基于MatLab和STM32F103的12導(dǎo)聯(lián)ECG信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

舒澤芳，王 娟，彭曉珊，嚴(yán)生梅

（1.貴陽學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550005；2.貴陽學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院，貴陽 550005）

心電圖ECG信號是診斷心臟疾病的重要依據(jù)，其信號的采集分析和處理對于醫(yī)務(wù)工作者和科研人員尤為重要。傳統(tǒng)的心電圖機(jī)無法將心電信號轉(zhuǎn)換成易于相關(guān)軟件處理的數(shù)據(jù)格式，新型的光電心電圖機(jī)雖本身具備數(shù)據(jù)采集和存儲功能，但是不易于利用相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)二次對比分析和處理，無法有效發(fā)揮心電信號的潛在價(jià)值。

文中利用MatLab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和STM32F103豐富軟硬件資源，提出了基于MatLab和STM32F103的12導(dǎo)聯(lián)ECG信號采集系統(tǒng)。該采集系統(tǒng)整體由采集前端和上位機(jī)軟件構(gòu)成。采集前端以STM32F103微控制器為核心，完成電極信號的濾波放大、A/D轉(zhuǎn)換和串行數(shù)據(jù)上傳；上位機(jī)采集軟件基于MatLab平臺設(shè)計(jì)，進(jìn)行心電數(shù)據(jù)的接收顯示以及存儲。同時(shí)將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Matlab兼容的數(shù)據(jù)格式。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為科研及醫(yī)務(wù)工作者利用MatLab強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力對ECG信號進(jìn)行各類分析創(chuàng)造了條件。

1 系統(tǒng)原理與組成

心電信號屬于生物電信號，是心房心室極化和復(fù)極化過程在電信號上的表象，其幅值微弱，為10 μV～4 mV；頻率范圍較低，為 0.05～100 Hz，大部分能量集中在0.05～40 Hz。其信噪比低，隨機(jī)性強(qiáng)，直流成分多。為了使采集信號能較全面反映心臟運(yùn)行狀態(tài)[1]，該采集系統(tǒng)針對醫(yī)學(xué)上標(biāo)準(zhǔn)12導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，即采集并顯示標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)Ⅰ，導(dǎo)聯(lián)Ⅱ，導(dǎo)聯(lián)Ⅲ；加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián) aVR，aVL，aVF；胸前導(dǎo)聯(lián)V1~V6；等12個(gè)心電信號。各導(dǎo)聯(lián)和電極信號之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為

依據(jù)各導(dǎo)聯(lián)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，式（2）表明加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)aVR，aVL，aVF可由標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)Ⅰ，導(dǎo)聯(lián)Ⅱ，導(dǎo)聯(lián)Ⅲ計(jì)算獲取。采集系統(tǒng)可定義實(shí)際輸入心電信號為 LA（左上肢）、RA（右上肢）、LL（左下肢）、胸導(dǎo)聯(lián)信號V1~V6。胸導(dǎo)聯(lián)信號V1~V6反映心臟水平情況，等于各自電位和威爾遜中心參考電位WCT之間的電位差，WCT為3個(gè)肢體電位的平均值；標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)Ⅰ，導(dǎo)聯(lián)Ⅱ，導(dǎo)聯(lián)Ⅲ和加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)aVR，aVL，aVF則反映心臟額面狀況。據(jù)此，將采集系統(tǒng)定義為采集前端和上位機(jī)采集軟件2個(gè)部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

濾波電路完成對原始心電信號的二階低通濾波，利用ADS1298R芯片完成心電信號的EMI濾波放大和A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通過SPI接口傳送至STM32F103微控制器。上位機(jī)軟件基于MatLab平臺設(shè)計(jì)，通過串行UART接口從STM32F103獲取各路心電數(shù)據(jù)。ADS1298R芯片提供RLD（右下肢）驅(qū)動，作為參考接地點(diǎn)，同時(shí)提供威爾遜終端（WCT）作為胸導(dǎo)聯(lián)的參考點(diǎn)。

圖1 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Sampling system structure

2 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 濾波電路設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)9通道濾波電路，針對LA，RA，LL和V1~V6等導(dǎo)聯(lián)信號，根據(jù)心電信號低頻（頻率范圍 0.05～100 Hz）、帶 50 Hz工頻干擾的特點(diǎn)，濾波電路由二階有源帶通濾波電路和50 Hz陷波電路構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 二階有源帶通和陷波電路Fig.2 Secondary active bandpass and the trap circuit

圖中，R1和C1構(gòu)成低通濾波電路，取R1=4.7 kΩ，C1=0.33 μF，轉(zhuǎn)折頻率 fH=（2πR1C1）-1≈100 Hz；R2和C2構(gòu)成高通濾波電路，取 R2=6.8 kΩ，C2=0.47 μF，則其轉(zhuǎn)折頻率 fL=（2πR2C2）-1≈0.05 Hz。 考慮后續(xù)的ADS1298R分辨率為24 b，在參考電壓為2.4 V時(shí)，其分辨率為0.0238 μV，大于心電信號典型值。對于心電信號的幅值而言，采集前端無需過高放大倍數(shù)，故 Rb，Ra可設(shè)定為 10 kΩ，U1 級放大倍數(shù)為（1+Rb/Ra）。 陷波電路由非對稱阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，R4～R6設(shè)定為 10 kΩ，C3～C5設(shè)定為 10 μF， 利用單一調(diào)節(jié)阻值為30 kΩ電位器RP1設(shè)定陷波器的中心頻率為50 Hz。利用U3運(yùn)放的正反饋輸出連接陷波回路的縱臂，實(shí)現(xiàn)頻率增強(qiáng)阻帶變窄效果。同時(shí)通過調(diào)節(jié)電位器RP2提高Q值以提高有效信號幅值[2]。

2.2 ADS1298R芯片和STM32F103微控制器及外圍電路設(shè)計(jì)

ADS1298R是用于生理信號測量的低功耗、8通道、24 b模擬前端專用芯片，可專用于醫(yī)療儀器（心電圖ECG、肌電圖EMG和腦電圖EEG）等。其主要模塊如圖3所示。

圖3 ADS1298R主要模塊Fig.3 ADS1298R main module

ADS1298R的每個(gè)通道都有1個(gè)輸入復(fù)用器MUX，復(fù)用器除將輸入信號傳送給可編程放大器以外，還能夠獨(dú)立連接至內(nèi)部生成的信號以進(jìn)行測試、溫度、導(dǎo)聯(lián)斷開等檢測，可選擇輸入通道的任一配置生成右下肢驅(qū)動RLD輸出信號。

3個(gè)集成放大器和調(diào)節(jié)電阻用于生成標(biāo)準(zhǔn)12導(dǎo)聯(lián)ECG所需的威爾遜中心終端（WCT）。9路實(shí)際輸入信號LA，RA，LL和V1～V6通過二階濾波電路進(jìn)入多路選擇器MUX，MUX將輸入信號送入可編程增益放大器PGA，PGA的放大倍數(shù)可設(shè)定為1，2，3，4，6，8 和 12，在此設(shè)定 PGA 的放大倍數(shù)為1。

采集前端中的STM32F103微控制器通過SPI接口控制ADS1298R進(jìn)行導(dǎo)聯(lián)心電數(shù)據(jù)的傳輸，然后利用UART接口將接收的心電數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)軟件[3]。STM32F103微控制器及其外圍電路均采用典型設(shè)計(jì)，根據(jù)ADS1298R的SPI接口的訪問時(shí)序，STM32F103與ADS1298R的SPI接口及與上位PC的UART接口原理如圖4所示。

START引腳和DRDY引腳為ADS1298R的SPI接口特定引腳，設(shè)計(jì)中STM32F103設(shè)定為SPI通信主機(jī)，ADS1298R為通信從機(jī)，STRAT信號由主機(jī)發(fā)出，控制從機(jī)在設(shè)置和轉(zhuǎn)換模式之間切換，DRDY作為SPI從機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成信號。

圖4 STM32F103與ADS1298R及PC的UART接口Fig.4 STM32F103 and ADS1298R and PC UART interface

3 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 前端軟件設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)的軟件部分為前端軟件和上位機(jī)軟件，前端軟件針對STM32F103微控制器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)SPI，GPIO，UART 的初始化，SPI接口主從數(shù)據(jù)傳輸，UART數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘4]。對于ADS1298R的SPI采用命令讀取數(shù)據(jù)模式RDATC。采集系統(tǒng)整體大約以300 Hz頻率對心電信號采樣，STM32F103以間隔3 ms將9組導(dǎo)聯(lián)心電數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件不斷刷新其顯示狀態(tài)。前端軟件流程如5所示。

圖5 采集前端軟件流程Fig.5 Sampling front end software flow chart

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用MatLab平臺GUI設(shè)計(jì)，其主界面設(shè)計(jì)如圖6所示，包括了用戶信息區(qū)、導(dǎo)聯(lián)設(shè)定區(qū)、使用者操作區(qū)3個(gè)部分[5]。

圖6 上位機(jī)主界面Fig.6 Upper computer interface

在創(chuàng)建串口對象后，完成串口屬性配置，同時(shí)利用相關(guān)串口回調(diào)函數(shù)接收、顯示和保存數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)可選擇TXT格式和XLS格式，其核心代碼設(shè)計(jì)如下：

4 系統(tǒng)測試

采集系統(tǒng)對12導(dǎo)聯(lián)的心電信號進(jìn)行了相關(guān)功能測試，包括數(shù)據(jù)采集顯示和保存等方面。部分采集心電數(shù)據(jù)保存為TXT文本文件，其內(nèi)容如下：

在波形顯示測試方面，被測試者A標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)Ⅱ和胸導(dǎo)聯(lián)V5的波形如圖7所示，被測試者B的胸導(dǎo)聯(lián)V5和V2的波形如圖8所示，被測試者C的胸導(dǎo)聯(lián)V4和V1的波形如圖9所示。

圖7 導(dǎo)聯(lián)Ⅱ和V5的測試波形Fig.7 Waveforms of leadⅡand V5

圖8 導(dǎo)聯(lián)V5和V2的測試波形Fig.8 Waveforms of lead V5 and V2

圖9 導(dǎo)聯(lián)V4和V1的測試波形Fig.9 Waveforms of lead V4 and V1

5 結(jié)語

所設(shè)計(jì)ECG信號采集系統(tǒng)的測試結(jié)果表明，采集系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)12導(dǎo)聯(lián)ECG信號的采集顯示和存儲。鑒于心電圖信號是分析診斷心臟疾病的重要依據(jù)，采集系統(tǒng)將心電數(shù)據(jù)存儲為TXT和XLS的數(shù)據(jù)格式，便于采用MatLab平臺進(jìn)行分析研究。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為科研及醫(yī)務(wù)工作者，利用MatLab強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，對ECG信號進(jìn)行各類分析研究，奠定了條件。

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