礦用無線心電檢測裝置研究

鮑 捷，歐仁俠，陳洪斌

（吉林醫藥學院生物醫學工程學院，吉林 吉林 132013）

隨著人們物質和精神生活的不斷發展，越來越多的人群開始重視心臟系統疾病，對于礦工而言工作環境惡劣，發生心臟疾病的概率相對較高，我們國家對礦工的身體健康狀況高度重視，此外近年來大數據發展逐漸滲透到國民體質醫療信息管理數據庫的建設中，通過數據庫的輔助作用，國家能更好的掌握礦工的體質情況，對于礦區的環境及時做出整改措施，盡量避免頻率較高的職業病的出現。

所謂醫學事業預防為主，心臟系統疾病可以通過經常的心電檢測，及時發現患者心臟出現的問題，及時對癥下藥。井下環境錯綜復雜，粉塵大、通風差、溫度高、濕度大、高噪聲、存在大量有毒性氣體[1]，條件惡劣難控，但對心臟疾病的預防是可以實現的，礦工可以把可穿戴式心電檢測裝置隨身攜帶，當心電異常、心率異常時，設備會發出警報，患者及時就醫，這樣就會減少礦工心臟疾病的發病率，提高礦區職工的體質和疾病預防意識。

1 礦工發生心血管疾病的調查分析

礦工工作環境特殊，并長期從事高強度的體力勞動，井下隨時伴有塌方等威脅生命的安全隱患，身心健康備受考驗。由于礦工的工作地點和從事工種不同，本文主要針對井下從事重體力勞動的人群，例如爆破工、掘進工、采礦工和鉆眼工，其中以腰背痛、關節炎、視力減弱、心電圖異常、高血壓、慢性鼻炎和慢性支氣管炎等病癥發病率較高，雖然這些疾病的發病率和礦工工作環境沒有直接聯系，短期不會出現病癥，但經過職業病學和統計學分析，礦工工齡、勞動條件等因素和這些病癥具有較強相關性[2]。在這些病癥中，心電圖異常比例較高，心臟病具有突發性和偶然性[3]，如果能夠及時對患者的心電圖檢測并做出正確診斷，通過早期治療可以提高對礦工心血管疾病的預防和治療效果。

2 心電信號簡介

心電信號指心臟在每個心跳周期，起搏點、心房、心室依次開始興奮，這一過程中伴隨著生物電的變化，人體心肌動作，引起體表的電位差異，這種差異變化稱為心電。可以通過心電圖來鑒別與分析各種心律失常，反映心肌受損的程度和心房、心室的功能結構情況[4]，對心率異常、早搏、心肌梗塞等病癥可進行定位診斷，是心臟病治療與診斷的常規必備檢查。

現在醫院普遍所使用的心電圖機，精準度高，雖然功能強大，可對病人進行長期監護，但體積大、質量重，需要在病人身上多點連接電極和導線，心電信號的采集方式多使用有線傳輸[5]。這種有線數據采集方式對于井下工作的礦工極其不適用，醫院或者家里的患者可以在靜止臥躺狀態下測量，可對于礦工如果想全天檢測心電信號，比較合理的方式是使用可穿戴式的心電圖檢測裝置，礦工在井下工作時可以隨身攜帶，不影響日常體力工作。

3 無線心電檢測裝置的設計

本系統主要采用藍牙4.0技術進行心電信號的無線傳輸，避免了信號采集過程中諸多導線的困擾，方便攜帶，對自身有心臟病史或胸痛的礦工能夠起到輔助治療和預防的雙重功效。

該心電檢測裝置主要包含兩部分：心電信號采集、發送電路和接收、信號處理電路。心電信號采集、發送電路制作在一塊PCB板上，要盡量減小體積，這部分需要礦工隨身攜帶。首先從機將電極上采集到的數據經濾波放大處理后發送到主機，然后主機接收到模數轉換后的信號做進一步的數字濾波處理和數據分析，最后經顯示設備輸出。

3.1 系統的整體框圖

該無線心電檢測裝置的心電信號采用單級肢體導聯測量法，RA、LA和LL三個肢體電極通過三個電阻接到一起與主機負極相連，作為心電測量的基準電壓，測定三個電極點的電位[6]，再經過前置放大電路、濾波電路、主放大電路、AD轉換等一系列的電路處理放大后，再經藍牙無線傳輸到主機，進行數字信號處理后生成心電圖顯示輸出。下圖1是系統的整體框圖，下面介紹系統的幾個主要電路。

圖1 系統整體框圖

3.2 MCU電路設計

本系統主要采用STM32控制電路，主機和從機中都使用STM32芯片作為核心控制器件，該芯片體積小、功耗低、功能強大，含有豐富的外設功能可以有效協調各部分電路工作，控制藍牙芯片傳輸信號，準確計算心電信號中的特征值，并將分析后的數據通過液晶顯示輸出。

3.3 心電采集電路設計

心電信號采集電路主要有前置放大電路，濾波電路、主放大電路、AD轉換電路、藍牙傳輸電路和電源電路等。該心電信號屬于低頻微弱的電信號，頻率范圍0.05Hz～100Hz之間，信號幅值在0.01mV～5mV之間，極易受到干擾，這種干擾有來自人體的肌電干擾，也有電網的工頻干擾等多種因素，因此對于心電圖機而言需要經過前置放大電路、濾波電路、主放大電路后將模擬的電壓信號轉換成數字信號，再經藍牙無線傳輸給主機，主機再進行下一步的信號處理。

3.4 藍牙傳輸電路

該系統的藍牙電路一共分成兩部分，其中藍牙發送電路設置在患者隨身攜帶的采集模塊里，用于把采集到的心電信號發送給主機，便于主機對信號進行小波變換處理；另一部分電路設置在主機里面，用于接收從信號采集模塊采集到的數據。本系統采用藍牙4.0技術進行無線數據傳輸，這款CC2540芯片傳輸速度快，體積小，包含了AD轉換、USB和串口功能，傳輸數據穩定，系統采用3.3V為芯片供電。

3.5 軟件數據處理算法

本系統對心電信號的檢測分析主要集中在測算心率和心率異常分析，通過動態差分斜率閾值法等軟件算法提高了R波和QRS波的檢出率[7]，可以測量RR間距，進而獲得實時心率，對于心率過速、心率過緩和早搏等癥狀可以進行判別，該分析法提高了QRS波群的檢出和分析率，減少漏檢和多檢的發生，通過心率失常的判別對患者下一步的心血管疾病的預防和診斷提供幫助。

4 結論

本系統介紹了基于STM32的礦用無線心電測量裝置。該心電測量裝置為在井下或礦區內工作的礦工而設計，屬于微型可穿戴式無線診斷設備，采用藍牙進行無線傳輸，目前可測量心率，判別心率失常，隨著研究的進一步深入，還可擴展心肌梗塞、左前支阻塞和右后支阻塞的定位診斷。該裝置是對礦區工人進行實時監測，減少礦工心臟病發病率和死亡率的有效手段，是確保礦工在心血管疾病方面的健康衛士，對心血管疾病的早期預防和診斷具有重要的現實意義，值得推廣應用。