基于無線WiFi 的十二導聯心電采集系統設計

黃一清

（蘇州高等職業技術學校（江蘇聯合職業技術學院蘇州分院）電子工程系，江蘇蘇州，215009）

0 引言

心血管疾病為影響人類健康的常見疾病，相關研究表示其患病率會隨年齡呈現遞增。作為無創檢查手段，目前心電圖檢測已成為心血管疾病診斷領域中首要的檢測方式，對于常見心律失常、房室病變、心肌梗死等病癥有著極為重要的醫學參考價值[1]。隨著研究的深入，現如今心電檢測設備更多地往結構緊湊化、插件模塊化、交互靈活化和產品網絡化等方向發展[2]。其中產品網絡化更是隨著無線技術的快速提升步入發展快車道，為遠程醫療服務提供可能[3]。本文設計了一款十二導聯心電采集系統，在采集人體心電信號的同時能夠實現無線傳輸，具有移動便巧、傳輸穩定等特點。

1 系統總體設計

系統總體框架如圖1 所示，主要涉及按鍵控制、信號采集、主控模塊、通信模塊和顯示打印用于實現心電信號的采集、處理和顯示等。本設計通過標準12 導心電導聯線完成心電信號采集，由STM32F401RCT6 構成主控模塊、USR-C210 作為無線WiFi 模塊。根據信號流向，所采集的信號經導聯選擇、前置放大、定標設定、濾波處理、基線調整和靈敏選擇后送至32 位微控制器，并通過液晶或預定協議組包由WiFi 傳輸至上位機兩種方式進行顯示。

圖1 系統總體框圖

2 系統硬件設計

■2.1 主控模塊設計

基于微型化、低功耗考慮，本系統采用ST 公司基于ARM Cortex-M4 內核開發的32 位微控制器STM32F401RCT6作為硬件控制、數據處理及信號傳輸的核心部件。其工作電壓為1.7～3.6V，內含基礎時鐘模塊、12 位ADC、16 位/32位計時器以及通信接口外設等。如圖2 所示，系統中心電信號由PA0/ADC0 管腳輸入，采樣率選擇512Hz，PB3～PB8管腳用于鍵控掃描，PB12～PB15 管腳作為步進電機驅動，PC0～PC15 連接3.5 英寸TFT LCD 數據端。

圖2 心電采集系統主控及相關電路

■2.2 采集模塊設計

心電信號源于心臟活動過程中心肌與神經電活動的綜合作用，其呈現信號頻率低、隨機性強、噪聲背景大等特點。心電信號頻率范圍主要為0.05～100Hz，并多集中在0.05～40Hz 頻段[4]。因此信號處理電路設計對于整個心電采集系統顯得尤為重要。本系統支持十二導聯心電圖采集，能完整反映心臟水平面和額面狀況。

2.2.1 輸入緩沖電路

如圖3 所示，所采集的心電信號首先經過輸入緩沖電路，該電路由高壓保護電路（A1～A9）、高頻濾波電路（R1～R9、C1～C9）、低壓保護電路（D1～D9）和電壓跟隨器（U1～U9）構成，其中高壓低壓保護分別在±75V、±0.7V 左右。

圖3 信號處理電路

2.2.2 導聯選擇電路

導聯選擇電路主要由U10～U13 4 塊CD4051 芯片構成，配合威爾遜網絡實現心電導聯切換。CD4051 為單端8 通道多路開關，其輸出受通道選擇輸入端（C、B、A）和禁止輸入端（INH）控制，前者連接單片機PB0～PB2，后者連接PB10 管腳，在單片機接受導聯選擇按鍵命令后通過上述管腳給出相應信號分別送至芯片通道控制端和禁止輸入端。本系統中U10、U11 實現標準、加壓肢體和V1 導聯選擇，U12、U13 則實現V2～V6 導聯選擇。

2.2.3 前置放大電路

本系統由INA118U 實現前置放大，該芯片為美國德州儀器公司生產的低功耗精密儀表放大器，共模抑制比可達110dB，增益，為避免工作于飽和或截止區G 設定為20。定標電路可用于整機增益校準，主要由9014 管、TL431ACD 和可調電阻構成，通過調節VR1 獲得1mV 定標信號。

2.2.4 濾波處理電路

2.2.5 增益調節電路

2.2.6 靈敏選擇電路

■2.3 通信模塊設計

WiFi 是一種基于IEEE802.11 系列協議標準實現的無線通信技術，可實現個人電腦、手持設備等終端無線互聯，相較藍牙等技術具備覆蓋范圍廣、傳輸距離長等優勢[5]。本系統選用USR-C210 實現數據傳輸，該模塊內置低功耗運行機制，支持WiFi@2.4GHz 802.11b/g/n 無線標準，可AP、STA 和AP+STA 三種方式配網，實現UART 轉WiFi雙向透傳功能。系統采用STA 模式TCP-Client 通信，由STM32F401RCT6 單片機通過串口發送AT 指令完成通信模塊初始化，其中USR-C210 芯片UART_TX、UART_RX 管腳與單片機PA2/U2_TX、PA3/U2_RX 管腳交叉連接。

3 系統軟件設計

■3.1 總體程序設計

心電采集下位機軟件系統采用ARM 公司所推的Keil MDK 平臺進行開發，主要實現心電數據的模數轉換和數字濾波。軟件總流程如圖4 所示，初始化設備，開機工作后進行鍵盤掃描，然后采用TIME1 定時器周期啟動ADC，每采集10s 開啟中斷進行濾波用以濾除肌電干擾和低頻漂移等，最后將心電波形實時顯示于液晶屏。上位機GUI 則使用C#平臺編寫，主要負責通信監聽、協議解析、波形繪制、心率計算和數據存儲等，具體流程如圖5 所示。

圖4 下位機軟件流程圖

圖5 上位機軟件流程圖

■3.2 主要功能實現

這里重點介紹構建通信連接、波形繪制與心率計算的實現方式。

3.2.1 構建連接實現

首先由服務端開啟套接字監聽服務，然后根據服務器IP、端口進行連接。

3.2.2 波形繪制與心率計算實現

首先將接收到的原始數據解包并轉換為坐標軸點，在C#平臺定義畫筆，然后循環結構下調用Draw_Graphics.DrawLine（myPen,PointX1,PointY1,PointX2,PointY2）語句完成所有點的圖像繪制呈現出連續心電波形。

心率的計算一般選用基于極值的動態自適應閾值法，通過閾值提取進行R 波特征點的標注，根據兩次R 波間隔實現心率換算[6]。本系統選擇matlab 實現心率計算，利用matlab function 函數將相關代碼封裝并打包成dll，最后在C#中調用動態鏈接庫。心率計算核心代碼如下：

Threshold=(max(wavedata)-min(wavedata))＊0.4+m in(wavedata)；//R 波峰值閾值設置

[pks,locs]=findpeaks(wavedata,500,'MinPeakDistan ce',0.5,'MinPeakHeight',Threshold);//捕獲R 波波峰

Rwave_time=diff(locs);//計算兩次R 波間隔時間差

Heart_rate=60/mean(Rwave_time);//計算心率

4 系統功能測試

本系統直接采用220V 交流市電供電，為測試其是否能實時準確采集顯示數據功能，選用珺淼JM-203 型心電信號模擬儀產生1mV、100Hz 標準正弦信號以十二導聯方式接進心電采集系統，接入方式與心電采集系統ECG 測試點顯示波形如圖6 所示。按下本系統導聯選擇按鍵能正常進行不同導聯間切換，靈敏度按下能在“1/2”、“1”、“2”之間轉換，定標調節旋鈕調節后也能正常產生1mV 標準脈沖波，其他走紙速度、顯示方式及波形打印等功能均正常。性能測試方面，通過對輸入阻抗、噪聲電平、共模抑制比等項目檢測，相關結果見表1 顯示該心電采集系統性能方面完全達成預期設計目標。

表1 心電采集系統主要性能參數

圖6 心電采集系統

將心電采集系統WiFi 端短路，遠程接收端PC 搜索并連接到該WiFi，配置WiFi 參數設置WiFi 模式為STA，STA參數包括網絡名和密碼可通過路由器查詢得到。設置完成后進行透傳參數設置，將串口參數設定為115200、None、8、1，SocketA 協議選擇TCP-Client，服務器地址查詢無線網ivp4，設置完畢重啟心電采集系統。打開遠程接收端上位機軟件，心電信號模擬儀輸出標準心電信號，此時點擊開始監聽按鍵，上位機連接狀態顯示“服務器開始監聽……”，波形繪制區域能實時顯示采集端發送過來的心電信息，如圖7所示。通過實測本系統心率顯示信息和標準平均誤差小于1次/分鐘，功能上充分實現十二導聯心電數據的采集與傳輸。

圖7 上位機界面

5 結語

近年來心血管疾病備受關注，作為該疾病的常規檢查手段之一，心電圖檢測應用日益廣泛。本研究設計了一種基于無線WiFi 的十二導聯心電采集系統，綜合設計信號采集處理模塊、STM32F401RCT6 主控模塊、USR-C210 通信模塊和顯示打印模塊等，具有采集速度快、數據準確度高、電路性能穩定等優點，同時可將用戶心電采集數據上傳至遠程接收端用于醫學研究和輔助診斷，一定程度上為遠程醫療奠定基礎。