一種基于ARM的心電監護系統的設計及相關研究

摘 "要： 心電圖（ECG）作為心臟監護的手段和方法，在心電監護中受到重視。在此提出了一種基于ARM的心電監護系統的設計，其中心電數據處理單元采用ARM7TDMI?S內核的LPC2400系列32位處理器進行設計，采用無線連接和無線收發的通信手段，及多樣化的接口實現系統網絡設計，同時對近年來心電監護系統的現狀進行了研究。實驗結果表明該設計成本低，易擴展，具有較高的可行性，現實性和操作靈活性。

關鍵詞： 心電圖; ARM; 心電監護系統; ARM7TDMI?S; LPC2400

中圖分類號： TN710?34 " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）06?0122?04

Design and correlational research of ECG monitoring system based on ARM

MENG Xun

（College of Electronic amp; Information Engineering， Xi’an Technological University， Xi’an 710032， China）

Abstract： Electrocardiogram （ECG） as a means of heart care monitoring is paid attention. A design of "electrocardiograph monitoring system based on ARM is proposed. The 32?bit processor in ARM7TDMI?S kenel LPC2400 series is adopted in design of ECG data processing unit. The wireless connectivity and wireless transceiver are used to realize convenient communication. The system network design is realized by a variety of interfaces. The status of ECG monitoring system in recent years is studied. This design has the characteristics of low cost， easy extension， high feasibility， high practicability and operation flexibility.

Keyword： electrocardiogram; ARM; ECG monitoring system; ARM7TDMI?S; LPC2400

0 "引 "言

心血管疾病作為威脅人類生命安全的疾病之一，其救治受到重視。由于心血管疾病發作的突然性，對其進行預防具有重要的地位。作為心臟監護的手段和方法，心電圖（ECG）由于在心臟監護和診斷的重要地位和作用，心電圖監護受到越來越多的重視。目前隨著醫療的信息化、現代化方向發展，心電圖作為一項常規檢查，是就診病人必查的項目之一。

由于心電信號的復雜性，抽象性，和特殊價值[1]，病人心電圖數據不斷累積，臨床和研究帶來很大不便，數字化心電圖機及心電圖監護系統為心電數據的信息化管理[2]提供了可能。一種成本低，功耗低，易擴展，可行性和現實性較高，操作靈活的心電監護系統成為現實要求，基于ARM的心電監護系統就是為解決這個問題而產生的。

普通的心電圖反映當時的心電活動狀況，而心電監護連續實時的監測心電活動狀況。普通的心電圖一般通過傳統的體表12導聯心電圖儀[3]，心電監護有24 h動態心電圖[4]。傳統的12導聯心電圖儀不能連續地實時進行監護，而24 h動態心電圖有體積大，價格昂貴，移動不便等缺點。因此一種設計更簡單、功能全、使用更方便的心電圖監護系統的出現具有重要意義。本文提出了一種基于ARM的心電監護系統的硬件與軟件設計，該設計采用ARM7TDMI?S內核的LPC2400系列處理器。

1 "系統設計

1.1 "系統設計介紹

本系統提出一種心電監護系統的解決方案。 該心電監護系統具有低成本，功能全、使用方便，易擴展的功能要求，無線連接和無線收發，并具有初步信號處理和自動診斷功能。

1.2 "系統結構圖

如圖1中PART1所示，系統通過心電終端采集心電數據，顯示，存儲，并傳向科室PC服務器進行心電信號的分析和診斷。更進一步的系統擴展可以與遠程醫療服務中心（圖1中的PART2）進行信息交互。

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圖1 心電監護系統

2 "硬件設計

2.1 "心電終端[5]

2.1.1 "心電產生原理

心肌細胞膜是半透膜，靜息電位時，膜外排列著一定數量的陽離子，膜內排列著相同數量的負離子，膜外電位高于膜內電位，稱為極化狀態。靜息狀態下，由于心臟各部位心肌細胞都處于極化狀態，沒有電位差，電流記錄儀描記的電位曲線平直，即為體表心電圖的等電位線。心肌細胞在受到一定強度的刺激時，細胞膜通透性發生改變，大量陽離子短時間內涌入膜內，使膜內電位由負變正，這個過程稱為除極。除極的最終目標是使極化膜變成外負內正的狀態，膜電位從-90 mV反轉為+30 mV。對整體心臟來說，心肌細胞從心內膜向心外膜順序除極過程中的電位變化，由電流記錄儀描記的電位曲線稱為除極波，即體表心電圖上心房的P 波和心室的QRS波。細胞除極完成后，細胞膜又排出大量陽離子，使膜內電位由正變負，恢復到原來的極化狀態，此過程由心外膜向心內膜進行，稱為復極。同樣心肌細胞復極過程中的電位變化，由電流記錄儀描記出稱為復極波。由于復極過程相對緩慢，復極波較除極波低。心房的復極波低、且埋于心室的除極波中，體表心電圖不易辨認。心室的復極波在體表心電圖上表現為T波。整個心肌細胞全部復極后，再次恢復極化狀態，各部位心肌細胞間沒有電位差，體表心電圖記錄到等電位線。除極和復極的過程就是心肌細胞動作電位形成的過程。動作電位被人為分為0相、1相、2相、3相和4相，分別對應QRS波、J波、ST段、T波和之后的等電位線。

體表任何區域都可以記錄到心臟的點活動。記錄心電流的方法是將電極安置在身體不同部位，將電極連接到心電圖機的正負兩極，心電流進入電流計再返回人體，構成一個完整回路。對接收到的心電流進行處理以直觀的圖形輸出得到日常的心電圖。

2.1.2 "采集電路和矯正映射

心電信號的采集可以通過在心電流回路中串接電阻，測量電阻兩端的電壓信號來獲得心電信號。

本文以12導聯的連接方式，通過12導聯的標準心電圖機對獲得的心電信號進行矯正。對應不同的心動周期，在時間軸上建立系統測量的心電電壓信號與12導聯心電圖機測量心電信號數值的對應關系。將這些對應關系以表的形式存儲在系統中，在心電信號進入處理后，以映射后的心電數據輸出，這樣就得到了傳統的心電圖。映射表經過不斷地矯正更新，存儲在FLASH中，相對于傳統的心電圖機，這樣做的優點是通過ARM的計算和接口功能易于組成心電監護系統，操作靈活性高，易擴展，便于進行多功能的應用設計擴展。

2.1.3 "硬件架構設計

心電終端由心電數據采集單元和心電數據處理單元組成。如圖2所示，心電數據采集單元采用高速、高精度的A/D處理模擬數據。通過生物電極導聯從人體收集電壓數據，經過模擬電路和A/D，心電數據送入心電數據處理單元。

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圖2 心電終端

心電數據處理單元應用嵌入式ARM進行設計，采用NXP公司的基于ARM7TDMI?S內核的LPC2400系列32位處理器，包括LPC2460、2468、2470、2478等多款芯片。包括512 KB的片內高速FLASH存儲器，可進行FLASH編程，以及可配置的外部存儲器接口可進行FLASH存儲器擴展，用來存儲心電數據。ARM通過編程能進行LCD顯示，連接閃存進行心電數據的存儲，并配有時間控制和通信單元，以提高可擴展性和擴展靈活性。LPC2400系列處理器含有三個獨立的晶體振蕩器：主晶振，內部IRC晶振和RTC晶振。每個晶振根據不同的需求有多種使用方法。通過設置時鐘頻率等進行時間控制。

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圖3 心電數據處理單元

2.2 nbsp;科室PC服務器

科室PC服務器采用價格性能合適的電腦作為服務器，通過RS 232與心電終端有線連接，進行心電數據的簡單存儲和分析。之間可加入無線收發模塊，變有線連接為無線連接，提高系統的使用靈活性。科室PC服務器可以有多個RS 232口進行系統的擴展。科室PC服務器一個或多個與遠程醫療服務中心組成局域網進行信息交互。

3 "軟件設計

軟件設計主要包括兩個模塊：數據采集模塊和中央處理模塊。

3.1 "數據采集模塊

3.1.1 "LPC2400系列的基本操作

軟件設計在硬件設計基礎上進行，硬件采用基于ARM7TDMI?S內核的LPC2400系列32位處理器，軟件設計根據LPC2400系列處理器的配置進行。LPC2400系列的基本操作包括如下：

（1） 硬件觸發轉換

如果ADCR的突發位為0且開始字段的值包含在010～111之間，當所選引腳或定時器匹配信號發生跳變時則會啟動一次轉換。也可選擇在4個匹配信號中任何一個指定邊沿啟動轉換，或在兩個捕獲/匹配引腳中任何一個指定邊沿啟動轉換。

（2） 中斷

當完成位為1時，A/D模數轉換完成，ADC轉換模塊向中斷控制寄存器VIC發出中斷請求。如果VIC中的VICINTEnable的位8（ADC中斷使能位）為1時，說明可以取數，則會產生中斷。在讀取ADDR后，完成位清0。

（3） 精度和數字接收器

當使用ADC用來測量Ain引腳電壓時，可以不理會引腳在引腳選擇寄存器中的設置。提高轉換精度可以通過禁止引腳的數字接收器，選擇Ain功能。

3.1.2 "軟件處理流程

數據采集模塊主要是對電極從人體來的模擬數據進行模/數轉換。首先初始化變量，然后進行模/數轉換。數據采集模塊軟件處理流程如圖4所示。

分別對多個通道進行檢測，程序文件為adc.c，程序如下：

# include lt;nxp/iolpc2468.hgt;

#include \"type.h\"

#include \"irq.h\"

#include \"target.h\"

#include \"adc.h\"

#include lt;intrinsics.hgt;

Int jiance（int argc，char **argv）

{

ADCInit（ADC_CLK）; " " " " " " " " " " " " " " " "http://初始化ADC

int i，ch， usConData，usEndData，fd;

char *ECGCH=\"0\";

static char *driver=\"/dev/musc/adc\";

fd=open（driver，O_RDWR）;

while（1）

{

Read（fd，amp;usConData，1）;}

Return 0;

}

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圖4 A/D轉換軟件處理流程

3.2 "中央處理模塊

中央處理模塊對A/D轉換后的心電數據進行處理，在LCD上顯示，或進行進一步信號處理作出診斷。中央處理模塊流程如圖5所示。

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圖5 中央處理模塊流程

4 "心電系統設計現狀研究

4.1 "心電終端

幾年來心電終端設計出現多技術，多樣化的趨勢。

（1） 從人體的電信號進入系統可為生物電極，也有成熟的傳感器產品可直接使用，這影響著后續的數據處理。

（2） 中央處理模塊可以DSP，ARM，PDA終端等進行設計。通過DSP芯片硬件設計和軟件編程可實現對從心電采集模塊輸入心電數據的信號處理，可通過硬件電路和軟件算法實現。特點是簡潔，運算速度快，成本低，靈活性相對差。

利用ARM進行中央處理模塊設計，特點是算法設計多樣，功能設計靈活性高，易組網擴展。而利用PDA終端設計中央處理模塊具有界面好，很好的使用靈活性和可操作性的優點。通過嵌入式編程，簡潔的界面設計比較容易實現，操作方便。通過相應的菜單.工具按鈕等軟件設計可以方便地實現心電信號的采集、顯示和存儲，并且可對波形進行縮放、移動和重放，界面設計靈活。

（3） 外設靈活，多功能接口。接口多樣化保證心電系統良好的可擴展性。

（4） 各模塊之間的連接分為無線連接和有線連接。利用藍牙，射頻以及GPRS等技術進行無線接口設計，是一種趨勢。有線連接接口有串口，并口和USB等。

（5） 心電功能插件及模塊也是一種成熟技術和設計趨勢，設計有普通設計和實現某一種或幾種功能設計。

（6） 與外部心電數據資源信息共享成為一個發展方向。

4.2 "心電系統

近年來隨著信息技術和計算機技術的發展，網絡化和遠程醫療得到極大發展，心電終端與科室服務器及科室服務器之間以及與遠程醫療中心之間的信息連接和交互手段出現多樣化趨勢，常見的有局域網和以太網，GPRS等可利用網絡資源及射頻，藍牙，WIFI等通信接口技術。

本文的解決方案為以ARM設計中央處理模塊，采用模塊化設計，結構組織和組網靈活，良好的可擴展性和數據資源共享為設計目標。近年來也出現對某一功能模塊為設計目標的設計傾向。

5 "結 "語

本文采用ARM，利用外部網絡資源進行心電系統的設計，保證了組織靈活、易擴展及數據資源共享等，是一種比較理想的設計方案。同時對心電系統的設計現狀進行了研究，具有重要的現實和借鑒意義。

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