一種實時心電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉恒 吳朝陽 徐佳棋

摘 要： 鑒于目前醫(yī)院實時長期監(jiān)測心電儀的費用高和心電圖打印及看圖的專業(yè)性，設(shè)計一種基于單導(dǎo)聯(lián)的實時心電監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單導(dǎo)聯(lián)電極探頭、心電信號調(diào)理AD8232模塊、嵌入式STM32F103VET6單片機、3.2寸觸摸屏、藍(lán)牙HC?05模塊、鋰電池模塊、上位手機等組成。調(diào)理模塊包括儀表放大器、高通濾波器、增益調(diào)整器、低通濾波器、基準(zhǔn)電壓緩沖器、集成右腿驅(qū)動（RLD）放大器等，結(jié)合數(shù)字卡爾曼濾波和迭代濾波方法，有效克服了心電檢測信號的基線漂移和低頻噪聲干擾等問題，從微弱電信號中拾取到有效心電信號。采用整形縮放和閾值設(shè)置來提取波形數(shù)據(jù)的特征，實驗測試結(jié)果與醫(yī)院心電測試儀誤差在±1%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞： 心電監(jiān)測； 單導(dǎo)聯(lián)； AD8232模塊； 系統(tǒng)設(shè)計； 嵌入式處理器； 基線漂移

中圖分類號： TN931+.3?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）22?0098?05

Abstract： In view of the high cost of the real?time long?term monitoring ECG device and the professionality of ECG printing and reading in current hospitals， a real?time ECG monitoring system based on the single lead is designed. The system is composed of the single?lead electrode probe， ECG signal conditioning module AD8232， embedded microcontroller STM32F103VET6， 3.2 inch touch screen， Bluetooth HC?05 module， lithium battery module， upper mobile phone， and so on. The conditioning module consists of the instrument amplifier， high?pass filter， gain regulator， low?pass filter， reference voltage buffer， integrated right?leg drive amplifier， and so on. Problems like baseline drift and low?frequency noise interference of ECG detection signals are effectively overcome by combining the digital Kalman filtering method with iterative filtering method， so as to pick effective ECG signals from weak electric signals. The shaping， scaling， and threshold setting are adopted to extract features of waveform data. The experimental result shows that the error between the testing results of the real?time ECG monitoring system based on the single lead and the results of the ECG tester of a hospital is within ±1%.

Keywords： ECG monitoring； single lead； AD8232 module； system design； embedded processor； baseline drift

0 引 言

心臟周圍的組織和體液都能導(dǎo)電，因此可將人體看成為一個具有長、寬、厚三度空間的導(dǎo)體。心臟好比電源，無數(shù)心肌細(xì)胞動作電位變化的總和可以傳導(dǎo)并反映到體表。在體表很多點之間存在著電位差，也有很多點彼此之間無電位差。心臟在每個心動周期中，由起搏點、心房、心室相繼興奮，伴隨著生物電的變化，這些生物電的變化稱為心電。心電監(jiān)測儀通過對心電信號的提取和特征分析，得到反映心臟健康狀況的信息，從而提供給醫(yī)生臨床診斷[1?2]。

心電信號微弱，同時受檢測者的運動[3]、佩戴的不正確、基線漂移[4]、工頻電源的干擾等影響，有效拾取比較復(fù)雜[5]。各種心電監(jiān)測儀對干擾信號的處理辦法和硬件實現(xiàn)各不相同，對應(yīng)的監(jiān)測儀器體積和功耗大小也不一樣。針對歷史心電數(shù)據(jù)的存儲處理方式，有的采用存儲卡方式，需借助特殊讀卡器才能了解長時間的心電信息，有的采用外置鐵電存儲器來記錄歷史數(shù)據(jù)，掉電數(shù)據(jù)不丟失，但增加了硬件成本及增加了下位機的任務(wù)量。本文利用單導(dǎo)聯(lián)電極探頭，結(jié)合前端AD8232心電信號調(diào)理模塊和雙濾波算法獲得了有效的心電信號，利用整形縮放和閾值設(shè)置來提取波形數(shù)據(jù)的特征，得到心電信號的時域參數(shù)。后續(xù)擴(kuò)展將波形數(shù)據(jù)及時域參數(shù)用藍(lán)牙模塊發(fā)送到上位手機，利用手機的APP對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和時域參數(shù)顯示，方便24 h了解心臟狀況。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

一種實時心電監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)由單導(dǎo)聯(lián)電極探頭、AD8232模塊、STM32主控制器、觸摸電阻屏、藍(lán)牙模塊、電池盒（未給出）、上位機等組成。

單導(dǎo)聯(lián)的導(dǎo)聯(lián)線上有3個電極探頭，分別為L端、R端、F端。其中L端粘貼于左鎖骨中線第一肋間LA，R端粘貼于右鎖骨中線第一肋間RA，F(xiàn)端粘貼在右鎖骨中線劍突水平FA。在工作時，為了消除工頻交流電干擾，采用鋰電池供電。AD8232模塊負(fù)責(zé)完成信號的調(diào)理，將調(diào)理后的信號給后續(xù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，考慮到心電信號的帶寬，采用主控制器自帶的A/D模塊。主控制器通過濾波和波形特征提取算法，得到有效心電波形和時域參數(shù)，觸摸電阻屏負(fù)責(zé)波形和參數(shù)顯示。藍(lán)牙模塊將波形數(shù)據(jù)及參數(shù)發(fā)送給上位手機的APP處理。手機可以顯示和存儲心電波形、顯示心電波形的時域參數(shù)。

1.1 心電信號調(diào)理模塊

心電數(shù)據(jù)的采集是系統(tǒng)重要部分，心電檢測電路選用AD8232模塊。AD8232是一款用于心電圖（ECG）及其他生物心電測量應(yīng)用的集成信號調(diào)理模塊。該器件設(shè)計用于具有運動或遠(yuǎn)程電極放置產(chǎn)生的噪聲情況下提取、放大及過濾微弱的生物電信號。

AD8232采用雙極點高通濾波器來消除運動偽像和電極半電池電位。濾波器與儀表放大器結(jié)構(gòu)緊密耦合，實現(xiàn)單級高增益及高通濾波，從而節(jié)約了空間和成本。同時采用一個無使用約束運算放大器來創(chuàng)建一個三極點低通濾波器，消除了額外的噪聲。用戶可以通過選擇所有濾波器的截止頻率來滿足不同類型應(yīng)用的需要，心電檢測前端調(diào)理電路見圖2，其中RA，LA，F(xiàn)A與導(dǎo)聯(lián)線相連接。

1.2 顯示電阻屏

系統(tǒng)用3.2英寸觸摸電阻屏實現(xiàn)用戶交互輸入及信息的顯示。觸摸屏采用ILI9341主控芯片，在液晶顯示屏的每一個像素上都有一個薄膜晶體管（TFT），可有效克服非選通時的串?dāng)_，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無關(guān)，提高圖像質(zhì)量[6]。觸摸屏連接見圖3。

1.3 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙BT?HC05模塊是一款高性能的藍(lán)牙串口模塊，可用于各種帶藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機、手機、PDA、PSP等智能終端配對；寬波特率范圍為4 800～1 382 400 bit/s，并且模塊電平兼容單片機系統(tǒng)。

此模塊具有兩種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動連接工作模式。在自動連接工作模式下，模塊又可分為主（Master）、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）三種工作角色。當(dāng)模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據(jù)事先設(shè)定的方式連接數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時能執(zhí)行所有AT 命令，用戶可向模塊發(fā)送各種AT 指令，為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令。通過控制模塊外部引腳輸入電平，可以實現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動態(tài)轉(zhuǎn)換。模塊與主控制器連接見圖4。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要包括下位機和上位機部分。前期上位機軟件采用虛擬示波器，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?15 200 bit/s，既保證了傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，又提高傳輸?shù)乃俾?。上位機中，一旦接收到0xAAAA，表示數(shù)據(jù)的開始，接著傳輸0xF1表明該功能碼為心電的采樣值，這樣就可在上位機上實時顯示心電的波形。

下位機嵌入式程序需實時地對人體的心電信號進(jìn)行采集和特征參數(shù)提取，并實時地顯示在屏幕上。采樣的頻率有要求，這里使用定時器每10 ms采集一次數(shù)據(jù)，并通過一系列的濾波處理和特征提取算法，將處理后的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳送給上位機。

在主循環(huán)中，刷新電阻屏顯示心率的各種信息。因為結(jié)果的顯示并不需要非常精確的采樣頻率，所以只是在主循環(huán)中加入短暫的延時，重復(fù)地更新電阻屏中的數(shù)據(jù)。工作流程如圖5所示，主程序初始化完成端口配置、中斷設(shè)置、串口設(shè)置、TFT屏初始化等，初始化就緒后，進(jìn)入無限循環(huán)，在循環(huán)內(nèi)部完成TFT屏的顯示，顯示內(nèi)容包括采樣時刻、心電時域周期參數(shù)、心電波形繪制。同時，初始化后，定時器中斷打開，在循環(huán)中，如果定時時間到，進(jìn)入中斷處理函數(shù)。在中斷服務(wù)函數(shù)中，進(jìn)行心電數(shù)據(jù)的采樣、保持、轉(zhuǎn)換，在處理器中完成卡爾曼濾波、迭代濾波，得到光滑可靠的心電波形數(shù)據(jù)，然后利用整形縮放、閾值設(shè)置來提取波形數(shù)據(jù)的特征，得到心電信號的時域參數(shù)，包括心率、P波周期、PR波周期、QRS波周期。最后，利用藍(lán)牙模塊將時域波形參數(shù)和波形數(shù)據(jù)發(fā)送出去，結(jié)束此次中斷，返回主函數(shù)中，等待下一次中斷。

2.1 卡爾曼濾波

卡爾曼濾波是用來就是把含噪聲的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后得出有效心電數(shù)據(jù)[7]，它是一種基于統(tǒng)計學(xué)理論的算法，可以用來對含有噪聲的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線處理，也可以通過狀態(tài)變量的增廣形式實現(xiàn)系統(tǒng)辨識。

算法原理是用上一個狀態(tài)和當(dāng)前狀態(tài)的測量值來估計當(dāng)前狀態(tài)，這是因為上一個狀態(tài)估計此時狀態(tài)時會有誤差，而測量的當(dāng)前狀態(tài)時也有一個測量誤差，所以要根據(jù)這兩個誤差重新估計一個最接近真實狀態(tài)的值。

2.4 特征波算法

通過提取出QRS波，觀察正常心電波形可知，P波和QRS波之間間隔的一小段較為平緩，設(shè)置一個閾值為E，[P（k）]與[P（k-1）]差值的絕對值小于E，則視為平緩地帶，否則為P波或者QRS波段。

每次采樣到大波，都將先前的幾個最優(yōu)化估算值代入式（12），判斷P波的右端及其左端。同理，QRS波群的結(jié)束也以此判斷。

3 實驗結(jié)果及分析

在前期實驗中，上位機采用PC機，藍(lán)牙?USB模塊實現(xiàn)PC機與下位機通信連接[10]。硬件系統(tǒng)如圖8所示，上電后，測試系統(tǒng)成功運行，電阻屏、定時器和藍(lán)牙串口初始化成功，開始采集心電數(shù)據(jù)，并實時在屏幕顯示。同時在上位機同步顯示波形，后續(xù)擴(kuò)展手機APP顯示波形時域參數(shù)及波形，利用手機存儲器存儲歷史數(shù)據(jù)。

通過多名測試者的心電數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：

1） 測試者在靜止?fàn)顟B(tài)下心電波形光滑無干擾，周期特征突出，如圖9所示；

2） 測試者在運動四肢或身體非靜止?fàn)顟B(tài)下，波形有失真情況，可以調(diào)整卡爾曼濾波算法參數(shù)，提高適應(yīng)性；

3） 多次測試發(fā)現(xiàn)，電源采用工頻交流電整流對輸出波形的影響較大，如圖10所示。雖然基本特征仍然存在，但仍應(yīng)盡量避免其對測量的影響，可采用鋰電池來供電，方便移動攜帶同時減少工頻干擾。

在測量時，應(yīng)盡量使測試者保持靜止?fàn)顟B(tài)，避免過大幅度的動作，同時，采用鋰電池供電。將設(shè)計的監(jiān)測儀與江北人民醫(yī)院的短期心電測量儀對比，多次測量結(jié)果相對誤差均在±1%以內(nèi)。

4 結(jié) 論

本文闡述了基于AD8232的心電實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)的方法和過程。該系統(tǒng)測量的心電圖信號干擾小，幾個特征波較為明顯，相比其他便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，不容易發(fā)生基線漂移的現(xiàn)象。采用雙極點高通濾波器等硬件濾波和卡爾曼等多種軟件濾波，得到的波形更加穩(wěn)定平滑，檢測正確率高。另外，檢測系統(tǒng)功耗非常小，對遠(yuǎn)程心電監(jiān)測的發(fā)展有良好的促進(jìn)作用。

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