一種基于單片機(jī)的心電監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)

雷濤，陳榮慶，李釗，張林媛，夏娟娟，路國華

空軍軍醫(yī)大學(xué) 軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，陜西 西安 710032

引言

《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)開設(shè)的一門非常重要的專業(yè)課程[1-3]，該課程旨在培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試的能力，進(jìn)而提高學(xué)生的實(shí)踐能力和工程應(yīng)用能力[4-5]，為以后學(xué)習(xí)醫(yī)療設(shè)備專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)。因而，在教學(xué)過程中對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的專業(yè)背景要求較高[6-7]。

隨著我國人口老齡化程度持續(xù)加深導(dǎo)致心臟病的防控形勢日趨嚴(yán)峻[8-10]，傳統(tǒng)醫(yī)用心電監(jiān)測儀不僅價(jià)格非常昂貴而且使用場合有限。因而，便攜式心電儀的研制是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生需要解決的實(shí)際問題。基于該專業(yè)背景問題，本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)能測量受試者心電圖（Electrocardiogram，ECG）信號并在Android手機(jī)APP上實(shí)時(shí)顯示的監(jiān)測系統(tǒng)，為該課程提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)，引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用型醫(yī)療器械設(shè)計(jì)開發(fā)，訓(xùn)練學(xué)生解決生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實(shí)際問題的能力，提升崗位任職能力。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與任務(wù)

根據(jù)學(xué)生能力的不同，實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)了基本任務(wù)、進(jìn)階任務(wù)及拓展任務(wù)三個(gè)層次的內(nèi)容與任務(wù)。

1.1 基本任務(wù)

（1）考慮運(yùn)動或遠(yuǎn)程電極放置產(chǎn)生的各種噪聲的情況下，選定AD8232全集成式ECG信號調(diào)理模塊，查閱數(shù)據(jù)手冊，實(shí)現(xiàn)對ECG信號的提取、放大、濾波及右腿驅(qū)動輸出給單片機(jī)主控模塊。

（2）利用單片機(jī)的ADC、定時(shí)器以及全雙工異步串行通信的功能，將AD8232信號調(diào)理模塊采集的ECG信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過串口傳輸至教師提供的CH340 USB轉(zhuǎn)串口Android 開發(fā)Demo APK，將ECG數(shù)值實(shí)時(shí)顯示。

（3）繪制系統(tǒng)原理圖，制作PCB，焊接系統(tǒng)。Keil C51編程，下載至硬件系統(tǒng)，驗(yàn)證系統(tǒng)功能。

1.2 進(jìn)階任務(wù)

基于Demo APK例程及源碼，開發(fā)APK，實(shí)現(xiàn)將單片機(jī)輸出的ECG數(shù)值以ECG的形式顯示在手機(jī)屏幕。

1.3 拓展任務(wù)

計(jì)算出心率，顯示在Android手機(jī)上。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

心電監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括心電檢測傳感器、信號調(diào)理模塊、單片機(jī)主控模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊以及Android 心電顯示模塊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 實(shí)現(xiàn)方案

具體實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示，單導(dǎo)聯(lián)心電檢測傳感器提取ECG信號，經(jīng)AD8232信號調(diào)理模塊處理后，由STC15W408AS單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換為8位數(shù)據(jù)，之后由單片機(jī)串口發(fā)送數(shù)據(jù)至Android USB Host。通訊中，CH340 USB轉(zhuǎn)串口芯片實(shí)現(xiàn)UART通道與USB通道的互聯(lián)。學(xué)生可根據(jù)CH340 串口功能開發(fā)的Android USB Host協(xié)議，調(diào)用串口通訊接口API實(shí)現(xiàn)與Android設(shè)備進(jìn)行通訊，將心電數(shù)據(jù)顯示在Android手機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)測。此外，CH340轉(zhuǎn)接芯片還為AD8232信號調(diào)理模塊與STC15W408AS單片機(jī)主控模塊提供+3.3 V供電。

圖2 實(shí)現(xiàn)方案

2.3 系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)原理圖，包括信號調(diào)理模塊（圖3）、單片機(jī)主控模塊（圖4）、CH340轉(zhuǎn)接模塊（圖5）及電源控制開關(guān)（圖6）。

圖3 信號調(diào)理模塊

圖4 單片機(jī)主控模塊

圖5 CH340轉(zhuǎn)接模塊

圖6 電源控制開關(guān)

3 效果及測試

在分別完成心電采集系統(tǒng)的硬件及軟件部分后，得到了圖7的顯示效果。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性，對該系統(tǒng)進(jìn)行了測試和分析。選用了“MIH/BIH”心電信號數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫由美國麻省理工學(xué)院建立，在我國的臨床醫(yī)學(xué)科研和心電醫(yī)學(xué)工程中均具有廣泛的應(yīng)用。

圖7 顯示效果

經(jīng)過測試之后，可得到具體的仿真結(jié)果如表1所示。由表1可知，該系統(tǒng)診斷病人的情況比較精確，部分情況的準(zhǔn)確率達(dá)到了100%，其總體檢測的準(zhǔn)確度高達(dá)99.89%。這些結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性和可行性。

表1 臨床患者心電信號分析結(jié)果

4 教學(xué)實(shí)施進(jìn)程

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行學(xué)時(shí)：8學(xué)時(shí)（課內(nèi)）+8學(xué)時(shí)（課外）。具體學(xué)時(shí)分配和教學(xué)內(nèi)容如表2所示。

表2 教學(xué)實(shí)施進(jìn)程

5 討論

本文結(jié)合了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特點(diǎn)，以傳統(tǒng)醫(yī)用心電監(jiān)測儀不僅價(jià)格非常昂貴而且使用場合有限實(shí)際問題為背景，設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的心電檢測系統(tǒng)并用與教學(xué)。可加深學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和自主性[11-13]。其中，設(shè)置技術(shù)難點(diǎn)，引入Android程序開發(fā)技術(shù)，利用所學(xué)高級語言編程技術(shù)，引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用型醫(yī)療器械設(shè)計(jì)開發(fā)，訓(xùn)練學(xué)生解決生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實(shí)際問題的能力，可提升崗位任職能力[14]。

本研究中的基于單片機(jī)的心電監(jiān)測系統(tǒng)與李昊霖等[15]研究類似，均可實(shí)現(xiàn)心電信號的監(jiān)測，但本研究引入Android程序開發(fā)技術(shù)可將心電信號實(shí)時(shí)傳輸至手機(jī)，不依賴于其他顯示器件，具有一定的便攜性。雖然其他研究者也實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的心電監(jiān)測系統(tǒng)并且將心電信號傳輸至手機(jī)等上位機(jī)[16-18]，但本研究基于《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程，將該項(xiàng)目應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本研究的創(chuàng)新之處。將科研與教學(xué)相結(jié)合，可提高教師以研促教的能力，從“教”的角度為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供探索和實(shí)踐，從“學(xué)”的角度，學(xué)生做中學(xué)，學(xué)中做，體會單片機(jī)系統(tǒng)解決實(shí)際問題的快樂[19]。同時(shí)，還可以使學(xué)生認(rèn)識到成果在課內(nèi)，功夫在課外，培養(yǎng)了學(xué)生自主探究、自主學(xué)習(xí)的能力。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的心電監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)心電信號的監(jiān)測并可通過手機(jī)實(shí)時(shí)顯示ECG及心率，顯示效果良好，滿足應(yīng)用的測量準(zhǔn)確度。同時(shí)，將該項(xiàng)目應(yīng)用于《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有較好的推廣價(jià)值。