小型化心電信號檢測系統(tǒng)設(shè)計*

劉 靜 陳艷麗 楊樹蔚 邢 靜 劉葉楠 閆克丁

（1.西安培華學(xué)院智能科學(xué)與信息工程學(xué)院 西安 710065）（2.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021）

1 引言

隨著電子科學(xué)技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)及自動化儀表的迅速發(fā)展，心電信號的檢測設(shè)備的發(fā)展越來越蓬勃［1～2］，尤其是新興的智能手環(huán)，方便了人們對自身各項生理指標(biāo)的實時了解［3］。市場上已經(jīng)出現(xiàn)形形色色的智能手環(huán)，可穿戴在人們手腕上，通過一種光電傳感器，這種傳感器在貼近人皮膚時，會發(fā)出一道光線，直接照射在人體的皮膚表面，肌肉和血液會對這道光線進行吸收，光信號的強度產(chǎn)生一定衰減，最終再反饋到傳感器接收器上，顯示測試結(jié)果。這種手環(huán)無疑攜帶很輕便，測試簡單，但它的測量結(jié)果精確度卻受到廣大研究者的質(zhì)疑，有志愿者專門測試對比手環(huán)與心電圖儀測試精準(zhǔn)度之差，最終對比表明，不同的手表所測得結(jié)果都與通過心電圖所測的心率值有5%～10%的偏差［4～6］。因此，傳統(tǒng)的肢體導(dǎo)聯(lián)式心電圖測量具有一定準(zhǔn)確性意義，更能精確地測出患者心電及心臟疾病變化狀態(tài)［7］，在醫(yī)學(xué)教學(xué)和臨床診斷治療中具有更高的的參考價值［8～9］。

近年來，隨著人們生活質(zhì)量水平的提升，人們對自身心血管疾病的預(yù)防越來越看重。心臟健康的穩(wěn)定性是導(dǎo)致心血管疾病的重要因素［10～11］，對于心電健康的監(jiān)測是預(yù)防心血管疾病的重要方式［12］。在醫(yī)療水平和收入較低的農(nóng)村，常常因無法獲取到心電圖等基本診斷方式而導(dǎo)致的遲診而困惑［13～14］，本文旨在了解小型輕量級心電采集系統(tǒng)在不同用例的設(shè)計特點和系統(tǒng)能力方面的研究現(xiàn)狀，可協(xié)助診斷心臟類疾病，心率可通過心電圖中RR 波間隙準(zhǔn)確計算得出，而呼吸阻抗是用來監(jiān)測人類呼吸速率的［15］，對于心臟疫病診斷具有很大的輔助作用，因此在醫(yī)學(xué)上，心電信號的精確采集、分析以及處理，對于治療疾病和臨床醫(yī)學(xué)研究具有非常重要的意義［16］。如何在確保成本較低的基礎(chǔ)上，還能精確的測量心電信號，將是我們值得研究的永恒課題［17］。

因此本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種小型化心電信號檢測系統(tǒng)，相比醫(yī)院心電圖檢測，不僅便攜，操作簡單，而且可以實時連接一次性電極貼片準(zhǔn)確測量心電圖，完成系統(tǒng)化設(shè)計。

2 小型化心電信號檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

心電信號檢測系統(tǒng)可分為心電信號檢測系統(tǒng)前端采集部分設(shè)計與心電信號檢測系統(tǒng)控制部分設(shè)計兩部分。前端采集部分主要是通過STM32 主控芯片使用串口通信對心電采集模塊獲取心電數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的初步采集，處理，將處理后的數(shù)據(jù)可通過預(yù)先定義好的串口號發(fā)送給USART HMI串口屏和上位機，進行顯示波形及心率大小。心電信號采集系統(tǒng)前端采集部分設(shè)計主要由STM32F103RET6 芯片、ADS1292R 心電采集模塊、串口屏顯示模塊、系統(tǒng)電源以及PC 處理器等部分組成，心電信號采集系統(tǒng)嵌入式軟件設(shè)計包括系統(tǒng)初始化、心電波形獲取、心率計算、呼吸波形獲取、波形顯示，上位機軟件主要是對采集的心電數(shù)據(jù)進行分析與顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成原理圖

3 小型化心電信號檢測系統(tǒng)采集端設(shè)計

3.1 STM32主控模塊

本控制系統(tǒng)采用基于ARM 的STM32RET6 為主控芯片，共有64個引腳，外圍電路設(shè)計包括MCU的電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、boot 啟動電路、串口電路、ADC 電路等等，根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計好電路原理圖，PCB布線、封裝、打印，以及元器件焊接，最終測試該主控板可完成所需功能，即主控板設(shè)計總體完成。該系統(tǒng)對于心電采集信號的檢測就是要利用ADS1292R 模塊通過I/O 口與主控板連接通信。

3.2 ADS1292R心電采集模擬前端模塊

心電采集集成模擬前端電路包括了前置放大電路、濾波器（EMI）、右腿驅(qū)動電路、兩個低噪聲可編程放大器（PGA）及兩個高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，共有兩個差分輸入，差分輸入可減小共模干擾，第三通道可在測量呼吸波時輸入信號或輔助模擬差分輸入，通過SPI 協(xié)議與主控板通信，該采集電路具有輸入噪聲小、功耗低、速率高、共模抑制比高滿且攜帶方便等優(yōu)點，同時滿足測量精準(zhǔn)度較高的心電圖要求。本系統(tǒng)心電采集采用肢體3 導(dǎo)聯(lián)方式，使用表面鍍有Ag-AgCl 和涂有導(dǎo)電膠的可拆卸一次性軟電極采集信號，將被測者的右上肢和左下肢為信號采集，而另外導(dǎo)聯(lián)的左上肢電極則為參考電極，心電采集模塊如圖2所示。

圖2 心電采集模擬前端

3.3 串口通信模塊

該系統(tǒng)主要用到主控板兩個串口，串口1 用于通信模塊主要用于系統(tǒng)采集電路與上位機軟件之間的通信，使得上位機軟件能夠及時獲取被采集信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，用戶第一時間查看心電信息。串口2 是用于與USART HMI 智能串口屏通信，可通過串口通信對控件上的參數(shù)進行修改，設(shè)定特定的指令可實現(xiàn)一些功能操作。

3.4 串口控制模塊

串口通信相比其他通信方式，更加簡單方便，只需三根導(dǎo)線連接就可以，分別是接地、發(fā)送、接收，其次，對于兩個端口通信，必須提前配置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位。系統(tǒng)使用USB將主控板與PC進行連接，設(shè)置串口端口號，上位機讀取串口傳遞的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)通信。

4 小型化心電信號檢測系統(tǒng)控制部分設(shè)計

4.1 心電圖RR間期心率算法設(shè)計

心率是計量心臟每分鐘跳動的次數(shù)，可從一段心電圖中通過定位R 波位置，其次獲取相鄰的RR波之間時間，求出一定時間內(nèi)R 波個數(shù)，即可算出瞬時心率值。設(shè)有一段離散心電信號｛a(i),i=1,2,…N｝，采樣頻率fs，具體計算步驟如下：

1）設(shè)定幅度閾值T，從a(1) 開始檢索，將a(i)≥T的序號i組成序列{x(j)}，直到檢索到a(N)為止；

2）創(chuàng)建序列｛b(k)｝，令b(1)=x(1)，從x(2)開始檢索，若x(j)-x(j-1)＞1，j≥2 則另b(1)=x(j-1)，b(k+1)=x(j)，k≥2；

3）設(shè)b(k)含K 個元素，則在N fs秒內(nèi)R 波的個數(shù)為K2，平均心率為(K/2)/(N/fs)×60 次/分。R波波峰為止依次為[b(k-1)+b(k)]/2，取整，k≥2，由相鄰R波間期算出瞬時心率。

4.2 小型化心電信號檢測系統(tǒng)主控設(shè)計

心電信號硬件采集平臺將采集到的數(shù)據(jù)通過串口通信的方式傳輸?shù)缴衔粰C軟件中。上位機軟件將接收到的數(shù)據(jù)進行進行波形和數(shù)值顯示，其整體界面及軟件使用流程如圖3所示。

圖3 心電信號檢測系統(tǒng)

上位機軟件的功能是根據(jù)需求設(shè)計的，各個功能之間具有一定的獨立性，操作簡單，顯示直觀。其主要功能模塊及功能流程圖如圖4所示。

圖4 心電信號采集系統(tǒng)

4.2.1 用戶登陸模塊

對用戶使用權(quán)限的限制。主要是使用前需要輸入用戶名和密碼。登錄成功以后可以打開軟件的功能界面并使用相關(guān)功能。

4.2.2 串口控制模塊

主要是串口的打開和關(guān)閉，可以選擇要打開和關(guān)閉的串口端口號。

4.2.3 數(shù)據(jù)顯示功能模塊

對采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)進行顯示，數(shù)據(jù)會以時間排序的列表形式顯示出來，也會以波形圖顯示接受到心電數(shù)據(jù)。

4.2.4 數(shù)據(jù)濾波模塊

對硬件采集平臺采集到的數(shù)據(jù)進行過濾，像一些非常大或者非常小的干擾數(shù)據(jù)進行濾除，確保低噪準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

4.2.5 數(shù)據(jù)讀取模塊

進行數(shù)據(jù)的讀取，主要是對已經(jīng)保存的數(shù)據(jù)進行重新讀取，然后顯示對應(yīng)的波形圖。

4.2.6 數(shù)據(jù)保存模塊

對檢測的數(shù)據(jù)進行存儲，保存在本地，可供下次檢測結(jié)果對比。

4.2.7 數(shù)據(jù)清空模塊

主要是對生成的波形圖區(qū)域的數(shù)據(jù)清空，方便重新測量。

4.2.8 報告打印模塊

對測的數(shù)據(jù)以及波形可在線打印出來，可供醫(yī)學(xué)參考。

5 實驗分析

在系統(tǒng)上電前，首先測試所有硬件連接是否正常工作，測試完畢后，將三個電極貼片RL、LA、RA分別對應(yīng)貼置被測者右下肢、左上肢、右上肢測量位置，保證電極貼片與肌膚接觸良好，且被測者被測之前必須預(yù)留10 分鐘保持在無人安靜的環(huán)境狀態(tài)，心情平靜，坐姿端正，方可開始測試，本次16 名被測者均來自同實驗室的同學(xué)。系統(tǒng)上電，上位機軟件自動獲取到心電圖與心率值，功能切換至呼吸波，依然出現(xiàn)清晰的波形，實驗測試如圖5所示。

圖5 實驗測試圖

我們采用通過固定心率對比波形圖方法驗證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，如圖6 所示，心率為75時，圖（a）為心電模擬器輸出心電圖，圖（b）為該系統(tǒng)實驗所得結(jié)果。

圖6 數(shù)據(jù)波形顯示

如圖6所示，圖（a）、（b）為心率都為75時，所輸出心電波形圖，圖（a）是理想心電波形圖，通過兩張圖對比可以看出系統(tǒng)輸出波形圖并未失真，也無較大的差異，圖（c）、（d）為基線阻抗為1K 時，模擬器與該系統(tǒng)所輸出呼吸波，檢測出來的心電波形圖和呼吸波形圖從波形圖的周期峰值和波動頻次上來看，整體上是平穩(wěn)的，沒有出現(xiàn)竇性心跳或者心率不齊等現(xiàn)象。由此可得出，此系統(tǒng)輸出心電波形圖和呼吸波形圖是穩(wěn)定的。（觀察心率實驗數(shù)據(jù)（表1）是系統(tǒng)輸出的心率頻次和心跳頻次數(shù)據(jù)，最高是81.18，最低是65.58，觀察其趨勢，數(shù)據(jù)都在正常心跳范圍之內(nèi)。因此，心電信號監(jiān)測系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)的波形顯示功能很可靠。

表1 心率實驗數(shù)據(jù)

小型化心電信號檢測系統(tǒng)中添加算法計算出心跳頻次，由心率頻次除以60 得到，1 是正常心跳頻次的低點，1.5 是正常心跳頻次的高點，而表1 中心跳頻次數(shù)據(jù)都在1～1.5之間。在數(shù)據(jù)過濾的過程中，可以設(shè)置過濾低于0.5，高于12.0 的心跳頻次。無出現(xiàn)偏離正常范圍過高的異常數(shù)據(jù)及干擾數(shù)據(jù)。

經(jīng)對實驗室多名同學(xué)檢測結(jié)果來看，小型化心電信號檢測系統(tǒng)的心電波形顯示清晰穩(wěn)定，心率值跳動頻率都是穩(wěn)定且具有參考性的，測量誤差小于2%，完全滿足人們預(yù)防心臟疾病檢測使用。小型化心電信號檢測系統(tǒng)采集精度高、操作簡單、小型方便、成本低廉，可作為心電信號采集、心臟疾病預(yù)防提供醫(yī)學(xué)臨床上的參考和憑據(jù)，為監(jiān)測人心電健康狀態(tài)以及采集心電信號研究與開發(fā)提供建設(shè)性意義。

6 結(jié)語

利用STM32F103RET6 為主控下的ADS1292R心電采集模塊為采集電路肢體導(dǎo)聯(lián)貼片電極測量人類心電信號，結(jié)果表明：

1）心電信號采集模塊內(nèi)部集成了多個放大濾波電路，對于采集心電微弱信號，具有一定的優(yōu)勢，結(jié)論表明，利用該模塊檢測數(shù)據(jù)清晰規(guī)整，大大提高了信號信號采集準(zhǔn)確度。

2）提供了兩種數(shù)據(jù)控制單元，分別為串口屏和上位機軟件，串口屏顯示可供調(diào)試與實驗研究，上位機控制部分可對測得數(shù)據(jù)分析與打印，給出被測者可視化建議。

3）基于心電圖RR 波心率提取算法，可直接獲取一段心電圖之間的每秒心跳頻次及每分鐘心率大小，快速且可靠。