面向心電監測儀測試工裝的ECG模擬信號源設計

彭曉珊 王 娟 舒澤芳

（1.貴陽學院電子與通信工程學院，貴州貴陽550003；2.貴陽學院機械工程學院，貴州貴陽550003）

0 引言

心電監測儀能對患者心臟功能進行監測，顯示P波、QRS波群、T波和U波等主要ECG波形。心電監測儀能否有效監測各種心律失常波形是保護患者生命安全的前提，同時也是檢驗其自身質量的關鍵因素。對心電監測儀進行出廠前的功能測試是心電監測儀生產中必不可少的環節，本文針對測試工裝中模擬信號源的設計問題，提出了相應解決方案，首先將MIT-BIH提供的48組心律失常信號通過ATM工具轉換成相應的TXT格式，然后將TXT文件轉換為CSV后寫入STM32F103嵌入式處理器的SRAM中，通過STM32F103內置DAC進行數模轉換，最終形成測試模擬信號源。

1 信號源組成原理和心律失常數據源

ECG模擬信號源由MIT-BIH數據庫、ATM配置工具、數據格式轉換和STM32F103最小系統四部分構成，其原理圖如圖1所示。

圖1 ECG模擬信號源原理圖

目前國際上公認的心律失常數據庫有三個，分別為美國心臟協會AHA數據庫、美國麻省理工學院MIT-BIH數據庫、歐洲的ST-T數據庫，其中MIT-BIH數據以其數據齊全、開放以及轉換形式方便而被廣泛使用。MIT-BIH數據庫來自4 000個住院病人的心律失常案例，均為動態心電圖數據，MIT-BIH從中選擇了48組數據對外公布。心律失常數據庫中每一組記錄包括三個文件——頭文件（.hea）、數據文件（.dat）、注釋文件（.atr），頭文件主要對數據文件進行格式說明，注釋文件為心電專家的診斷信息，數據文件為具體的心電信號的ADC轉換值[1]。

MIT-BIH數據記錄中的數據文件采用了特殊的ASCⅡ存儲格式，不易被相關軟件（例如MATLAB、MDK等）讀取分析。ATM為MIT提供的網頁轉換配置工具，能方便地將特殊格式轉換成TXT格式[2]。

如圖2所示，配置界面上Input為數據庫來源選擇，選擇MIT-BIH后在Record部分可以選擇48組記錄中的任意一組數據加以轉換，ToolBox配置數據轉換的形式，可選項包括TXT、MAT等等。

圖2 ATM工具配置界面

部分TXT數據形式如下：

Elapsed time V5 V2

hh：mm：ss.mmm （mV） （mV）

0：00.000-0.200 0.005

0：00.003-0.200 0.005

……

TXT文本中第一列代表采樣時間，第二列為V5胸導聯信號電壓值，第三列為V2胸導聯信號電壓值。利用MATLAB軟件讀取TXT文件，然后將其利用&“，”語句轉換成帶逗號的CSV文件，供后續的STM32源程序使用。

2 STM32F103最小系統軟硬件設計

STM32F103最小系統硬件設計如圖3所示，包括晶振部分、電源復位部分、BOOT啟動部分等。選用的STM32芯片為F103VCT6型號，包含64K SRAM、512K FLASH[3]。

圖3 STM32F103最小系統硬件原理圖

MIT-BIH中48組數據轉換成CSV文件后，將其轉存為96個二維整型數組，每個二維數組第一列為采樣時間，第二列為相應導聯的電壓數據。STM32F103的軟件部分主要圍繞DAC轉換部分設計，包括DAC通道1輸出初始化部分和DAC轉換部分，代碼如下：

#include”dac.h”//DAC通道1輸出初始化[4]

void Dac1_Init(void)

{RCC->APB2ENR|=1<<2;//使能PORTA時鐘

RCC->APB1ENR|=1<<29;//使能DAC時鐘

GPIOA->CRL&=0XFFF0FFFF;

GPIOA->CRL|=0X00000000;}//PA4模擬輸出；

//DAC轉換部分，data：0～3300，代表0～3.3 V

void Dac1_Set_data(u16 vol)

{float temp=vol;temp/=1000;temp=temp*4096/3.3;

DAC->DHR12R1=temp;}

3 信號源測試

利用MIT-BIH中的源數據進行信號源測試，以207組數據為例，MIT-BIH的207組數據包括有ECG標準導聯Ⅱ，其ATM顯示的波形如圖4所示。

圖4 標準導聯Ⅱ的ATM波形

固緯GOS-2204A示波器對信號源進行207組數據測試，標準導聯Ⅱ示波器顯示如圖5所示，示波器測試和ATM波形相一致。

4 結語

圖5 標準導聯Ⅱ示波器顯示

測試結果表明，STM32F103豐富的硬軟件功能為MIT-BIH的心律異常數據模擬復現提供了條件，通過設計相應的硬軟件模塊，可模擬復現MIT-BIH中48組數據，產生心律異常數據模擬信號源，為相關廠家設計心電監測儀的測試工裝提供重要部件，因而具有重要的應用價值。

[1]宋春麗.怎樣識讀MIT-BIH中的心電信號[J].科技資訊，2010（9）：27.

[2]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，2004，21（4）：230-232.

[3]勾慧蘭，劉光超.基于STM32的最小系統及串口通信的實現[J].工業控制計算機，2012，25（9）：26-28.

[4]劉軍，張洋，嚴漢宇.例說STM32[M].2版.北京：北京航空航天大學出版社，2014.