基于Arduino的無線心電信號采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

梁偉玲，吳超，林建斌，鐘志龍

1.惠州市中心人民醫(yī)院醫(yī)學工程部，廣東惠州516001；2.惠州市中心人民醫(yī)院招標辦公室，廣東惠州516001

前言

據(jù)統(tǒng)計，心血管病死亡人數(shù)占居民疾病死亡人數(shù)40%以上，居于所有疾病首位，足見其風險性之高。根據(jù)《中國心血管病報告2017》估算結(jié)果顯示，現(xiàn)在國內(nèi)心血管病患病人數(shù)高達2.9億，今后10年心血管病患病人數(shù)仍將快速增長［1］。心電圖（Electrocardiogram,ECG）通過電極片記錄心肌細胞生物電位的變化，是醫(yī)生對患者進行心血管疾病診斷（如心肌梗塞、心率異常等）的重要依據(jù)。由于心血管疾病本身具有隱蔽性強，不易察覺的特點，因此早期的ECG監(jiān)測對于篩查、預防、早期干預心血管疾病有著十分重要的意義［2］。心電監(jiān)測因其具有無創(chuàng)、快速、直接等優(yōu)點而成為醫(yī)院檢查的首選［3］。

現(xiàn)階段的心電監(jiān)測方法可以分為兩大類：①醫(yī)院重癥科室廣泛使用的心電監(jiān)護儀，通過心電導聯(lián)線連接病人，實時采集受試者的心電信號，并實時分析，異常報警。②動態(tài)心電圖，亦稱為Holter，一般連續(xù)監(jiān)測1～7 d，監(jiān)測過程中，將采集的數(shù)據(jù)實時寫入設(shè)備的存儲芯片或存儲卡，監(jiān)測結(jié)束后，將數(shù)據(jù)導入到電腦端，再進行分析。第一類設(shè)備的優(yōu)點很明顯，能有效檢查患者的心電、血氧飽和度、血壓等多項參數(shù)，并且診斷結(jié)果準確，可信度高，但是整機設(shè)備體積大、價格昂貴，顯然不適合廣泛使用，另外，導線與設(shè)備的有線連接，令受試者束縛感明顯，設(shè)備不夠便攜［4-6］。第二類設(shè)備通過長時間的監(jiān)測，一般可以記錄多達10 萬多次的心電信號，這樣可以大大提高對非持續(xù)性心律失常的檢出率，如間歇性房顫或短暫的心肌缺血發(fā)作［7］，這類設(shè)備的不足：數(shù)據(jù)分析不是實時的，如果在監(jiān)測過程中遇到致命性心律失常發(fā)生，如心臟驟?；蚴翌?，不能及時給出報警［8］。

針對上述不足，本文提出一種低成本、實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線心電信號采集系統(tǒng)，方便后續(xù)深入開展研究相關(guān)無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的在線Holter技術(shù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)分為上位機和下位機兩部分。上位機可以是一臺普通的電腦或者樹莓派等主機，配置相應(yīng)的軟件程序和無線通信模塊。下位機采用開源硬件平臺Arduino Nano 作為主控模塊，另外，還包括心電采集模塊和無線通信模塊，如圖1所示。

圖1 心電信號采集系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of electrocardiogram(ECG)acquisition system

2 主要模塊設(shè)計

2.1 心電檢測模塊設(shè)計

心電信號采集模塊采用ADI公司的低功耗、單導聯(lián)心率監(jiān)護儀模擬前端AD8232［9］。該芯片內(nèi)部集成了儀表放大器、增益放大器、右腿驅(qū)動電路、休眠電路、基準電壓緩沖，內(nèi)置高靈敏度導聯(lián)脫落檢測和自動快速恢復電路，極大地方便開發(fā)應(yīng)用（低成本、低功耗、小尺寸等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用在便攜式健身設(shè)備、遠程醫(yī)療監(jiān)護終端、汽車、手表、手機等多種電子設(shè)備上）［10-11］。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊提供的參考電路，設(shè)計了心電監(jiān)測模塊電路（圖2），前端心電導聯(lián)線將電極片拾取的微弱生理信號，通過模擬前端AD8232進行調(diào)理，輸入到二階低通濾波器［12］。實驗中發(fā)現(xiàn)，采用了帶屏蔽層的心電導聯(lián)線，能有效的減小干擾，降低信號的毛刺。

本設(shè)計中采用Arduino Nano 作為系統(tǒng)的主處理器模塊，Arduino Nano 是一款小巧、全面、基于ATmega328 單片機的開源硬件平臺［13］。二階低通濾波器的輸出端接入到Arduino Nano 的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口，通過單片機內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變。同時，Arduino Nano還負責將采集到的信號和計算結(jié)果發(fā)送到無線傳輸模塊。

由于心電信號中有用成分的頻率范圍是0.05～100 Hz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率必須大于原始信號最高頻率的2倍以上，采樣之后的數(shù)字信號才能完整地保留原始信號信息，本設(shè)計采用250 Hz采樣率［14］。

2.2 波形檢測算法設(shè)計

圖2 心電監(jiān)測模塊電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of ECG monitoring module

在波形檢測算法方面，本設(shè)計采用文獻［15］提出的R 波檢測算法，該方法是基于Pan&Tompkins 的R 波檢測算法的延伸。Pan&Tompkins 算法是Pan 和Tompkins［16］提出的一種至今仍廣泛使用的R 波檢測方法，它通過對心電信號進行帶通、差分、平方來消弱P、T波成份和噪聲、突出QRS波群成份，然后設(shè)置閾 值檢測 大 于閾 值 的波峰［17］。文獻［15］中 將Pan&Tompkins 輸出平方項進行了滑動窗口求和，這樣做的好處是QRS波群的特征進一步得到凸顯。此算法的基本信號流程如圖3所示［15］，采集到的信號先輸入一個帶通濾波器（包含有低通濾波、高通濾波）、再經(jīng)過微分、平方、滑窗積分，以及后續(xù)的閾值更新決策機制等過程。

圖3 心電信號經(jīng)過帶通濾波的流程圖Fig.3 Flow diagram of ECG signals after bandpass filtering

在算法驗證階段，筆者在Matlab 上先對該算法進行驗證，各個環(huán)節(jié)的波形如圖4所示。從圖4可以看出，該波形的QRS波特征得到了較好的凸顯。

2.3 通信協(xié)議設(shè)計

ZigBee協(xié)議棧使用TI公司的Z-Stack協(xié)議棧［18］?；贑C2530的ZigBee模塊內(nèi)部已經(jīng)集成了相關(guān)的協(xié)議［19］。通過生產(chǎn)廠商提供的資料，當ZigBee采用點對點方式傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

表1為一幀完整的數(shù)據(jù)包，共長58 字節(jié)（byte）。其中，發(fā)送端口1字節(jié)，接收端口為1字節(jié)，目標地址為16 位二進制，對應(yīng)2 字節(jié)，數(shù)據(jù)塊為50 字節(jié)，校驗和1 字節(jié)，故數(shù)據(jù)長度為55 字節(jié)，對應(yīng)十六進制為0x37。值得一提的是：校驗碼僅對數(shù)據(jù)塊的50 字節(jié)進行奇校驗，校驗結(jié)果保存在校驗碼的低七位，有效的避免與包頭包尾信息沖突。為了測試系統(tǒng)丟包率，筆者使用兩個ZigBee 模塊搭建了一個簡單的測試平臺。一個模塊連接Arduino的串行接口，將數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)填充為0x55，配置波特率為115 200 bps，配置定時器200 ms，定時器中斷子函數(shù)中將數(shù)據(jù)包發(fā)送一次；另一個模塊通過USB轉(zhuǎn)串口線接入電腦，打開串口調(diào)試助手進行計數(shù)。測試平臺，持續(xù)測試3個多小時，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，無數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象。

2.4 上位機軟件設(shè)計

為了使上位機軟件能在不同的操作系統(tǒng)平臺應(yīng)用，筆者選擇了Python 作為上位機編程語言，結(jié)合Pyserial（串口通信）和PyQt4（Python圖形界面開發(fā)工具包）兩個模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、解包和圖形界面程序心電波形的顯示［20］。上位機程序設(shè)計采用了QT內(nèi)部多線程技術(shù)［21］，一個線程負責通過Pyserial 實時讀取無線模塊接收的數(shù)據(jù)（模塊接收后存入串口緩沖區(qū)），進行解包；一個線程負責將解包的數(shù)據(jù)進行處理和波形繪制。上位機界面如圖5所示。

3 結(jié)果

圖4 心電信號波形圖Fig.4 ECG waveforms

表1 點對點模式串口數(shù)據(jù)包格式Tab.1 Packet format of point-to-point serial port

首先在Protel 99se 軟件上完成了下位機端的PCB設(shè)計，并將各個模塊焊接調(diào)試好。然后，將心電導聯(lián)線連接心電模擬盒，實時采集模擬器的心電信號，將結(jié)果通過ZigBee模塊發(fā)給電腦，然后在電腦端將整個趨勢描點出來。系統(tǒng)測試圖如圖6所示。

為了驗證心電算法的準確性，先將心電模擬盒設(shè)為固定的心率值，單位：次/min，然后在該心率值的對應(yīng)點上測量3 組數(shù)據(jù)，每組測量5 次數(shù)據(jù)，每次數(shù)據(jù)之間間隔時間2 min，取其平均值作為每組測試數(shù)據(jù)的心率平均值，相對誤差=（設(shè)定值-均值）/設(shè)定值×100%，依次完成60、80 和120 bpm 的測試，測試結(jié)果記錄在表2中。從表2測試的45 個點數(shù)據(jù)來看，誤差均小于1%，且均值與模擬盒的值相差不大于1 bpm。

圖5 上位機界面截圖Fig.5 Screenshot of upper computer interface

圖6 系統(tǒng)測試圖Fig.6 System test

表2 對比心率測試結(jié)果Tab.2 Comparison of heart rate test results

4 結(jié)論

本文搭建了一套基于Arduino Nano 和AD8232的心電信號采集系統(tǒng)，采用ZigBee 無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)，采用實時心電處理算法對心電信號進行預處理和分析，通過參比心電模擬器的方式驗證了系統(tǒng)的準確性。由于時間關(guān)系，未能將心電算法中的EC57 標準中規(guī)定的數(shù)據(jù)庫對整個QRS 波檢測算法進行評測。希望以后有機會能在這方面進行一些深入研究。本設(shè)計提出的無線心電信號采集系統(tǒng)，為后續(xù)開展心電信號處理研究和心律失常分析等奠定了一定的研究基礎(chǔ)。