基于STM32的心電記錄分析系統設計

李世光，高正中，劉隆吉，畢博，徐坤山

山東科技大學 電信學院，山東青島 266510

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課題/研究背景：本課題受山東科技大學2009~2010年度研究生科技創新基金項目（YCA090213）資助。主要為解決現有心電圖機和動態心電圖儀Holter的心電采集的頻率范圍（一般為0.5~300Hz，不能對大于300Hz心電信號及過低頻信號實現捕捉）較窄問題。

心電信號是人類最早研究并應用于臨床醫學的生物電信號之一，是生物醫學領域的重要研究對象[1]，是診斷心臟系統疾病十分重要的檢測依據。

自第一臺心電圖機問世以來，心電圖儀的發展經歷了靜態心電圖儀和動態心電圖儀兩個重要階段。靜態心電圖儀只能記錄受檢者處于靜態時短暫的心電資料，不易發現一過性（偶發性）心率失常和心肌缺血等癥狀，當受檢者在睡眠、體育運動、工作、勞累或情緒激動等狀態下出現癥狀和變化時，無法及時記錄當時的心電圖形。為解決心電圖的動態記錄問題，國內外均開發了動態心電圖儀（Holter），可以在病人正常工作、生活的情況下，提供心電數據記錄，隨時捕捉病人在緊張勞累或情緒激動等特殊情況下心臟發生的病變反應[2]。

本文介紹一種高性能、兼具心電圖機與Holter功能的智能心電記錄分析系統的設計與具體實現。

1 系統整體設計

智能心電記錄分析系統包括心電信號實時記錄分析裝置與計算機軟件分析處理系統。系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

心電信號實時記錄分析裝置主要功能為：在高性能微處理器控制下，通過放置在人體標準導聯位置的10個電極，高速實時采集人體心臟跳動時產生的心電信號，經對心電信號的采集、分析與處理，將心電數據存儲在內部大容量存儲器中；在心電異常情況時可以通過GPRS[3]將異常心電信號發送到監護中心；同時該裝置還具有實時與PC機高速USB通訊的功能，通過軟件分析系統實時監測12導聯的心電信號，即作為一個多通道的實時心電圖儀使用。計算機軟件分析處理系統負責將通過USB傳送來的心電數據進行分析、存儲，并實時顯示心電波形及異常報警信息。

2 系統設計闡述

智能心電記錄分析系統包括：數據采集單元、Cortex-M3處理單元、存儲器擴張單元、人機交互單元、數據處理單元、供電單元以及計算機分析系統。

2.1 數據采集單元

數據采集單元包括電極、導聯線、過壓保護及高頻濾波、導聯選擇、基線調整、前置放大、后級放大等。主要作用是從人體體表提取心電信號，并按照標準導聯形式組合，將某一選定導聯的心電信號進行放大，同時調整基線位置，濾除干擾信號。

其具體實現電路如圖2所示，共有10路獨立的心電信號采集電路。

圖2 心電信號采集電路圖

J1為貼于相應的肢體和胸部位置的ECG電極，采集的心電信號經過雙向瞬態抑制二極管Z1構成的TVS保護電路。注意在設計PCB板布局時，盡可能靠近電極的引線位置，以提高其保護的有效性。Z1與D1、D2組成對起搏器等設備產生的瞬時高壓脈沖起限幅作用，保護信號處理電路不被損壞。

導聯選擇電路實現對12導聯信號的邏輯組合，產生標準12導聯的心電信號。通過電極采集到的10個心電信號，經過威爾遜網絡后合成符合國際標準的12導聯信號[4]。

放大電路采用微功耗、零漂移、軌對軌輸出的儀用放大器。INA333[5]可消除兩輸入端的共模干擾，而源自肢體導聯及胸導聯心電信號的電位差通過醫用放大器放大。同時，為了更好地抑制共模干擾信號，共模信號將通過運算放大器驅動到受檢者的右腿。

基線調整通過微處理器的DAC輸出完成，根據12導聯的心電信號計算出其基線值，以調整輸出信號合適的幅值。

2.2 Cortex-M3處理單元

對于電池供電的便攜式儀器，一款功耗低、性能高、集成度高、接口豐富的處理器起著至關重要的作用。在處理器的選型上，系統采用ARM公司最新推出的ARM Cortex系列處理器[6]，它基于ARMv7構架，與ARM7TDMI相比運行速度最多可快35%且代碼最大可節省45%。

控制器完成數字濾波等數字信號處理以及對心電信號采集、存儲、傳輸、異常心電信號檢測等控制。經過放大后的心電信號通過ARM處理器的模數轉換器轉換成數字信號，處理器完成對心電信號的數字濾波，濾除50Hz工頻干擾、肌電干擾等雜波，并提取出實際心電信號[7]。處理對提取的心電信號進行QRS波群定位、心率計算以及初步的異常診斷。然后，通過USB口分別將各導聯的數據發送給PC機。同時，通過實時調整DAC的輸出，抵消基線漂移，將基線穩定在曲線可視范圍內。高速、低功耗、接口豐富的ARM處理器為系統的高效運行提供了保證。

2.3 存儲器擴展單元

系統設計有一片靜態RAM存儲器，型號為IS61V51216，其存儲容量為512M×16位，用于動態心電信號的臨時記錄、數據處理，對處理后的數據存儲在2G容量的NAND FLASH 存儲器中，設計的存儲器型號為HY27UG088，從而實現對心電信號的實時記錄或異常記錄功能。

2.4 人機交互單元

人機交互電路設計有按鍵控制電路與語音提示電路，按鍵電路采用簡易按鍵結構，對其實施濾波處理，防止誤判或動作。在佩戴者感到不適時，可隨時按下事件按鈕，記錄當前時間，便于對異常信號提取和重點分析。

語音提示電路由語音芯片與揚聲器構成，采用ISD1700系列語音芯片，完成對語音段的存儲，根據不同的工作狀態，由微處理器控制其放音，對心電信號異常提示或工作方式進行提示。例如，控制器判斷到導聯脫落時，系統能夠發出語音提示：胸導聯V5脫落，請檢查導聯。方便佩戴者的心電檢測與醫護工作者檢查工作的進行。

2.5 數據通訊單元

通訊接口設計由USB2.0接口實現與PC機的數據通訊。USB接口實現了12Mbps的全速數據通訊，保證了大量數據的高速傳輸。USB接口不僅實現了數據的高速傳輸，而且接口簡單、通用性強。隔離RS485的設計，滿足了PC機與智能心電儀在電氣上的隔離，確保受檢者的安全。

由于系統采集頻率范圍寬且采樣速度高，實驗過程中產生大量的心電數據。每個標準心電信號的測量頻率范圍達到0.02~1.5kHz，為了實現對高頻和超低頻心電信號的采集，每秒鐘需要傳輸的數據量達8Mb之多，傳統的485通訊已經不能滿足如此大數據量的實時傳輸。除下位機ARM處理系統與PC機處理軟件的USB通訊協議[8]處理外，系統使用自行開發的USB設備驅動程序，實現了USB設備與PC機之間的數據傳輸。

在ARM處理器的基礎上擴展GPRS模塊，通過SIM卡實現與移動網絡接入，以將采集的異常心電信號實時傳遞到醫院監護中心，實現遠程實時監控。智能心電記錄儀在檢測到異常心電時，可通過GPRS主動上傳數據到醫院的監護中心，便于專家做出及時有效地指導。

2.6 供電單元

智能心電儀主控模塊和GPRS數據發送模塊由分別由一塊鋰電池獨立供電。通過多組穩壓電路產生系統所需的電壓。

2.7 計算機分析系統

數據分析部分承擔著對心電數據的計算、分析、診斷等任務，實現完整的ST段分析、心率變異性分析以及各通道T波分析等功能。系統采用小波濾除工頻干擾其他高頻噪聲，采用模式識別的方法，建立自適應神經系統，對心電信號進行對照、特征提取和識別分析，提高了分析系統對復雜心律失常的判定。

圖3為使用本系統為受檢者采集的部分心電信號的波形圖。由于完整心電圖顯示區域較大，僅取肢體導聯部分心電信號示意。

圖3 ECG數據波形視圖

3 結束語

本文根據現有心電圖機和動態心電圖儀Holter的許多局限性：功能單一，僅完成部分標準導聯心電信號的采集；心電采集的頻率范圍較窄，一般為0.5~300Hz，不能對大于300Hz心電信號及過低頻信號實現捕捉；采集和記錄的心電信號數據與PC機之間進行回傳時，速率較低，同時佩戴者在醫院外與監控中心之間的通訊方式較單一等，設計了智能心電記錄分析儀，其外形小巧、靈活；功能齊全、性能較高。

[1]李靖,劉知貴,彭桂力,等.心電檢測技術及其在遠程醫療中的應用[J].傳感器與微系統,2008,27(1):1-4.

[2]唐艷,湯井田.應用移動通訊技術設計心電監護系統[J].生物醫學工程學雜志,2006,23(5):1130-1133.

[3]王建華.遠程醫療系統的研究與實現[J].測控技術,2006,25(11):59-62.

[4]余學飛.醫學電子儀器原理與設計[M].廣州:華南理工大學出版社,2000:76-100.

[5]Micro-Power (50uA), Zero-Drift, Rail-to-Rail out Instrumentation Amplifier INA333[R].Dallas:Texas Instruments,2008.

[6]ARM Cortex-M3 Processor,THE ARCHITECTURE FOR THE DIGITAL WORLD [EB/OL].(2006-01-01)[2010-03-20].http://www.arm.com/products/processors/cortex-m/cortex-m3.php.

[7]Willis J.Tompkins.生物醫學數字信號處理[M].武漢:華中科技大學出版社,2001:36-77.

[8]蕭世文,宋延清.USB2.0硬件設計[M].北京:清華大學出版社,2006:5-35.

[9]何史林,等.基于藍牙技術的生理參數采集系統設計[J].中國醫療設備,2009(4):31-33.

[10]周亮.基于USB2.0的數據采集傳輸系統及其應用研究[D].重慶大學,2007.