一種基于ARM的心電監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計及相關(guān)研究

摘 "要： 心電圖（ECG）作為心臟監(jiān)護的手段和方法，在心電監(jiān)護中受到重視。在此提出了一種基于ARM的心電監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計，其中心電數(shù)據(jù)處理單元采用ARM7TDMI?S內(nèi)核的LPC2400系列32位處理器進行設(shè)計，采用無線連接和無線收發(fā)的通信手段，及多樣化的接口實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，同時對近年來心電監(jiān)護系統(tǒng)的現(xiàn)狀進行了研究。實驗結(jié)果表明該設(shè)計成本低，易擴展，具有較高的可行性，現(xiàn)實性和操作靈活性。

關(guān)鍵詞： 心電圖; ARM; 心電監(jiān)護系統(tǒng); ARM7TDMI?S; LPC2400

中圖分類號： TN710?34 " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A " " " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）06?0122?04

Design and correlational research of ECG monitoring system based on ARM

MENG Xun

（College of Electronic amp; Information Engineering， Xi’an Technological University， Xi’an 710032， China）

Abstract： Electrocardiogram （ECG） as a means of heart care monitoring is paid attention. A design of "electrocardiograph monitoring system based on ARM is proposed. The 32?bit processor in ARM7TDMI?S kenel LPC2400 series is adopted in design of ECG data processing unit. The wireless connectivity and wireless transceiver are used to realize convenient communication. The system network design is realized by a variety of interfaces. The status of ECG monitoring system in recent years is studied. This design has the characteristics of low cost， easy extension， high feasibility， high practicability and operation flexibility.

Keyword： electrocardiogram; ARM; ECG monitoring system; ARM7TDMI?S; LPC2400

0 "引 "言

心血管疾病作為威脅人類生命安全的疾病之一，其救治受到重視。由于心血管疾病發(fā)作的突然性，對其進行預(yù)防具有重要的地位。作為心臟監(jiān)護的手段和方法，心電圖（ECG）由于在心臟監(jiān)護和診斷的重要地位和作用，心電圖監(jiān)護受到越來越多的重視。目前隨著醫(yī)療的信息化、現(xiàn)代化方向發(fā)展，心電圖作為一項常規(guī)檢查，是就診病人必查的項目之一。

由于心電信號的復(fù)雜性，抽象性，和特殊價值[1]，病人心電圖數(shù)據(jù)不斷累積，臨床和研究帶來很大不便，數(shù)字化心電圖機及心電圖監(jiān)護系統(tǒng)為心電數(shù)據(jù)的信息化管理[2]提供了可能。一種成本低，功耗低，易擴展，可行性和現(xiàn)實性較高，操作靈活的心電監(jiān)護系統(tǒng)成為現(xiàn)實要求，基于ARM的心電監(jiān)護系統(tǒng)就是為解決這個問題而產(chǎn)生的。

普通的心電圖反映當(dāng)時的心電活動狀況，而心電監(jiān)護連續(xù)實時的監(jiān)測心電活動狀況。普通的心電圖一般通過傳統(tǒng)的體表12導(dǎo)聯(lián)心電圖儀[3]，心電監(jiān)護有24 h動態(tài)心電圖[4]。傳統(tǒng)的12導(dǎo)聯(lián)心電圖儀不能連續(xù)地實時進行監(jiān)護，而24 h動態(tài)心電圖有體積大，價格昂貴，移動不便等缺點。因此一種設(shè)計更簡單、功能全、使用更方便的心電圖監(jiān)護系統(tǒng)的出現(xiàn)具有重要意義。本文提出了一種基于ARM的心電監(jiān)護系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計，該設(shè)計采用ARM7TDMI?S內(nèi)核的LPC2400系列處理器。

1 "系統(tǒng)設(shè)計

1.1 "系統(tǒng)設(shè)計介紹

本系統(tǒng)提出一種心電監(jiān)護系統(tǒng)的解決方案。 該心電監(jiān)護系統(tǒng)具有低成本，功能全、使用方便，易擴展的功能要求，無線連接和無線收發(fā)，并具有初步信號處理和自動診斷功能。

1.2 "系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1中PART1所示，系統(tǒng)通過心電終端采集心電數(shù)據(jù)，顯示，存儲，并傳向科室PC服務(wù)器進行心電信號的分析和診斷。更進一步的系統(tǒng)擴展可以與遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)中心（圖1中的PART2）進行信息交互。

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201506＼現(xiàn)代電子技術(shù)15年38卷第6期＼Image＼23t1.tifgt;

圖1 心電監(jiān)護系統(tǒng)

2 "硬件設(shè)計

2.1 "心電終端[5]

2.1.1 "心電產(chǎn)生原理

心肌細(xì)胞膜是半透膜，靜息電位時，膜外排列著一定數(shù)量的陽離子，膜內(nèi)排列著相同數(shù)量的負(fù)離子，膜外電位高于膜內(nèi)電位，稱為極化狀態(tài)。靜息狀態(tài)下，由于心臟各部位心肌細(xì)胞都處于極化狀態(tài)，沒有電位差，電流記錄儀描記的電位曲線平直，即為體表心電圖的等電位線。心肌細(xì)胞在受到一定強度的刺激時，細(xì)胞膜通透性發(fā)生改變，大量陽離子短時間內(nèi)涌入膜內(nèi)，使膜內(nèi)電位由負(fù)變正，這個過程稱為除極。除極的最終目標(biāo)是使極化膜變成外負(fù)內(nèi)正的狀態(tài)，膜電位從-90 mV反轉(zhuǎn)為+30 mV。對整體心臟來說，心肌細(xì)胞從心內(nèi)膜向心外膜順序除極過程中的電位變化，由電流記錄儀描記的電位曲線稱為除極波，即體表心電圖上心房的P 波和心室的QRS波。細(xì)胞除極完成后，細(xì)胞膜又排出大量陽離子，使膜內(nèi)電位由正變負(fù)，恢復(fù)到原來的極化狀態(tài)，此過程由心外膜向心內(nèi)膜進行，稱為復(fù)極。同樣心肌細(xì)胞復(fù)極過程中的電位變化，由電流記錄儀描記出稱為復(fù)極波。由于復(fù)極過程相對緩慢，復(fù)極波較除極波低。心房的復(fù)極波低、且埋于心室的除極波中，體表心電圖不易辨認(rèn)。心室的復(fù)極波在體表心電圖上表現(xiàn)為T波。整個心肌細(xì)胞全部復(fù)極后，再次恢復(fù)極化狀態(tài)，各部位心肌細(xì)胞間沒有電位差，體表心電圖記錄到等電位線。除極和復(fù)極的過程就是心肌細(xì)胞動作電位形成的過程。動作電位被人為分為0相、1相、2相、3相和4相，分別對應(yīng)QRS波、J波、ST段、T波和之后的等電位線。

體表任何區(qū)域都可以記錄到心臟的點活動。記錄心電流的方法是將電極安置在身體不同部位，將電極連接到心電圖機的正負(fù)兩極，心電流進入電流計再返回人體，構(gòu)成一個完整回路。對接收到的心電流進行處理以直觀的圖形輸出得到日常的心電圖。

2.1.2 "采集電路和矯正映射

心電信號的采集可以通過在心電流回路中串接電阻，測量電阻兩端的電壓信號來獲得心電信號。

本文以12導(dǎo)聯(lián)的連接方式，通過12導(dǎo)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)心電圖機對獲得的心電信號進行矯正。對應(yīng)不同的心動周期，在時間軸上建立系統(tǒng)測量的心電電壓信號與12導(dǎo)聯(lián)心電圖機測量心電信號數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系。將這些對應(yīng)關(guān)系以表的形式存儲在系統(tǒng)中，在心電信號進入處理后，以映射后的心電數(shù)據(jù)輸出，這樣就得到了傳統(tǒng)的心電圖。映射表經(jīng)過不斷地矯正更新，存儲在FLASH中，相對于傳統(tǒng)的心電圖機，這樣做的優(yōu)點是通過ARM的計算和接口功能易于組成心電監(jiān)護系統(tǒng)，操作靈活性高，易擴展，便于進行多功能的應(yīng)用設(shè)計擴展。

2.1.3 "硬件架構(gòu)設(shè)計

心電終端由心電數(shù)據(jù)采集單元和心電數(shù)據(jù)處理單元組成。如圖2所示，心電數(shù)據(jù)采集單元采用高速、高精度的A/D處理模擬數(shù)據(jù)。通過生物電極導(dǎo)聯(lián)從人體收集電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過模擬電路和A/D，心電數(shù)據(jù)送入心電數(shù)據(jù)處理單元。

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201506＼現(xiàn)代電子技術(shù)15年38卷第6期＼Image＼23t2.tifgt;

圖2 心電終端

心電數(shù)據(jù)處理單元應(yīng)用嵌入式ARM進行設(shè)計，采用NXP公司的基于ARM7TDMI?S內(nèi)核的LPC2400系列32位處理器，包括LPC2460、2468、2470、2478等多款芯片。包括512 KB的片內(nèi)高速FLASH存儲器，可進行FLASH編程，以及可配置的外部存儲器接口可進行FLASH存儲器擴展，用來存儲心電數(shù)據(jù)。ARM通過編程能進行LCD顯示，連接閃存進行心電數(shù)據(jù)的存儲，并配有時間控制和通信單元，以提高可擴展性和擴展靈活性。LPC2400系列處理器含有三個獨立的晶體振蕩器：主晶振，內(nèi)部IRC晶振和RTC晶振。每個晶振根據(jù)不同的需求有多種使用方法。通過設(shè)置時鐘頻率等進行時間控制。

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201506＼現(xiàn)代電子技術(shù)15年38卷第6期＼Image＼23t3.tifgt;

圖3 心電數(shù)據(jù)處理單元

2.2 nbsp;科室PC服務(wù)器

科室PC服務(wù)器采用價格性能合適的電腦作為服務(wù)器，通過RS 232與心電終端有線連接，進行心電數(shù)據(jù)的簡單存儲和分析。之間可加入無線收發(fā)模塊，變有線連接為無線連接，提高系統(tǒng)的使用靈活性?？剖襊C服務(wù)器可以有多個RS 232口進行系統(tǒng)的擴展。科室PC服務(wù)器一個或多個與遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)中心組成局域網(wǎng)進行信息交互。

3 "軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括兩個模塊：數(shù)據(jù)采集模塊和中央處理模塊。

3.1 "數(shù)據(jù)采集模塊

3.1.1 "LPC2400系列的基本操作

軟件設(shè)計在硬件設(shè)計基礎(chǔ)上進行，硬件采用基于ARM7TDMI?S內(nèi)核的LPC2400系列32位處理器，軟件設(shè)計根據(jù)LPC2400系列處理器的配置進行。LPC2400系列的基本操作包括如下：

（1） 硬件觸發(fā)轉(zhuǎn)換

如果ADCR的突發(fā)位為0且開始字段的值包含在010～111之間，當(dāng)所選引腳或定時器匹配信號發(fā)生跳變時則會啟動一次轉(zhuǎn)換。也可選擇在4個匹配信號中任何一個指定邊沿啟動轉(zhuǎn)換，或在兩個捕獲/匹配引腳中任何一個指定邊沿啟動轉(zhuǎn)換。

（2） 中斷

當(dāng)完成位為1時，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，ADC轉(zhuǎn)換模塊向中斷控制寄存器VIC發(fā)出中斷請求。如果VIC中的VICINTEnable的位8（ADC中斷使能位）為1時，說明可以取數(shù)，則會產(chǎn)生中斷。在讀取ADDR后，完成位清0。

（3） 精度和數(shù)字接收器

當(dāng)使用ADC用來測量Ain引腳電壓時，可以不理會引腳在引腳選擇寄存器中的設(shè)置。提高轉(zhuǎn)換精度可以通過禁止引腳的數(shù)字接收器，選擇Ain功能。

3.1.2 "軟件處理流程

數(shù)據(jù)采集模塊主要是對電極從人體來的模擬數(shù)據(jù)進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。首先初始化變量，然后進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集模塊軟件處理流程如圖4所示。

分別對多個通道進行檢測，程序文件為adc.c，程序如下：

# include lt;nxp/iolpc2468.hgt;

#include \"type.h\"

#include \"irq.h\"

#include \"target.h\"

#include \"adc.h\"

#include lt;intrinsics.hgt;

Int jiance（int argc，char **argv）

{

ADCInit（ADC_CLK）; " " " " " " " " " " " " " " " "http://初始化ADC

int i，ch， usConData，usEndData，fd;

char *ECGCH=\"0\";

static char *driver=\"/dev/musc/adc\";

fd=open（driver，O_RDWR）;

while（1）

{

Read（fd，amp;usConData，1）;}

Return 0;

}

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201506＼現(xiàn)代電子技術(shù)15年38卷第6期＼Image＼23t4.tifgt;

圖4 A/D轉(zhuǎn)換軟件處理流程

3.2 "中央處理模塊

中央處理模塊對A/D轉(zhuǎn)換后的心電數(shù)據(jù)進行處理，在LCD上顯示，或進行進一步信號處理作出診斷。中央處理模塊流程如圖5所示。

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201506＼現(xiàn)代電子技術(shù)15年38卷第6期＼Image＼23t5.tifgt;

圖5 中央處理模塊流程

4 "心電系統(tǒng)設(shè)計現(xiàn)狀研究

4.1 "心電終端

幾年來心電終端設(shè)計出現(xiàn)多技術(shù)，多樣化的趨勢。

（1） 從人體的電信號進入系統(tǒng)可為生物電極，也有成熟的傳感器產(chǎn)品可直接使用，這影響著后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

（2） 中央處理模塊可以DSP，ARM，PDA終端等進行設(shè)計。通過DSP芯片硬件設(shè)計和軟件編程可實現(xiàn)對從心電采集模塊輸入心電數(shù)據(jù)的信號處理，可通過硬件電路和軟件算法實現(xiàn)。特點是簡潔，運算速度快，成本低，靈活性相對差。

利用ARM進行中央處理模塊設(shè)計，特點是算法設(shè)計多樣，功能設(shè)計靈活性高，易組網(wǎng)擴展。而利用PDA終端設(shè)計中央處理模塊具有界面好，很好的使用靈活性和可操作性的優(yōu)點。通過嵌入式編程，簡潔的界面設(shè)計比較容易實現(xiàn)，操作方便。通過相應(yīng)的菜單.工具按鈕等軟件設(shè)計可以方便地實現(xiàn)心電信號的采集、顯示和存儲，并且可對波形進行縮放、移動和重放，界面設(shè)計靈活。

（3） 外設(shè)靈活，多功能接口。接口多樣化保證心電系統(tǒng)良好的可擴展性。

（4） 各模塊之間的連接分為無線連接和有線連接。利用藍(lán)牙，射頻以及GPRS等技術(shù)進行無線接口設(shè)計，是一種趨勢。有線連接接口有串口，并口和USB等。

（5） 心電功能插件及模塊也是一種成熟技術(shù)和設(shè)計趨勢，設(shè)計有普通設(shè)計和實現(xiàn)某一種或幾種功能設(shè)計。

（6） 與外部心電數(shù)據(jù)資源信息共享成為一個發(fā)展方向。

4.2 "心電系統(tǒng)

近年來隨著信息技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程醫(yī)療得到極大發(fā)展，心電終端與科室服務(wù)器及科室服務(wù)器之間以及與遠(yuǎn)程醫(yī)療中心之間的信息連接和交互手段出現(xiàn)多樣化趨勢，常見的有局域網(wǎng)和以太網(wǎng)，GPRS等可利用網(wǎng)絡(luò)資源及射頻，藍(lán)牙，WIFI等通信接口技術(shù)。

本文的解決方案為以ARM設(shè)計中央處理模塊，采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)組織和組網(wǎng)靈活，良好的可擴展性和數(shù)據(jù)資源共享為設(shè)計目標(biāo)。近年來也出現(xiàn)對某一功能模塊為設(shè)計目標(biāo)的設(shè)計傾向。

5 "結(jié) "語

本文采用ARM，利用外部網(wǎng)絡(luò)資源進行心電系統(tǒng)的設(shè)計，保證了組織靈活、易擴展及數(shù)據(jù)資源共享等，是一種比較理想的設(shè)計方案。同時對心電系統(tǒng)的設(shè)計現(xiàn)狀進行了研究，具有重要的現(xiàn)實和借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 付禮霞，馮念倫，劉義慶，等.心電信息管理系統(tǒng)研究[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2010，11（7）：45?47.

[2] 董愛華，李小華.數(shù)字化心電信息系統(tǒng)原理與應(yīng)用[J].中國醫(yī)療器械信息2008，14（2）：10?12.

[3] 陳華，李全忠，陳建中.常規(guī)心電圖與動態(tài)心電圖不同導(dǎo)聯(lián)連接方式對QRS波形的影響[J].中國全科醫(yī)學(xué)，2010，13（27）：3090?3092.

[4] 王麗萍，董軍.心電圖模式分類方法研究與分析[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，2010，29（6）：916?923.

[5] 陳偉平，夏勇，李剛.心電信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國數(shù)字醫(yī)學(xué)，2008（11）：40?42.

[6] 黃嵐，宋凌鯤.現(xiàn)代心電圖學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[7] 徐愛鈞.IAR EWARM V5 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用編程與開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[8] 李享元，高建中，朱學(xué)慧.基于DSP心電圖機的設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2011，30（10）：22?24.

[9] 淤忠淵，魏義祥.基于DSP的12導(dǎo)聯(lián)同步心電圖采集系統(tǒng)的研制[J].中國醫(yī)療器械雜志，2004，28（5）：326?328.

[10] 周炳坤，張躍，趙醍.基于PDA的無線心電監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2007，28（10）：18?20.

[11] 孟勛.心內(nèi)膜下活力率（EVR）的研究：EVR算法與相關(guān)心電特征點的找取及其模塊實現(xiàn)[D].西安：西安交通大學(xué)，2003.