基于STM32與Android的遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)

周童桐+毛維安+王丹瑤+閆麗

摘 要：常規(guī)心電監(jiān)護(hù)設(shè)備活動(dòng)局限性強(qiáng)，難以攜帶，且無法進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。文中設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用AD8232模擬前端進(jìn)行心電采集，并由STM32微處理器處理信息，通過Android設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼，經(jīng)由WiFi或3G/4G網(wǎng)絡(luò)與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析，因而能夠?qū)崿F(xiàn)心電波形繪制，心率計(jì)算，頻譜心電圖分析，信息保存等功能。具有功耗低，成本低，精度高，體積小，易攜帶等特點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)功能均可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并在移動(dòng)健康、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域具有一定的實(shí)用性和廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：心電監(jiān)測(cè)；STM32；Android；頻譜心電圖

中圖分類號(hào)：TP393；TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）08-00-04

0 引 言

近年來，在人民生活水平不斷提高的同時(shí)，生活壓力的加大和較少的運(yùn)動(dòng)使得近年來心臟疾病的發(fā)病率大大上升。因心血管疾病具有病情隱蔽，突發(fā)性強(qiáng)，危險(xiǎn)性高的特點(diǎn)[1]，故對(duì)高危人群進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)程診斷，對(duì)異常情況盡早發(fā)現(xiàn)并予以治療是一種行之有效的辦法。傳統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備價(jià)格昂貴，體型笨重，難以實(shí)現(xiàn)日常監(jiān)護(hù)?，F(xiàn)雖有一些手持式心電監(jiān)測(cè)設(shè)備[2，3]，但功能較少，不能連續(xù)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，且普遍不滿足可穿戴的要求。因此，對(duì)于能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)患者心臟狀況，同時(shí)不限制患者活動(dòng)空間的穿戴式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備的研究十分必要。

1 總體設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)有設(shè)備不足，本文設(shè)計(jì)制作了一套基于STM32與Android系統(tǒng)的遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。首先由單導(dǎo)聯(lián)電極采集心電信號(hào)，經(jīng)由AD8232為核心的調(diào)理電路進(jìn)行放大和模擬濾波；再由以STM32F103C8T6芯片為核心的數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并通過數(shù)字濾波器進(jìn)行工頻陷波處理和高通濾波處理優(yōu)化信號(hào)后，由藍(lán)牙串口發(fā)送至Android客戶端；之后由Android端程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制波形，對(duì)異常情況進(jìn)行提醒報(bào)警，同時(shí)也作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中繼，通過設(shè)置遠(yuǎn)程PC對(duì)應(yīng)的IP端口，將數(shù)據(jù)通過建立的TCP連接發(fā)送給PC端程序供專業(yè)人員查看與分析；PC端程序具有心率計(jì)算、頻譜分析、波形繪制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，且支持多用戶連接。系統(tǒng)總體框架如圖1所示，其中心電采集與調(diào)理電路、信號(hào)處理及發(fā)送電路為下位機(jī)部分，Android客戶端、遠(yuǎn)程PC端為上位機(jī)部分。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由心電調(diào)理電路與信號(hào)處理發(fā)送電路構(gòu)成，作為ECG信號(hào)采集和處理的核心，為后端提供純凈的數(shù)字化心電信息。下位機(jī)硬件整體大小控制在4.5 cm×5 cm×1.5 cm之內(nèi)，通過聚合物鋰電池供電，制成腕帶式裝置供佩戴使用。

2.1 心電采集與調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

心電采集與調(diào)理電路部分需將頻率為0.05～100 Hz，幅值約1 mV的心電信號(hào)進(jìn)行濾波提取并放大約1 000倍。故采用ADI公司推出的用于生物電測(cè)量的AD8232芯片；其在4mm×4 mm的范圍內(nèi)集成了儀表放大器、增益放大器、右腿驅(qū)動(dòng)電路等[4]。相較由分立元器件組成的采集電路更節(jié)省空間與功耗。

AD8232內(nèi)置的儀表放大器可將采集信號(hào)放大100倍并對(duì)近直流信號(hào)進(jìn)行濾波[5]。儀表放大器原理如圖2所示。

芯片內(nèi)置雙極點(diǎn)高通濾波器，原理如圖3所示。濾波器截止頻率應(yīng)設(shè)為0.05 Hz。參考公式（1），可取R1=R2=10 MΩ，C1=C2=330 nF。

（1）

AD8232提供了一個(gè)非專用運(yùn)算放大器，用于低通濾波及額外增益，其低通濾波器原理如圖4所示。濾波器截止頻率設(shè)為100Hz，增益為10。參考公式（1）、（2），可取R1=R2=160 kΩ、R3=0.9 MΩ、R4=0.1 MΩ；C1=C2=10 nF。

（2）

2.2 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)

信號(hào)處理電路部分采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6作為主控芯片，在硬件資源滿足設(shè)計(jì)需求的同時(shí)，能大大減小所占空間，降低功耗，減少成本，滿足穿戴式設(shè)備的特點(diǎn)。此處使用的是由該芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)，尺寸僅為2.3 cm×5.3 cm×0.3 cm，包含晶振，復(fù)位電路，SWD調(diào)試接口等。

2.3 無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

對(duì)數(shù)字濾波優(yōu)化后的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)幀編碼，并傳送到Android客戶端。為兼顧低功耗與小體積，采用搭載TI公司CC2240芯片的藍(lán)牙透?jìng)髂KHC-08作為無線傳輸部分的主體，其采用Bluetooth 4.0協(xié)議，該技術(shù)不僅具備極低的運(yùn)行和待機(jī)功耗，還提高了傳輸距離。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由下位機(jī)的嵌入式應(yīng)用程序與上位機(jī)的面向用戶應(yīng)用程序（Android客戶端及PC客戶端）組成。下位機(jī)程序的功能是進(jìn)行信號(hào)采集、濾波、編碼與發(fā)送；Android客戶端程序用于顯示波形及信息、中繼數(shù)據(jù)、提醒報(bào)警；遠(yuǎn)程PC客戶端程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、保存、繪圖等。

3.1 單片機(jī)數(shù)據(jù)處理

作為下位機(jī)數(shù)據(jù)處理的核心，由STM32芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)承擔(dān)心電信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波以及藍(lán)牙發(fā)送的任務(wù)。程序流圖如圖5所示。

3.1.1 心電信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

STM32內(nèi)部具有12位A/D轉(zhuǎn)換器，最高采樣頻率可達(dá)1 MHz[6]。心電信號(hào)的頻率主要分布在0.05～100 Hz間，根據(jù)Nyquist采樣定理，采樣頻率至少應(yīng)設(shè)置為200 Hz，此處可將采樣頻率設(shè)置為500 Hz。同時(shí)將ADC配置為獨(dú)立模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換、外部觸發(fā)，并禁止掃描模式。

經(jīng)調(diào)理電路處理后的心電信號(hào)傳送至單片機(jī)ADC的1通道接口PA1上，使用DMA方式進(jìn)行外設(shè)到內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸，DMA配置的關(guān)鍵代碼如下：endprint

DMA_InitStructure.DMA_DIR=DMA_DIR_PeripheralSRC；//外設(shè)作為源

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr=ADC1_DR_Address；//ADC基地址

DMA_InitStructure.DMA_BufferSize=100；//DMA通道的DMA緩存大小

DMA_InitStructure.DMA_Mode=DMA_Mode_Circular；//循環(huán)傳輸模式

此外，由于心電數(shù)據(jù)是一個(gè)連續(xù)傳輸?shù)倪^程，故在進(jìn)行DMA傳輸時(shí)可采用乒乓緩沖的原理，在內(nèi)存中開辟兩個(gè)緩沖區(qū)BUF1和BUF2，根據(jù)空閑標(biāo)志交替進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，可提高CPU處理數(shù)據(jù)的效率并有效避免數(shù)據(jù)丟失[7]。

3.1.2 數(shù)字濾波器程序設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，50 Hz工頻噪聲是一種常見干擾，需設(shè)計(jì)陷波器濾除工頻干擾；對(duì)于呼吸或肢體活動(dòng)引起的基線漂移則可通過設(shè)計(jì)一個(gè)下限截止頻率為0.5 Hz的高通濾波器消除。

在數(shù)字信號(hào)處理中，有IIR和FIR兩種設(shè)計(jì)固定頻率濾波器的方式，對(duì)于同樣的濾波器幅頻特性指標(biāo)，F(xiàn)IR濾波器要求的階數(shù)一般比IIR高5～10倍[8]，導(dǎo)致運(yùn)算量及信號(hào)延遲增大。故設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波均使用IIR濾波器實(shí)現(xiàn)。

通過Matlab中的濾波器分析設(shè)計(jì)工具FDATool可直接生成濾波器參數(shù)，使用C語言導(dǎo)出在STM32芯片中使用。此處設(shè)計(jì)的工頻陷波器的系統(tǒng)函數(shù)為：

高通濾波器設(shè)計(jì)方式與陷波器類似，此處設(shè)計(jì)的0.5 Hz高通濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：

3.2 面向用戶的Android客戶端設(shè)計(jì)

Android客戶端程序基于Java的可擴(kuò)展開發(fā)平臺(tái)Eclipse開發(fā)，其功能包括遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中繼、心電波形繪制、接收遠(yuǎn)程PC分析結(jié)果、異常報(bào)警等。Android客戶端的主要組件如下：

（1）藍(lán)牙接收：該部分負(fù)責(zé)與下位機(jī)的藍(lán)牙發(fā)送端建立無線通信鏈路，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；程序啟動(dòng)后，調(diào)用設(shè)備藍(lán)牙，打開BTAccept線程，偵聽藍(lán)牙所接收的數(shù)據(jù)；根據(jù)預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)幀協(xié)議，檢測(cè)到標(biāo)志位后將數(shù)據(jù)幀解封裝并存入緩沖區(qū)，供SurfaceView控件及Socket Thread線程使用。

（2）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)：Android客戶端程序在整個(gè)系統(tǒng)中最核心的作用即將數(shù)據(jù)中繼至遠(yuǎn)程PC，故網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件負(fù)責(zé)根據(jù)用戶輸入的IP地址與端口，初始化后與遠(yuǎn)程PC建立網(wǎng)絡(luò)連接，通過Socket Thread網(wǎng)絡(luò)收發(fā)線程與遠(yuǎn)程PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，遞送心電信息的同時(shí)接收分析結(jié)果。在此過程中建立TCP連接來提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，可有效避免數(shù)據(jù)丟失[9]。

（3）繪圖模塊：設(shè)備從下位機(jī)接收到可以識(shí)別的數(shù)據(jù)后，使用SurfaceView控件繪制心電波形，供用戶查看。

（4）短信發(fā)送：根據(jù)傳回的分析結(jié)果進(jìn)行判斷，若有異常則可通過該組件給用戶事先保存的聯(lián)系人發(fā)送提示信息。

Android上位機(jī)程序流圖如圖6所示。

3.3 遠(yuǎn)程PC上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

PC機(jī)程序采用C++編寫，與Android客戶端通過WiFi或3G/4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，其主要功能如下：

（1）實(shí)時(shí)顯示用戶的心電波形，供專業(yè)人員查看。

（2）允許多用戶接入，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇，拓寬系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

（3）分析QRS波，采用動(dòng)態(tài)閾值R波檢測(cè)，獲得并顯示心率信息，同時(shí)傳送至Android客戶端。

（4）運(yùn)用FFT蝶形算法計(jì)算心電信號(hào)的頻譜，獲得頻譜心電圖（French Catheter Gauge，F(xiàn)CG）。

（5）可保存ECG數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)中隨時(shí)查看。

遠(yuǎn)程PC端程序流圖如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。使用標(biāo)準(zhǔn)三導(dǎo)聯(lián)線與下位機(jī)（腕帶裝置）連接，導(dǎo)聯(lián)電位點(diǎn)如圖9所示。下位機(jī)與Android客戶端應(yīng)用建立藍(lán)牙連接后，Android端所繪制波形及接收參數(shù)如圖10所示。Android與遠(yuǎn)程PC上位機(jī)建立TCP連接，PC機(jī)繪制的波形及FFT頻譜分析分別如圖11、圖12所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，應(yīng)用該系統(tǒng)所采集的心電信息較為完整，波形清晰，噪聲干擾小，無明顯的基線漂移現(xiàn)象；經(jīng)24小時(shí)連續(xù)使用測(cè)試，系統(tǒng)仍可正常工作，具備全天候持續(xù)監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互的能力。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)通過AD8232集成前端采集并初步處理信號(hào)，通過STM32微處理器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波并發(fā)送信息，借助常用的Android通訊設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中繼、信息顯示、異常提醒等功能，通過PC上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、波形保存、信息分析、結(jié)果回傳。同以往的便攜式心電監(jiān)測(cè)設(shè)備相比，本系統(tǒng)使用AD8232模擬集成前端進(jìn)行放大濾波，并將遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸通過Android設(shè)備實(shí)現(xiàn)，從而極大地節(jié)省空間與成本，降低系統(tǒng)總體功耗，并使之具備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和易于攜帶的特點(diǎn)。經(jīng)實(shí)測(cè)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定的心電信息監(jiān)測(cè)與分析，在移動(dòng)健康及智慧醫(yī)療等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有一定的實(shí)用性和廣泛的應(yīng)用前景。

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