 結論

本文所設計的便攜式心電檢測儀，具有運算速度快、功耗低、實時準確的特點。采用大容量SD卡作為存儲媒介，嵌入文件系統將數據以文件的形式存儲，既能滿足用戶長時間監護的要求，同時又使數據移植處理更為方便。

算法通過 MIT-BIH心電數據庫以及實際的CEG數據檢測，平均準確率均能達到99 %以上，在一定范圍內還進行的實際檢測測試中，準確率也達到了99.87%，由此可見，所設計的監測儀滿足了心電實時、準確的檢測的要求。

[ 1] 楊俊春， 趙國良.便攜式心電圖儀的設計[ J] .應用科技，2003：37-39.

[ 2]Jose J.Segura， David Cuesta-Frau， Luis Samblas-Pena Mateo Aboy.A Microcontroller-Based Portable Electro-cardiograph Recorder[ J] .IEEE Transaction on Biomedical Engineering， 2004，51(9)：1686-1690.

[ 3] 曾鶴瓊.氣壓與心電相關數據采集系統的設計[ D] .中南民族大學， 2008：21-24.

[ 4] LIC， ZHENG C， TAIC.Detection of ECG Characteristic Points UsingWavelet Transforms[ J] .IEEE.

[ 5] 朱凌云，吳寶明.一種實時的動態心電圖R波檢測算法[ J] .中國醫療器械雜志， 2004， 28(2)：89-93.

[ 6] Hong Ming， Zhang Yajun.Portable ECG Measurement Device Based on MSP430 MCU[ C] //2008 International Conference on BioMedical Engineering and Informatics， 2008：667-671.

[ 7] 鄧劍，楊曉非，廖俊卿.FAT文件系統原理與實現[ J] .計算機與數學工程， 2005， (9)：105-108.

[ 8] 宋喜國，鄧親愷.MIT-BIH心率失常數據庫的識讀及應用[ J] .中國醫學物理學雜志， 2004， (4)：230-232.