手持心率變異性采集分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李開元，王步青，王衛(wèi)東

解放軍總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程中心，北京市，100853

0 引言

心率變異性（Heart Rate Variability，HRV），有時(shí)也稱心率振蕩或心律波動(dòng)，是指連續(xù)心跳間R-R間期的微小漲落。產(chǎn)生這種微小漲落的因素包括腦的高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自發(fā)性節(jié)律活動(dòng)、呼吸活動(dòng)以及由壓力、化學(xué)感受器傳入的心血管反射活動(dòng)等。影響心率波動(dòng)的最后通道在于，上述各種因素對(duì)心交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)的綜合調(diào)節(jié)作用的結(jié)果。對(duì)HRV進(jìn)行頻譜分析得到的高頻成分（HF）和低頻成分（LF），分別反映了自主神經(jīng)系統(tǒng)中的副交感神經(jīng)和交感神經(jīng)的活性，反映了心臟交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)活動(dòng)的緊張性和均衡性，是一種檢測(cè)自主神經(jīng)性活動(dòng)的非侵入性指標(biāo)[1]。近年來的大量研究已充分肯定了自主神經(jīng)活動(dòng)與多種疾病有關(guān)系，特別是與某些心血管疾病的死亡率，尤其是猝死率有關(guān)。通過ECG變換和處理，來獲得心血管系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)等有關(guān)信息的內(nèi)在規(guī)律，用以說明人體的生理或病理變化，是HRV分析的實(shí)質(zhì)。目前市場(chǎng)上涉及的心電信號(hào)采集或分析處理設(shè)備基本包含了心電圖機(jī)、監(jiān)護(hù)儀、心電記錄儀、遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)和便攜心電檢測(cè)儀等，主要功能均為采集并顯示（含記錄）患者心電信號(hào)，并進(jìn)行波形的病理分析。因此，便攜式心電設(shè)備也成為目前研究的熱點(diǎn)，以超思公司為代表的手持式單導(dǎo)聯(lián)心電檢測(cè)儀的面世，將心電測(cè)量帶入了超小型化和簡(jiǎn)易化的時(shí)代；而國際知名芯片商AD公司和TI公司也相繼推出了無需右腿驅(qū)動(dòng)的單導(dǎo)聯(lián)手持心電測(cè)量方案，供研究人員使用。

心率變異性分析產(chǎn)品主要集中在時(shí)域參數(shù)，如SDNN、r-MMSD等，針對(duì)頻域特性甚至反映功率譜的較為稀少。在硬件方面，心率變異性分析有的作為心電holter等心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的附屬功能，也有部分專用設(shè)備，但體積龐大。在數(shù)據(jù)采集方式上，大體分為心電信號(hào)和血氧飽和度信號(hào)。隨著心率變異性研究的逐漸深入與臨床的緊密結(jié)合，心率變異性參數(shù)越來越受到研究人員和醫(yī)生的關(guān)注?；诖?，本文提出了一種低成本、超便攜的心率變異性數(shù)據(jù)采集裝置和上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，具體要求如下：

●心電信號(hào)采集裝置超小型化；

●計(jì)算心率變異性參數(shù)，尤其是頻域參數(shù)，相應(yīng)具備數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，有出具數(shù)據(jù)報(bào)告等功能；

●超低功耗，低成本，便于臨床科室大量配備，用于身體、精神壓力的評(píng)估，自主神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)性和平衡性的量化，以及臨床藥物反映的監(jiān)測(cè)等。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

如圖1所示，硬件系統(tǒng)為一套依靠雙手拇指按觸電極進(jìn)行心電信號(hào)采集的微型單導(dǎo)聯(lián)心電采集裝置。雙手電極采集的信號(hào)經(jīng)儀表放大器、次級(jí)放大及濾波電路調(diào)理后[2]，被單片機(jī)內(nèi)集成的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器采樣，采樣率靠定時(shí)器精確控制，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為250 Hz。儀表放大器選用TI公司的INA332，單片機(jī)選用TI公司的MSP430超低功耗系列單片機(jī)MSP430F5438，其內(nèi)部自帶FLASH達(dá)256KB，足可以存儲(chǔ)5-10分鐘心電數(shù)據(jù)，不但簡(jiǎn)化了電路，也因無需外掛存儲(chǔ)器而增加不必要的成本。當(dāng)患者心電數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，可將此設(shè)備通過COM-USB芯片SPCP825A連接計(jì)算機(jī)計(jì)算USB口[3]，啟動(dòng)心率變異性計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算。由于心率變異性參數(shù)的計(jì)算，尤其是頻譜參數(shù)計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，暫時(shí)無法實(shí)現(xiàn)單片機(jī)內(nèi)硬件計(jì)算，我們將進(jìn)一步研究使用DSP芯片實(shí)現(xiàn)心率變異性的片上計(jì)算，并實(shí)時(shí)在檢測(cè)儀的液晶屏上顯示。出于成本考慮，本文實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)僅限于心率變異性分析儀采集數(shù)據(jù)，上傳到電腦分析并顯示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of hardware system

系統(tǒng)采用可充電鋰電池作為電源。充電芯片采用ADI公司的ADP2291[4]，輸入電壓為5 V，可通過開關(guān)電源或計(jì)算機(jī)的USB口取電。電池的輸出通過電源管理芯片TPS76033轉(zhuǎn)換為3.3 V，為單片機(jī)及模擬電路供電，確保了系統(tǒng)的通用電氣安全。

1.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

圖2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Flowchart of firmware

圖2為擬設(shè)定的本課題單片機(jī)程序簡(jiǎn)要流程圖，分為兩個(gè)模塊。一為信號(hào)采樣模塊，通過依靠人體阻抗與電路設(shè)定的阻抗網(wǎng)絡(luò)對(duì)比來檢測(cè)是否電極被按觸，從而喚醒單片機(jī)，啟動(dòng)定時(shí)器并按設(shè)定采樣率（本系統(tǒng)采用250 Hz采樣率）進(jìn)行信號(hào)采樣。將采樣的數(shù)據(jù)存入片內(nèi)FLASH，達(dá)到5 min數(shù)據(jù)量[5]或患者手指離開則視為檢測(cè)結(jié)束。FLASH內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的空間前四位留作存儲(chǔ)數(shù)據(jù)長度值。依靠指示燈作為信息反饋的指示。二為與上位機(jī)通信模塊，依靠UART中斷來喚醒單片機(jī)，響應(yīng)上位機(jī)發(fā)送的指令將數(shù)據(jù)傳遞到上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行HRV計(jì)算。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 HRV計(jì)算組件

由于對(duì)HRV序列的基于自回歸的AR模型的現(xiàn)代譜估計(jì)(階數(shù)為11) 要優(yōu)于基于FFT的周期圖法，本系統(tǒng)對(duì)提取的5分鐘的HRV序列做基于自回歸的AR模型的現(xiàn)代譜估計(jì)。選用MATLAB中的polyfit多項(xiàng)式擬合函數(shù)用最小二乘的曲線擬合算法，擬合各個(gè)頻段的功率譜曲線，然后用quad8函數(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)法的積分運(yùn)算，得到VLF、LF和HF三個(gè)頻段的功率。各頻段計(jì)算參數(shù)[6]如下：

將計(jì)算函數(shù)在MATLAB R2006b(MATLAB 7.3.0)中打包生成com組件，供LabVIEW軟件調(diào)用。其函數(shù)原型為function [TP_5, LF_5, HF_5, SDNN_5,SDNN_51, SDNN_53, HI_RATE_5, LO_RATE_5,MEAN_RATE_5]=HRV(FileName)，其中，函數(shù)的輸入值為心電數(shù)據(jù)的路徑（文件存儲(chǔ)格式為無符號(hào)8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式）；函數(shù)的返回值（格式：雙精度浮點(diǎn)數(shù)，8字節(jié)）分別為：

5minHRV數(shù)據(jù)的總功率：TP_5

5minHRV數(shù)據(jù)的低頻功率：LF_5

5minHRV數(shù)據(jù)的高頻功率：HF_5

5minHRV數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差：SDNN_5

5min的前、后1/3HRV數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差：SDNN_51 SDNN_53

5min的平均心率：MEAN_RATE_5

5min的最大心率：HI_RATE_5

5min的最小心率：LO_RATE_5

2.2 上位機(jī)軟件

測(cè)試版上位機(jī)軟件，采用LabViEW8.2軟件編寫，圖3為程序流程。通過USB口與采集系統(tǒng)通信，發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令字“0x01”，獲取存儲(chǔ)的心電數(shù)據(jù)。其中前四字節(jié)為系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)長度，根據(jù)數(shù)據(jù)長度顯示心電波形，并調(diào)用計(jì)算組件進(jìn)行計(jì)算相應(yīng)心率變異性參數(shù)值。

圖3 上位機(jī)軟件程序Fig.3 Program for PC

3 結(jié)論

低成本、低功耗、便攜的心率變異性采集分析系統(tǒng)，為臨床診斷、醫(yī)學(xué)研究提供了方便，可以大量配備、大樣本采集和集中分析。本文實(shí)現(xiàn)的采集系統(tǒng)能夠使用少量的芯片采集并存儲(chǔ)5 min心電數(shù)據(jù)。通過自主編寫的計(jì)算軟件，計(jì)算并顯示心率變異性的各類參數(shù)，尤其是頻域的參數(shù)。目前已完成原理樣機(jī)的開發(fā)和測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)(圖4)。出于成本考慮，沒有增加采集裝置的顯示設(shè)備。下一步的開發(fā)重點(diǎn)在于增加小型顯示屏，并將算法通過單片機(jī)或DSP芯片實(shí)現(xiàn)。

圖4 測(cè)試版軟件界面Fig.4 Interface of beta software

[1]王步青, 王衛(wèi)東, 心率變異性分析方法的研究進(jìn)展[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程, 2007, 26(5): 551-554.

[2]Abhishek Joshi, Sourabh Ravindran, Austin Miller.EKG-Based Heart-Rate Monitor Implementation on the LaunchPad Value Line Development Kit Using the MSP430G2452 MCU[EB/OL].www.ti.com, 2011-03

[3]李開元, 胡敏露, 王衛(wèi)東, 等.USB心電信號(hào)采集卡的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2006.27(3):25-26.

[4]Analog Devices, Inc.ADP2291 Compact, 1.5 A Linear Charger for Single-Cell Li+ Battery Data Sheet (Rev.A)[EB/OL]. www.analog.com, 2011-05

[5]王步青, 王衛(wèi)東.心率變異性的研究方法及其對(duì)于短時(shí)睡眠數(shù)據(jù)的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程, 2007, 7(6): 1161-1163, 1179.

[6]王步青.心率變異性及R波奇異性的研究[D].中國人民解放軍軍醫(yī)進(jìn)修學(xué)院, 2007