心電監測系統設計

趙靜 肖清泉

摘要：文章基于STM32F4單片機為核心，設計了一款心電監測系統。本款設備主要設計了柔性線路板和多個電路模塊，并實現了心電信號的采集、預處理、放大、AD轉換、無線傳輸，最終在上位機界面上實時顯示一條心電波形，且對心電數據進行保存或清除等操作。

關鍵詞：STM32F4單片機；柔性線路板；心電信號處理

中圖分類號：TP18 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）28-0090-03

1 引言

隨著近幾年科學技術的迅速發展，嵌入式和無線通信技術扮演著越來越重要的角色，醫療監護儀已逐漸向小型化、智能化、多功能化等方面的發展，且正在轉向家用型[1]。健康意識的提升和移動互聯網普及正帶來一場醫學的變革，健康信息的基礎理論缺失和醫工結合關鍵技術的缺乏制約著健康服務業發展。人體傳感器網絡的學術思想核心是針對個體，通過泛在式檢測和交互干預，實現健康信息智能獲取，健康狀態辨識和反饋調節，從而在盡量不影響正常生活的情況下，推動個人—家庭—社區—醫院互聯互通的健康服務網絡建立，同時彌補健康信息學的理論空白。

2 心電系統設計

心電監測系統是以最新一代低功耗、超強處理能力的STM32F4單片機為核心，用3.7V鋰電池或5V電壓經過穩壓器輸出1.8V，使各個模塊處于正常工作狀態。首先通過電極片采集心電信號，濾波后通過OPA4330運算放大器對心電信號放大，利用STM32F4單片機的AD功能把模擬心電信號轉換為數字信號，然后采用串口方式把數據傳送給藍牙接收模塊，最終使用上位機軟件把接收到的二進制數據恢復成心電波形，并實時顯示、保存數據或者清除數據等操作。電路整體方案見圖1。系統的充電電路中帶有紅色和綠色兩個LED指示燈，指示充電等狀態。

2.1 一次性電極片的使用

隨著醫療器械的飛速發展，心電監護儀和一次性心電電極等在臨床上得到了廣泛應用。在采集心電信號時，電極片與導聯線相連接配合使用。一次性心電電極片的優點：方便、粘貼牢固、防止交叉感染，且在使用前需注意以下幾項：

①使用前，可用濕棉布或消毒酒精棉擦拭要粘貼的身體部位，確保粘貼部位干凈；

②粘貼時應輕輕按壓，確保電極中心的導電膠緊貼皮膚[2]。

2.2 心電信號采集電路設計

在心電采集電路中，選用OPA4330放大器主要是具有穩定的性能，零漂移放大器可以提高心電波形的質量。心電采集電路見圖2。INP接電極的正極，INN接電極的負極，RLD接電極的公共端，形成3導聯的心電采集電路；采集的心電信號接入INP1、INN1兩端，再通過兩級RC低通濾波后輸入到電壓跟隨器中，檢測電極是否連接正常。若電壓跟隨器輸出端為穩定的高電平時，表明電極脫落，需要進行調整；若其輸出為微弱的低電平心電信號，則表明電極處于正常連接狀態。RLD端也通過兩級RC低通濾波電路，目的是去除人體攜帶的共模信號。在電路中設置了右腿驅動電路，利用并聯負反饋使50Hz共模干擾信號降低到1%以下，提高共模抑制比。

2.3 藍牙串口電路的設計

CC2640藍牙主要應用在健康和醫療、穿戴醫療、智能家居終端、智能穿戴設備、體育和健身、心率監測儀器等方面，且需要較少的外圍元器件，電路設計較簡單，所以本文選用的是4mm×4mmRSM VQFN32封裝的CC2640器件。它與STM32F4單片機相連接的引腳分別是PB6/UART1_RX和PB7/UART1_TX，用來實現藍牙和STM32F4的串口通信；不論藍牙模塊處于任何狀態，只要該BLE_WKUP的IO 口被拉低，模塊將立刻被喚醒退出休眠模式；無論處于什么狀態，若引腳被拉高，模塊即可進入休眠模式；PC13_BTRST腳是藍牙的復位腳，該腳被拉低則表示藍牙模塊復位。藍牙模塊電路原理圖見圖3。

2.4 充電電路設計

BL4054是一款采用恒定電壓電流線性充電的芯片，具有可編程性、充電電流可達800mA、無需MOSFET、檢測電阻器或隔離管、預設充電電壓4.2V、精確度可達1%、檢測充電電流輸出、過壓保護、自動再充電、低功耗待機模式、軟啟動限制浪涌電流等性能[3]。本文采用的是5腳SOT-23封裝的BL4054芯片，通過給USB口上電，來啟動BL4054充電模塊，并利用STM32F4單片機的PA15的引腳端口控制充電狀態。當檢測到鋰電池電壓過低時，設置PA15的I/O口為高電平，紅色LED燈由滅到亮，鋰電池開始進行恒流充電模式。在充電開始階段，電池電壓值處于逐漸上升階段；當電壓上升至設定值4.2V時，便開始進入恒壓充電模式，充電電流隨時間逐漸減小，當達到預設的最小值后，紅色LED燈由亮到滅，完成充電過程[4]。充電電路設計見圖4。

2.5 電源模塊設計

TPS73218電源芯片輸出低壓1.8V。VIN引腳由電池供電，EN引腳由單片機I/O口控制，當給EN端高電平時，芯片正常輸出電壓，若給EN端低電平時，關閉電源，減少功耗。由于負載脈動電壓中含有交流成分，采用由電容和電感組成的復式濾波電路。電源電路見圖5，由電感L3、電容C22和C23構成的π型濾波電路，把對交流阻抗大的電感元件與負載串聯，以濾除較大的紋波電壓；把對交流阻抗小的電容元件與負載并聯，以濾除旁路較大的紋波電流。

3 柔性線路板設計

柔性線路板是以聚酰薄膜或聚酯亞胺為材料制成的，能夠在二維平面上設計，三維平面上立體安裝，具有可撓性、高密度布線、質量輕、厚度薄、散熱性強、安裝方便、提高空間利用率等特點[5]。因此柔性線路板的出現，實現了電子產品的高度集成化。為了實現心電監測設備能夠更好地與人體表面相貼合、提高空間利用率。

本文設計的FPC線路板是一個四層板，為了保證底層的高度相同，因此本設計把所有的元器件都放置在頂層。四層板的第一層Top Layer和第四層Bottom Layer主要都是用來連接信號線；第二層GND Layer主要是放置地線；第三層VCC Layer主要是放置電源線。線路板的一到四層制板完成以后，為了避免電路板被氧化，在外層涂覆絕緣的樹脂層，來更好地保護線路板；接下來將絲印層Top overlay使用白色的文字印刷在絕緣樹脂層上面；然后對需要焊接的焊點進行鍍金，保護端點，進行焊點測試，使線路板更穩定地工作，最后對多聯片的線路板進行切割，再次對線路板進行測試，保證可靠性。

4 程序設計

采集到的心電信號通過軟硬件結合實現低通濾波、高通濾波、去除50Hz工頻和去基線漂移[6]。主函數主要是針對心電監測系統，先長按開關鍵，若時間超過3S，AD退出休眠模式、SIAT退出休眠模式；若時間未超過3S，系統仍處于休眠模式。長按啟動鍵以后，系統開始工作，判斷電極是否脫落，如果脫落時間超過5S，系統會停止采樣再次進入休眠模式；若電極片連接正常，心電數據經過濾波、放大、采樣轉換。當心電數組存滿時，通過藍牙將心電數據發送至上位機。運行時電極檢測電路會每隔3S運行一次，保證電極正常連接持續獲取數據。如果電極有斷開，則返回到初始狀態。程序流程圖見圖6。

5 上位機應用程序設計

為了能夠實時地觀察到心電波形，保存數據、刪除數據等操作，軟件代碼要具有很好的移植性，基于以上要求，本軟件的開發是在Windows操作系統上設計的，運用DriverStudios中的DriverWorks為開發工具。運用DriverWorks設計USB驅動程序。然后將從機模塊插入電腦USB接口中，電腦進行提示驅動設備安裝成功，則可以正常使用。

PC機顯示波形的原理是將下位機采集的二進制數據恢復成心電波形便于觀察，首先根據采樣頻率的時間間隔恢復波形數據，組成數組，將數組送給波形圖控件，進行顯示[7]。系統用戶界面主要用來顯示波形、串口連接和提示連接等，根據界面上的按鈕對心電數據采取相應的操作，PC機用戶界面實時地顯示心電波形見圖7。

6 結束語

本文研究的心電監測系統主要適合于家庭或個人。該系統主要有心電信號采集、心電波形顯示、數據存儲、清除等功能。對于有心臟病史的患者可以監控自己的心電波形變化，給醫生提供診斷的依據，提供最佳的治療時間，這是一種預防心臟病突發的有效方法。

參考文獻：

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[3] 王麗芳，宋仁旺，閆曉梅.高集成度的礦燈電源管理電路[J].太原科技大學學報，2014，35（4）：267-270.

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[5] 何繼賢.柔性印刷電路板缺陷檢測系統研究[D].廣州：華南理工大學，2015.

[6] 馬健，陸為民.一種新型的動態心電數據存儲器設計[J].中國醫學裝備，2010，7（3）：8-10.

[7] 林靜.基于USB接口的虛擬心電監護儀設計[D].廣州：華南理工大學，2009.

【通聯編輯：唐一東】