便攜式心電采集分析系統(tǒng)設(shè)計

穆真++陳星星++王晶++梁雨

摘 要針對人體心電信號監(jiān)護(hù)設(shè)備體積笨重、價格昂貴和不便攜等局限性，設(shè)計了一種基于STM32F429和MATLAB的便攜式心電采集分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境是基于μC/OS-II操作系統(tǒng)對心電信號進(jìn)行實時采集，是一款具有實時監(jiān)控、價格低、便攜、精度高等優(yōu)點的心電信號采集分析系統(tǒng)。它能夠?qū)?4h心電數(shù)據(jù)存儲在SD卡里并可以通過藍(lán)牙模塊與PC機進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用PC機上的MATLAB軟件工具箱對采集的心電信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。

【關(guān)鍵詞】心電信號 μC/OS-II STM32F429 MATLAB

1 引言

心臟疾病一直影響人類的身體健康甚至威脅人類的生命，因此對心臟疾病的預(yù)防和診治是極為重要的。目前，心電信號的研究的頻率主要是0.05～40Hz。心電信號具有頻率低、隨機性強和噪聲干擾強等特點。而心電圖則是檢查和治療此類疾病的主要依據(jù)，由于目前的心電采集設(shè)備普遍存在價格昂貴、不便攜、體積大和高功耗等問題，使得病人的病情得不到實時監(jiān)控，這對預(yù)防與治療心臟疾病非常不利。

便攜式心電采集分析系統(tǒng)不但擴大了心電信號的應(yīng)用范圍，而且可以讓心電信號醫(yī)療診斷不受區(qū)域的限制并具有實時性。通過內(nèi)置大容量SD卡能夠?qū)颊哌M(jìn)行長時間的實時監(jiān)護(hù)，并記錄患者的心電數(shù)據(jù)，再將心電信號數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊與PC機進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用PC機上的MATLAB軟件對心電信號進(jìn)行處理與分析。

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

便攜式心電采集分析系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。心電信號預(yù)處理采集模塊由采集電極、濾波網(wǎng)絡(luò)、AD8232和ADS1278組成。ADS8232芯片內(nèi)部集成了放大、濾波和右腿驅(qū)動電路可以更好地抑制干擾信號。系統(tǒng)采用SD卡可以存儲24h的心電數(shù)據(jù)并可以通過藍(lán)牙模塊與PC機進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用PC機上的MATLAB軟件對心電信號數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理與分析。

3 設(shè)計主要模塊

3.1 心電采集模塊

心電采集模塊由采集電路、濾波網(wǎng)絡(luò)、AD8232和ADS1278組成，是整個便攜式心電圖的核心，直接決定整個系統(tǒng)性能的好壞。濾波網(wǎng)絡(luò)由高通濾波電路和輸入緩沖電路組成。A/D轉(zhuǎn)換模塊選用ADS1278，其具有微功耗、高精度和24位高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，達(dá)到0.5μV分辨率的精度要求。AD8232芯片一款用于提取、放大及過濾微弱的生物電信號的集成信號調(diào)理模塊。它體積小，縮小了系統(tǒng)的PCB尺寸，以達(dá)到系統(tǒng)的便攜化。

3.2 數(shù)據(jù)存儲模塊

SD卡有存儲容量大、成本低、讀寫速度快的優(yōu)點，用于存儲采集到的心電信號數(shù)據(jù)，通過按鍵可以選擇任意時刻將數(shù)據(jù)上傳到PC機。它有SPI模式和SDIO模式兩種模式的接口，選用SPI模式。

便攜式心電采集分析系統(tǒng)在存儲設(shè)計上實現(xiàn)了兩個功能：

（1）將24h心電數(shù)據(jù)存儲在SD卡里；

（2）在數(shù)據(jù)存儲程序計上采用FatFs文件協(xié)議保存心電信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，把采集的心電數(shù)據(jù)存儲為TXT文件格式，如圖2所示。建立文件系統(tǒng)有兩點好處：

（1）便于心電數(shù)據(jù)管理，可以方便的把心電數(shù)據(jù)拷貝到PC機上并通過MATLAB對心電信號進(jìn)行分析處理；

（2）回讀的時候可以方便的根據(jù)文件名找到需要回讀的數(shù)據(jù)。

4 測試結(jié)果分析

將心電信號三個采集電極分別接到人體的左右臂和右腿，然后采集的心電信號經(jīng)過心電信號采集模塊，在模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號時將ADS1278芯片的采樣頻率設(shè)置為500Hz，將心電信號數(shù)據(jù)進(jìn)行IIR數(shù)字帶通濾波器后如圖3所示。利用MATLAB選用Harmming窗實現(xiàn)Welch算法對心電信號數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的頻譜分析如圖4所示。

5 總結(jié)

基于STM32F429和MATLAB的便攜式心電采集分析系統(tǒng)具有實時性、便攜性、精度高和低功耗等優(yōu)點，滿足本系統(tǒng)基本要求和預(yù)期效果。本STM32微處理器中添加了FIR數(shù)字濾波器對采集的心電信號進(jìn)行了實時的處理已得到較為純凈的心電信號。本系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊端口可以替換成一個無線模塊，把采集的數(shù)據(jù)和處理的結(jié)果以無線的方式傳送到服務(wù)器。

隨著心血管疾病的發(fā)病率不斷地逐年上升，這種便攜式心電采集分析系統(tǒng)具有很高的應(yīng)用價值和良好的市場前景。本系統(tǒng)達(dá)到了有效采集心電信號的預(yù)期目標(biāo)，同時也為心電研究的后續(xù)工作奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]馬曉玉.基于STM32和藍(lán)牙4.1的便攜式心電采集分析系統(tǒng)研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2016.

[2]王艷艷.便攜式心電圖檢測儀設(shè)計[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2014.

作者簡介

穆真（1994-），女，現(xiàn)為江蘇師范大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院工程碩士。主要研究方向為Android軟件開發(fā)。

作者單位

江蘇師范大學(xué) 江蘇省徐州市 221116