基于ARM的多模式便攜心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ARM的多模式便攜心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉穎，梁湞，章浩偉

上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093)

微創(chuàng)勵(lì)志創(chuàng)新基金

E-mail：ling2431@163.com

【摘要】為實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，該文提出了具有運(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)和病理監(jiān)護(hù)功能的多模式便攜心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)采用高性能、低成本、低功耗的嵌入式ARM內(nèi)核作為控制微處理器，實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)預(yù)處理、心電信號(hào)采集分析以及多模式監(jiān)護(hù)信息傳輸、定位、預(yù)警等功能。設(shè)計(jì)便攜輕巧、價(jià)格低、抗干擾能力強(qiáng)，適用于家用心電監(jiān)護(hù)和輔助診斷醫(yī)護(hù)工具，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

【關(guān)鍵詞】心電監(jiān)護(hù)；多模式；采集；ARM

doi:10.3969/j.issn.1674-1242.2015.02.005

基金項(xiàng)目：上海市科委醫(yī)學(xué)引導(dǎo)項(xiàng)目(12401907700)；

作者簡介：劉穎，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程。

【中圖分類號(hào)】R318

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

文章編號(hào)：1674-1242(2015)02-0081-05

Abstract【】In order to achieve the real-time monitoring of ECG signal, this paper designed the multi-mode portable ECG monitoring system with the functions of exercise monitoring and pathological monitoring. An ARM kernel designed with high performance, low cost, low power consumption，and embedded properties is selected as microprocessor control. The system implements the functions of analog signal pretreatment, ECG signal acquisition and analysis, multi-mode monitoring information transmission, positioning and pre-warning function. The system is characterized by portable and lightweight, low price,and high anti-interference ability,suiting domestic ECG monitoring and medical auxiliary diagnosis, which indicates this system has a broad market prospect.

收稿日期：(2015-03-24)

Design of Multi-mode Portable ECG Monitoring System Based on ARM

LIU Ying, LIANG Zhen, ZHANG Haowei

School of Medical Instrument and Food Engineering,

University of Shanghai for Science and Technology (Shanghai, 200093)

【Key words】ECG monitoring，multi-mode，acquisition，ARM

0　引言

近年來，我國人口老齡化程度越來越嚴(yán)重[1],心臟病一類疾病的發(fā)病率呈逐年遞增趨勢(shì)，成為威脅健康的重要因素之一[2]。實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)心電信號(hào)，不僅有利于及早發(fā)現(xiàn)病癥并給予最佳的治療，同時(shí)可以對(duì)運(yùn)動(dòng)計(jì)劃的建立進(jìn)行科學(xué)的指導(dǎo)安排[3]。但常規(guī)心電監(jiān)護(hù)設(shè)備體積笨重、價(jià)格昂貴，不便于攜帶，難以滿足對(duì)心電信號(hào)監(jiān)護(hù)的便攜和便利性的要求[4]。鑒于此，本文提出了基于ARM的多模式便攜心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心電信號(hào)的采集分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，有病理監(jiān)護(hù)和運(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)兩種工作模式，具有顯示、異常信號(hào)自動(dòng)報(bào)警并發(fā)送患者監(jiān)護(hù)信息等功能，具有體積小巧、超低功耗、實(shí)時(shí)多模式監(jiān)護(hù)、價(jià)格低廉、便于攜帶等優(yōu)勢(shì)。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，包括心電信號(hào)采集預(yù)處理模塊和以基于32位ARM Cortex-M4內(nèi)核STM32單片機(jī)為核心的控制分析模塊。其中預(yù)處理模塊包括前置放大電路、右腿驅(qū)動(dòng)、高通濾波電路、低通濾波電路、主放大電路、工頻濾波電路和電平抬升電路，控制分析模塊包括心電信號(hào)的實(shí)時(shí)采集分析、顯示、存儲(chǔ)、定位、報(bào)警等，實(shí)現(xiàn)了病理監(jiān)護(hù)和運(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)兩種模式。

圖1系統(tǒng)框圖

Fig.1System block diagram

1.1心電信號(hào)采集預(yù)處理設(shè)計(jì)

人體的心電信號(hào)是一種頻率較低的微弱生物電信號(hào)，常規(guī)心電信號(hào)是毫伏級(jí)信號(hào)[5]，一般幅度范圍在0.05～5 mV之間，其頻率范圍在0.05～100 Hz之間[6]，主要能量集中在17 Hz附近[7]。考慮到心電信號(hào)的微弱性、噪聲強(qiáng)、易受干擾等特點(diǎn)[8]，設(shè)計(jì)采集預(yù)處理模塊框圖如圖2所示。

圖2心電信號(hào)采集預(yù)處理框圖

Fig.2ECG signal acquisition preprocessing block diagram

首先，應(yīng)用前置放大電路將電極片采集的人體左、右臂心電信號(hào)進(jìn)行差分放大，這是心電采集的第一步也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于心電信號(hào)的特點(diǎn)以及環(huán)境背景噪聲強(qiáng)，要求此級(jí)電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍[9]。同時(shí)考慮到原始心電信號(hào)中混雜著比心電信號(hào)幅度大的多的直流信號(hào)和噪聲，前置放大增益太大會(huì)影響電路的直流穩(wěn)定性[10]，因此設(shè)計(jì)的前置放大倍數(shù)在8倍左右，電路如圖3所示。在前置放大電路提取出來的共模信號(hào)，通過右腿驅(qū)動(dòng)電路倒相、放大反饋到右腿上，使人體的位移電流不流地，而是通過運(yùn)放輸出，已達(dá)到更進(jìn)一步的降低工頻干擾和提高共模抑制比。

由于人體的心電信號(hào)頻率范圍為0.05 Hz～100 Hz，在前置放大電路差分放大的信號(hào)之后應(yīng)用低通與高通電路濾波[11-12]，其截至頻率分別是0.05 Hz和100 Hz。心電信號(hào)幅度一般為1 mV左后，考慮后續(xù)采集電路以及對(duì)心電特征波的分析，在經(jīng)過前置電路預(yù)放大之后，通過主放大電路來把提取出來的心電信號(hào)進(jìn)行再次放大，達(dá)到伏(V)量級(jí)。主放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為100倍，因此整個(gè)電路的增益為800倍左右。雖然前置放大電路對(duì)共模干擾具有一定的抑制作用，但是有部分工頻干擾仍以差模方式進(jìn)入電路，且頻率處于心電信號(hào)的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定的因素，前級(jí)電路輸出的心電信號(hào)仍存在較強(qiáng)的工頻干擾，所以經(jīng)主放大電路輸出的信號(hào)需進(jìn)行工頻濾波。再通過電平抬升電路使濾波后的信號(hào)范圍由-0.5 V～+1.5 V轉(zhuǎn)換為0 V～+3.3 V，使A/D模塊滿幅輸入，保證后續(xù)處理部分能采集到完整的心電信息。

圖3心電信號(hào)采集預(yù)處理電路圖

Fig.3Circuit diagram of ECG signal acquisition preprocessing

1.2基于ARM的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)模式和病理監(jiān)護(hù)模式下的心電信號(hào)的采集分析、數(shù)據(jù)傳輸、定位預(yù)警等功能由基于ARM的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。其控制流程如圖4所示。

1.2.1病理監(jiān)護(hù)模式

將各類疾病和治療信息存儲(chǔ)在SD卡中，通過STM32微處理器對(duì)采集得到的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行特征量分析并確定其特征值，調(diào)用SD卡內(nèi)存儲(chǔ)的常見心臟病的數(shù)據(jù)庫，來判斷心電數(shù)據(jù)是否異常。若發(fā)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)異常，則進(jìn)行語音警報(bào)和紅色LED燈閃爍預(yù)警，并把分析得到的異常心電結(jié)果在LCD液晶屏上顯示出來，同時(shí)以時(shí)間-電壓波形的形式保存下來。

圖4控制系統(tǒng)功能流程圖

Fig.4Flow chart of control system function

基于大容量的SD卡，建立了判斷心率失常的數(shù)據(jù)庫(MIT-BIH)，其中包括了48個(gè)常見病例，比如：心室顫動(dòng)、心房顫動(dòng)、房性早搏、室性早搏、心臟停搏及起搏等，作為微處理器對(duì)心電信號(hào)分析處理的依據(jù)，提取采集信息的特征量與之比對(duì)，做出判斷。如連續(xù)3次監(jiān)測(cè)出現(xiàn)異常，及時(shí)做出響應(yīng)。在預(yù)警的同時(shí)，將分析得到的異常心電結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)并顯示，還可以通過USB把異常數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端作進(jìn)一步的病理分析。另外，若在預(yù)定義的時(shí)間內(nèi)警報(bào)沒有消除，微處理器接受GPS模塊接收的信息，計(jì)算出病人所處地理位置的經(jīng)度、緯度，通過藍(lán)牙模塊(ATK-HC05)將微處理器與手機(jī)端相連接，并自動(dòng)發(fā)送指令控制手機(jī)終端撥打設(shè)置的特定電話比如120、指定醫(yī)生或者親屬的手機(jī)號(hào)碼，還可以向手機(jī)終端發(fā)送病人的基本信息，實(shí)現(xiàn)及時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。其藍(lán)牙傳輸流程如圖5。

1.2.2運(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)模式

在運(yùn)動(dòng)過程采集心電信息，計(jì)算并記錄心率值實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)及預(yù)警；通過USB連接PC端可以對(duì)心電信息進(jìn)行進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，還可以對(duì)運(yùn)動(dòng)計(jì)劃的建立進(jìn)行科學(xué)的指導(dǎo)安排。

圖5藍(lán)牙傳輸流程圖

Fig.5Flow chart of Bluetooth transmission

首先，根據(jù)運(yùn)動(dòng)計(jì)劃安排預(yù)先設(shè)定不同年齡不同性別的正常心率上下限值，當(dāng)檢測(cè)到的心率值連續(xù)三次不在正常范圍之內(nèi)時(shí)，啟動(dòng)語音和LED閃爍報(bào)警，并在LCD上顯示預(yù)警界面以及幫助指導(dǎo)說明，比如計(jì)劃修改建議、運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)等。基于心電波形的特點(diǎn)，采用QRS波的斜率來檢測(cè)R波。首先設(shè)置一個(gè)斜率閾值[13-14]，利用定時(shí)器控制觸發(fā)，當(dāng)心電數(shù)據(jù)斜率超過預(yù)設(shè)置的閾值時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，計(jì)算出R-R間期時(shí)間，然后用60除以R-R間期時(shí)間就得到了心率數(shù)Nhr。具體計(jì)算公式如下：

通過USB接口將微處理器與PC終端相連接[15]，可以把采集的心電數(shù)據(jù)以時(shí)間-幅度列表格式進(jìn)行存儲(chǔ)，以合理安排運(yùn)動(dòng)，科學(xué)的調(diào)整運(yùn)動(dòng)計(jì)劃。為了提高采樣效率，在微處理器的內(nèi)存空間中開辟4 kB作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當(dāng)外部模擬信號(hào)送入A/D模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，可以在LCD液晶屏實(shí)時(shí)地顯示心率和心電波形，并能把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在大容量的SD卡內(nèi)，其容量可高達(dá)32 GB。利用 STM32 自帶的 SPI 接口，其最大傳輸速率可達(dá)18 Mbps，并且每秒可以傳輸2 MB以上的數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到PC機(jī)的傳輸命令時(shí)，A/D模塊每次轉(zhuǎn)換結(jié)束之后，通過DMA方式將轉(zhuǎn)換后的16位數(shù)據(jù)順序搬移到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，待緩沖區(qū)滿后，將4 kB數(shù)據(jù)打包經(jīng)由USB總線回傳到PC終端，其USB控制流程如圖6。

圖6USB數(shù)據(jù)傳輸流程圖

Fig.6Flow chart of USB data transmission

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先，驗(yàn)證本系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)模式下的心率檢測(cè)功能和性能。我們采集了一健康男性(24歲)和一健康女性(23歲)在安靜和運(yùn)動(dòng)時(shí)期各30 min的心電波形，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)護(hù)中取了運(yùn)動(dòng)時(shí)的8個(gè)時(shí)刻以及運(yùn)動(dòng)后9 min的心電數(shù)據(jù)，計(jì)算對(duì)應(yīng)的心率值并與安靜狀態(tài)相比較，心率變化曲線如圖7所示。結(jié)果可見其均在正常范圍之內(nèi)。

在病理監(jiān)護(hù)模式下再次采集該健康男性的心電信息，并設(shè)置100次/min為心動(dòng)過速。在運(yùn)動(dòng)期間，心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)診斷為心動(dòng)過速，將預(yù)警前后3 min之間的心電波形圖通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)端。圖8為截取的部分心電波形圖，圖中顯示的心電信號(hào)各部分特征波形明顯。

圖7心率變化曲線(運(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)模式)

Fig.7The change curve of rhythm (exercise monitoring)

圖8心電波形(病理監(jiān)護(hù)模式)

Fig.8ECG waveform (pathological monitoring)

3　總結(jié)

本文以ARM為控制核心，提出了具有運(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)模式和病理監(jiān)護(hù)模式的便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體心電信號(hào)的采集處理、定位、報(bào)警等功能，對(duì)常見心率失常診斷比如：心室/房顫動(dòng)、心動(dòng)過速/緩、房/室性早搏、心率不齊、停搏、漏搏等能進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)護(hù)。整個(gè)系統(tǒng)集成于一塊電路板上(145 mm×85 mm)，并且STM32單片機(jī)具有高達(dá)18個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換通道以及豐富的I/O口，可方便的進(jìn)行功能的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)其它生理信號(hào)的采集與處理，具有很高的普及性和應(yīng)用意義。

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