小型化心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉 靜 陳艷麗 楊樹(shù)蔚 邢 靜 劉葉楠 閆克丁

（1.西安培華學(xué)院智能科學(xué)與信息工程學(xué)院 西安 710065）（2.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021）

1 引言

隨著電子科學(xué)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及自動(dòng)化儀表的迅速發(fā)展，心電信號(hào)的檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展越來(lái)越蓬勃［1～2］，尤其是新興的智能手環(huán)，方便了人們對(duì)自身各項(xiàng)生理指標(biāo)的實(shí)時(shí)了解［3］。市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)形形色色的智能手環(huán)，可穿戴在人們手腕上，通過(guò)一種光電傳感器，這種傳感器在貼近人皮膚時(shí)，會(huì)發(fā)出一道光線，直接照射在人體的皮膚表面，肌肉和血液會(huì)對(duì)這道光線進(jìn)行吸收，光信號(hào)的強(qiáng)度產(chǎn)生一定衰減，最終再反饋到傳感器接收器上，顯示測(cè)試結(jié)果。這種手環(huán)無(wú)疑攜帶很輕便，測(cè)試簡(jiǎn)單，但它的測(cè)量結(jié)果精確度卻受到廣大研究者的質(zhì)疑，有志愿者專(zhuān)門(mén)測(cè)試對(duì)比手環(huán)與心電圖儀測(cè)試精準(zhǔn)度之差，最終對(duì)比表明，不同的手表所測(cè)得結(jié)果都與通過(guò)心電圖所測(cè)的心率值有5%～10%的偏差［4～6］。因此，傳統(tǒng)的肢體導(dǎo)聯(lián)式心電圖測(cè)量具有一定準(zhǔn)確性意義，更能精確地測(cè)出患者心電及心臟疾病變化狀態(tài)［7］，在醫(yī)學(xué)教學(xué)和臨床診斷治療中具有更高的的參考價(jià)值［8～9］。

近年來(lái)，隨著人們生活質(zhì)量水平的提升，人們對(duì)自身心血管疾病的預(yù)防越來(lái)越看重。心臟健康的穩(wěn)定性是導(dǎo)致心血管疾病的重要因素［10～11］，對(duì)于心電健康的監(jiān)測(cè)是預(yù)防心血管疾病的重要方式［12］。在醫(yī)療水平和收入較低的農(nóng)村，常常因無(wú)法獲取到心電圖等基本診斷方式而導(dǎo)致的遲診而困惑［13～14］，本文旨在了解小型輕量級(jí)心電采集系統(tǒng)在不同用例的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和系統(tǒng)能力方面的研究現(xiàn)狀，可協(xié)助診斷心臟類(lèi)疾病，心率可通過(guò)心電圖中RR 波間隙準(zhǔn)確計(jì)算得出，而呼吸阻抗是用來(lái)監(jiān)測(cè)人類(lèi)呼吸速率的［15］，對(duì)于心臟疫病診斷具有很大的輔助作用，因此在醫(yī)學(xué)上，心電信號(hào)的精確采集、分析以及處理，對(duì)于治療疾病和臨床醫(yī)學(xué)研究具有非常重要的意義［16］。如何在確保成本較低的基礎(chǔ)上，還能精確的測(cè)量心電信號(hào)，將是我們值得研究的永恒課題［17］。

因此本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種小型化心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，相比醫(yī)院心電圖檢測(cè)，不僅便攜，操作簡(jiǎn)單，而且可以實(shí)時(shí)連接一次性電極貼片準(zhǔn)確測(cè)量心電圖，完成系統(tǒng)化設(shè)計(jì)。

2 小型化心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)可分為心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)前端采集部分設(shè)計(jì)與心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)兩部分。前端采集部分主要是通過(guò)STM32 主控芯片使用串口通信對(duì)心電采集模塊獲取心電數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的初步采集，處理，將處理后的數(shù)據(jù)可通過(guò)預(yù)先定義好的串口號(hào)發(fā)送給USART HMI串口屏和上位機(jī)，進(jìn)行顯示波形及心率大小。心電信號(hào)采集系統(tǒng)前端采集部分設(shè)計(jì)主要由STM32F103RET6 芯片、ADS1292R 心電采集模塊、串口屏顯示模塊、系統(tǒng)電源以及PC 處理器等部分組成，心電信號(hào)采集系統(tǒng)嵌入式軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)初始化、心電波形獲取、心率計(jì)算、呼吸波形獲取、波形顯示，上位機(jī)軟件主要是對(duì)采集的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成原理圖

3 小型化心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)采集端設(shè)計(jì)

3.1 STM32主控模塊

本控制系統(tǒng)采用基于ARM 的STM32RET6 為主控芯片，共有64個(gè)引腳，外圍電路設(shè)計(jì)包括MCU的電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、boot 啟動(dòng)電路、串口電路、ADC 電路等等，根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)好電路原理圖，PCB布線、封裝、打印，以及元器件焊接，最終測(cè)試該主控板可完成所需功能，即主控板設(shè)計(jì)總體完成。該系統(tǒng)對(duì)于心電采集信號(hào)的檢測(cè)就是要利用ADS1292R 模塊通過(guò)I/O 口與主控板連接通信。

3.2 ADS1292R心電采集模擬前端模塊

心電采集集成模擬前端電路包括了前置放大電路、濾波器（EMI）、右腿驅(qū)動(dòng)電路、兩個(gè)低噪聲可編程放大器（PGA）及兩個(gè)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，共有兩個(gè)差分輸入，差分輸入可減小共模干擾，第三通道可在測(cè)量呼吸波時(shí)輸入信號(hào)或輔助模擬差分輸入，通過(guò)SPI 協(xié)議與主控板通信，該采集電路具有輸入噪聲小、功耗低、速率高、共模抑制比高滿(mǎn)且攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)滿(mǎn)足測(cè)量精準(zhǔn)度較高的心電圖要求。本系統(tǒng)心電采集采用肢體3 導(dǎo)聯(lián)方式，使用表面鍍有Ag-AgCl 和涂有導(dǎo)電膠的可拆卸一次性軟電極采集信號(hào)，將被測(cè)者的右上肢和左下肢為信號(hào)采集，而另外導(dǎo)聯(lián)的左上肢電極則為參考電極，心電采集模塊如圖2所示。

圖2 心電采集模擬前端

3.3 串口通信模塊

該系統(tǒng)主要用到主控板兩個(gè)串口，串口1 用于通信模塊主要用于系統(tǒng)采集電路與上位機(jī)軟件之間的通信，使得上位機(jī)軟件能夠及時(shí)獲取被采集信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，用戶(hù)第一時(shí)間查看心電信息。串口2 是用于與USART HMI 智能串口屏通信，可通過(guò)串口通信對(duì)控件上的參數(shù)進(jìn)行修改，設(shè)定特定的指令可實(shí)現(xiàn)一些功能操作。

3.4 串口控制模塊

串口通信相比其他通信方式，更加簡(jiǎn)單方便，只需三根導(dǎo)線連接就可以，分別是接地、發(fā)送、接收，其次，對(duì)于兩個(gè)端口通信，必須提前配置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位。系統(tǒng)使用USB將主控板與PC進(jìn)行連接，設(shè)置串口端口號(hào)，上位機(jī)讀取串口傳遞的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)通信。

4 小型化心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)

4.1 心電圖RR間期心率算法設(shè)計(jì)

心率是計(jì)量心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)，可從一段心電圖中通過(guò)定位R 波位置，其次獲取相鄰的RR波之間時(shí)間，求出一定時(shí)間內(nèi)R 波個(gè)數(shù)，即可算出瞬時(shí)心率值。設(shè)有一段離散心電信號(hào)｛a(i),i=1,2,…N｝，采樣頻率fs，具體計(jì)算步驟如下：

1）設(shè)定幅度閾值T，從a(1) 開(kāi)始檢索，將a(i)≥T的序號(hào)i組成序列{x(j)}，直到檢索到a(N)為止；

2）創(chuàng)建序列｛b(k)｝，令b(1)=x(1)，從x(2)開(kāi)始檢索，若x(j)-x(j-1)＞1，j≥2 則另b(1)=x(j-1)，b(k+1)=x(j)，k≥2；

3）設(shè)b(k)含K 個(gè)元素，則在N fs秒內(nèi)R 波的個(gè)數(shù)為K2，平均心率為(K/2)/(N/fs)×60 次/分。R波波峰為止依次為[b(k-1)+b(k)]/2，取整，k≥2，由相鄰R波間期算出瞬時(shí)心率。

4.2 小型化心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)主控設(shè)計(jì)

心電信號(hào)硬件采集平臺(tái)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信的方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件中。上位機(jī)軟件將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行波形和數(shù)值顯示，其整體界面及軟件使用流程如圖3所示。

圖3 心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

上位機(jī)軟件的功能是根據(jù)需求設(shè)計(jì)的，各個(gè)功能之間具有一定的獨(dú)立性，操作簡(jiǎn)單，顯示直觀。其主要功能模塊及功能流程圖如圖4所示。

圖4 心電信號(hào)采集系統(tǒng)

4.2.1 用戶(hù)登陸模塊

對(duì)用戶(hù)使用權(quán)限的限制。主要是使用前需要輸入用戶(hù)名和密碼。登錄成功以后可以打開(kāi)軟件的功能界面并使用相關(guān)功能。

4.2.2 串口控制模塊

主要是串口的打開(kāi)和關(guān)閉，可以選擇要打開(kāi)和關(guān)閉的串口端口號(hào)。

4.2.3 數(shù)據(jù)顯示功能模塊

對(duì)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，數(shù)據(jù)會(huì)以時(shí)間排序的列表形式顯示出來(lái)，也會(huì)以波形圖顯示接受到心電數(shù)據(jù)。

4.2.4 數(shù)據(jù)濾波模塊

對(duì)硬件采集平臺(tái)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，像一些非常大或者非常小的干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行濾除，確保低噪準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

4.2.5 數(shù)據(jù)讀取模塊

進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，主要是對(duì)已經(jīng)保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新讀取，然后顯示對(duì)應(yīng)的波形圖。

4.2.6 數(shù)據(jù)保存模塊

對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，保存在本地，可供下次檢測(cè)結(jié)果對(duì)比。

4.2.7 數(shù)據(jù)清空模塊

主要是對(duì)生成的波形圖區(qū)域的數(shù)據(jù)清空，方便重新測(cè)量。

4.2.8 報(bào)告打印模塊

對(duì)測(cè)的數(shù)據(jù)以及波形可在線打印出來(lái)，可供醫(yī)學(xué)參考。

5 實(shí)驗(yàn)分析

在系統(tǒng)上電前，首先測(cè)試所有硬件連接是否正常工作，測(cè)試完畢后，將三個(gè)電極貼片RL、LA、RA分別對(duì)應(yīng)貼置被測(cè)者右下肢、左上肢、右上肢測(cè)量位置，保證電極貼片與肌膚接觸良好，且被測(cè)者被測(cè)之前必須預(yù)留10 分鐘保持在無(wú)人安靜的環(huán)境狀態(tài)，心情平靜，坐姿端正，方可開(kāi)始測(cè)試，本次16 名被測(cè)者均來(lái)自同實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)。系統(tǒng)上電，上位機(jī)軟件自動(dòng)獲取到心電圖與心率值，功能切換至呼吸波，依然出現(xiàn)清晰的波形，實(shí)驗(yàn)測(cè)試如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖

我們采用通過(guò)固定心率對(duì)比波形圖方法驗(yàn)證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，如圖6 所示，心率為75時(shí)，圖（a）為心電模擬器輸出心電圖，圖（b）為該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果。

圖6 數(shù)據(jù)波形顯示

如圖6所示，圖（a）、（b）為心率都為75時(shí)，所輸出心電波形圖，圖（a）是理想心電波形圖，通過(guò)兩張圖對(duì)比可以看出系統(tǒng)輸出波形圖并未失真，也無(wú)較大的差異，圖（c）、（d）為基線阻抗為1K 時(shí)，模擬器與該系統(tǒng)所輸出呼吸波，檢測(cè)出來(lái)的心電波形圖和呼吸波形圖從波形圖的周期峰值和波動(dòng)頻次上來(lái)看，整體上是平穩(wěn)的，沒(méi)有出現(xiàn)竇性心跳或者心率不齊等現(xiàn)象。由此可得出，此系統(tǒng)輸出心電波形圖和呼吸波形圖是穩(wěn)定的。（觀察心率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表1）是系統(tǒng)輸出的心率頻次和心跳頻次數(shù)據(jù)，最高是81.18，最低是65.58，觀察其趨勢(shì)，數(shù)據(jù)都在正常心跳范圍之內(nèi)。因此，心電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)的波形顯示功能很可靠。

表1 心率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

小型化心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中添加算法計(jì)算出心跳頻次，由心率頻次除以60 得到，1 是正常心跳頻次的低點(diǎn)，1.5 是正常心跳頻次的高點(diǎn)，而表1 中心跳頻次數(shù)據(jù)都在1～1.5之間。在數(shù)據(jù)過(guò)濾的過(guò)程中，可以設(shè)置過(guò)濾低于0.5，高于12.0 的心跳頻次。無(wú)出現(xiàn)偏離正常范圍過(guò)高的異常數(shù)據(jù)及干擾數(shù)據(jù)。

經(jīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室多名同學(xué)檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，小型化心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的心電波形顯示清晰穩(wěn)定，心率值跳動(dòng)頻率都是穩(wěn)定且具有參考性的，測(cè)量誤差小于2%，完全滿(mǎn)足人們預(yù)防心臟疾病檢測(cè)使用。小型化心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)采集精度高、操作簡(jiǎn)單、小型方便、成本低廉，可作為心電信號(hào)采集、心臟疾病預(yù)防提供醫(yī)學(xué)臨床上的參考和憑據(jù)，為監(jiān)測(cè)人心電健康狀態(tài)以及采集心電信號(hào)研究與開(kāi)發(fā)提供建設(shè)性意義。

6 結(jié)語(yǔ)

利用STM32F103RET6 為主控下的ADS1292R心電采集模塊為采集電路肢體導(dǎo)聯(lián)貼片電極測(cè)量人類(lèi)心電信號(hào)，結(jié)果表明：

1）心電信號(hào)采集模塊內(nèi)部集成了多個(gè)放大濾波電路，對(duì)于采集心電微弱信號(hào)，具有一定的優(yōu)勢(shì)，結(jié)論表明，利用該模塊檢測(cè)數(shù)據(jù)清晰規(guī)整，大大提高了信號(hào)信號(hào)采集準(zhǔn)確度。

2）提供了兩種數(shù)據(jù)控制單元，分別為串口屏和上位機(jī)軟件，串口屏顯示可供調(diào)試與實(shí)驗(yàn)研究，上位機(jī)控制部分可對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)分析與打印，給出被測(cè)者可視化建議。

3）基于心電圖RR 波心率提取算法，可直接獲取一段心電圖之間的每秒心跳頻次及每分鐘心率大小，快速且可靠。