基于STM32的便攜式心電信號(hào)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510800）

隨著生活水平的不斷提高，人們?cè)卺t(yī)療保健方面的需求越來越強(qiáng)烈，老年保健已成為社會(huì)高度關(guān)注的問題。而對(duì)于慢性疾病患者，特別如心臟病、心腦血管等高危疾病的患者，更希望不間斷地檢測(cè)病情和得到及時(shí)處置。同時(shí)，我國(guó)幅員遼闊，醫(yī)療水平有明顯的區(qū)域性差別，大醫(yī)院里通常人滿為患，需要浪費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間排隊(duì)掛號(hào)和就醫(yī)，而廣闊的邊遠(yuǎn)地區(qū)和農(nóng)村地區(qū)的病人，卻因?yàn)橄硎懿坏胶玫尼t(yī)療監(jiān)護(hù)而錯(cuò)失治療機(jī)會(huì)。這就迫切要求一種及時(shí)、高效和低成本的醫(yī)療方式的產(chǎn)生。隨著電子、通信和醫(yī)療等科學(xué)技術(shù)的提高，能否設(shè)計(jì)便攜式心電測(cè)量?jī)x器，既方便患者使用測(cè)試，又能較準(zhǔn)確地顯示人體的心電特征，是科技工作者在思考和探索的問題。

1 設(shè)計(jì)框圖

傳統(tǒng)的心電測(cè)量，一般使用的是五導(dǎo)聯(lián)結(jié)構(gòu)，即在人體的左右手臂、左右腳踝和前胸連接點(diǎn)擊，然后再進(jìn)行測(cè)量。該測(cè)量方法準(zhǔn)確，但是因?yàn)樾枰B接的導(dǎo)線較多，導(dǎo)致測(cè)量需要的準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)由于操作較復(fù)雜，無(wú)法將心電信號(hào)測(cè)量變成如同體溫測(cè)量一樣簡(jiǎn)單方便，實(shí)現(xiàn)病患者直接在家中即可自我監(jiān)控。本設(shè)計(jì)擬基于STM32處理器制作一雙導(dǎo)聯(lián)便攜式心電圖設(shè)備，設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 便攜式心電圖測(cè)量?jī)x系統(tǒng)框圖

本設(shè)計(jì)所制作的心電信號(hào)測(cè)量?jī)x，使用時(shí)只需要用兩手的大拇指觸摸兩邊的銅箔，心電信號(hào)即可在液晶顯示屏上滾動(dòng)顯示，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到SD卡上或通過USB數(shù)據(jù)線將該信號(hào)上傳到PC，以便對(duì)心電數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析，還可快速、方便探測(cè)人體心電信號(hào)。本設(shè)計(jì)具有操作簡(jiǎn)單、易于攜帶的特點(diǎn)。

2 電路構(gòu)成

心電信號(hào)作為心臟活動(dòng)在人體體表的表現(xiàn)，具有信號(hào)微弱、信噪比低、易受環(huán)境影響等特點(diǎn)。在測(cè)量心電信號(hào)時(shí)，容易受到工頻信號(hào)、基線、電極接觸噪聲、肌電、放大電路內(nèi)部噪聲等多種因素的干擾。為了能獲取良好的心電信號(hào)，本設(shè)計(jì)的心電信號(hào)由電極從人體左右拇指端獲取，送到心電信號(hào)處理電路，經(jīng)前級(jí)差分放大、高低通濾波后，再通過輸出放大后得到一個(gè)可以被STM32處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣的模擬信號(hào)。

2.1 心電信號(hào)的差分放大

在體表獲取生物電信號(hào)時(shí)，大量的無(wú)線電信號(hào)也會(huì)隨著有用信號(hào)一起被傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，如果這些信號(hào)不加處理即送去模數(shù)轉(zhuǎn)換端，必將造成大量的共模噪聲信號(hào)，所以在傳感器輸入端，務(wù)必要想辦法去掉大量的共模信號(hào)，而儀表放大器是最適合用來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的。本設(shè)計(jì)采用ADI公司的AD622儀表放大器，電路如圖2所示。

AD622具有低噪聲、低漂移、高共模抑制比、高輸入阻抗等特點(diǎn)，它的電壓放大倍數(shù)可達(dá)1 000倍。

圖2 心電信號(hào)前端差分放大電路

電極極化電壓最大可達(dá)300 mV，為了防止前置放大器進(jìn)入截止或飽和狀態(tài)，必須限制其放大倍數(shù)，這里增益取10左右即可，由

外部電阻R0選用阻值為5.1 kΩ的精密線繞電阻，

實(shí)現(xiàn)其電壓放大倍數(shù)為G=1+50/R0=10.8。

2.2 基線漂移處理

大量的醫(yī)學(xué)資料和實(shí)踐說明，人體呼吸和測(cè)量電極與人體的接觸情況，會(huì)造成一定的噪聲，這類噪聲的特點(diǎn)是頻率小于0.5 Hz，稱為基線漂移。這類信號(hào)如果長(zhǎng)時(shí)間存在，會(huì)在后端的電路中產(chǎn)生累積，從而造成比較大的直流偏移。本設(shè)計(jì)使用了一個(gè)下限頻率為0.5 Hz的高通濾波器，從而去掉了基線漂移信號(hào)，電路如圖3所示。

圖3 心電信號(hào)基線漂移處理電路

2.3 低通濾波

生物電子學(xué)相關(guān)理論證明，心電信號(hào)的頻率范圍為0.05～100 Hz，100 Hz以上的電信號(hào)對(duì)于心電信號(hào)來說，均為帶外信號(hào)，必須要使用濾波器將這些帶外信號(hào)濾除，才能保證數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)果的正確性。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)得的信號(hào)和頻譜分析儀得到的頻譜分析數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)使用了一個(gè)截止頻率為100 Hz的低通濾波器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)帶外噪聲信號(hào)的去除，該電路如圖4所示。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換前的低通濾波器

經(jīng)過差分放大、高通濾波和低通濾波后，從數(shù)字示波器上可以得到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的波形，該波形如圖5所示。

圖5 心電信號(hào)波形圖

從圖5可以看出，本設(shè)計(jì)所采集到的心電信號(hào)比較干凈，同時(shí)看到該波形還有一些周期性紋波，通過使用頻譜分析儀分析可知，該紋波為50 Hz的工頻干擾。工頻干擾的去除方法很多，既可通過使用純模擬電路構(gòu)成的50 Hz陷波電路將該信號(hào)濾除，也可以通過數(shù)字濾波器的方法濾除。因?yàn)楣β市盘?hào)為電源電路輻射出來的信號(hào)，如果使用陷波電路進(jìn)行濾波，則可以在信號(hào)傳輸?shù)哪骋欢瓮飞蠟V除工頻信號(hào)，但是隨著信號(hào)的傳輸，工頻信號(hào)又會(huì)通過傳輸導(dǎo)線耦合到信號(hào)之中，即使用模擬電路只能降低工頻信號(hào)，無(wú)法消除工頻信號(hào)。所以本設(shè)計(jì)使用數(shù)字IIR濾波器設(shè)計(jì)一個(gè)50 Hz的陷波器，在CPU內(nèi)部進(jìn)行數(shù)字濾波，將50 Hz信號(hào)完整地去除掉。

2.4 STM32處理器及主要接口電路

STM32系列32 bit微控制器使用Cortem-M3內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，豐富的增強(qiáng)I/O端口和鏈接到兩條APB總線的外設(shè)。STM32系列所有型號(hào)的器件都包括2個(gè)12 bit的ADC、3個(gè)通用16 bit定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包括標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。其工作電壓為常見的3.3V。該內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)于滿足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性價(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求。該部分的電路如圖6所示。

圖6 STM32F103系統(tǒng)

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用功能模塊化設(shè)計(jì)方法，程序分成兩部分：一是前臺(tái)程序，是負(fù)責(zé)480 Hz的周期性信號(hào)采集的中斷程序；一個(gè)是后臺(tái)程序，負(fù)責(zé)在LCD上描繪心電圖和將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC上顯示出來。

ADC通過一個(gè)定時(shí)器驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)480 Hz的采樣，其程序流程圖如圖7所示。

圖7 ADC中斷服務(wù)程序

為了降低因?yàn)殡娐返雀鞣N不可預(yù)計(jì)的電信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的影響，每當(dāng)采集到一個(gè)信號(hào)，CPU就對(duì)當(dāng)前的值進(jìn)行均值濾波，降低異常數(shù)據(jù)對(duì)整體心電信號(hào)的影響。在進(jìn)行均值濾波之后，因?yàn)锳D轉(zhuǎn)換出來的數(shù)據(jù)包含了工頻造成的干擾，所以使用一個(gè)中心頻率為50Hz的IIR陷波器將50 Hz信號(hào)去掉，因?yàn)榇螖?shù)的數(shù)據(jù)，已經(jīng)是經(jīng)過數(shù)字化的數(shù)據(jù)，所以這種方法可以比較好地將50 Hz信號(hào)去掉。在經(jīng)過這一系列的處理之后，得到的數(shù)據(jù)已經(jīng)是比較好的心電信號(hào)數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)直接發(fā)送到顯示緩沖區(qū)等待使用即可。

大循環(huán)的while程序作為后臺(tái)程序完成數(shù)據(jù)的顯示和數(shù)據(jù)的發(fā)送兩個(gè)任務(wù)，程序流程圖如圖8所示。

圖8 后臺(tái)程序

4 測(cè)試結(jié)果分析

將電極的兩端分別接到人體的左右手指，在LCD上可見如圖9所示的波形，可見只是一個(gè)比較接近真實(shí)的心電信號(hào)。

圖9 基于STM32的便攜式心電圖測(cè)量?jī)x測(cè)試結(jié)果

從圖中液晶顯示的波形看出，該心電圖儀顯示波形清晰、穩(wěn)定，波形特征明顯，能夠反映人體實(shí)際的心電特征。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過測(cè)試，基于STM32的便攜式心電信號(hào)測(cè)量?jī)x能清晰、穩(wěn)定地測(cè)量心電信號(hào)，為醫(yī)護(hù)人員和患者提供參考，可得以下結(jié)論：

一是基于STM32的便攜式心電圖測(cè)量?jī)x創(chuàng)新地使用了雙導(dǎo)聯(lián)的測(cè)量方式，和傳統(tǒng)的五導(dǎo)聯(lián)測(cè)量方式相比，測(cè)量心電信號(hào)只需要在人體左右拇指進(jìn)行，免除了大量的導(dǎo)線連接，加快了測(cè)量速度；

二是能夠儲(chǔ)存24 h心電數(shù)據(jù)并可以通過USB接口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；采用12864LCD實(shí)時(shí)顯示心電信號(hào)波形，具有良好的人機(jī)交互界面；

三是基于STM32的便攜式心電信號(hào)測(cè)量?jī)x凈質(zhì)量為300 g左右，與目前醫(yī)院使用的心電圖設(shè)備相比，具有操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)。

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