新型三導聯無線ECG設計與其處理算法研究

張大偉，王海科，張 斌

（1．鄭州大學信息工程學院，河南鄭州 450001;2．鄭州大學學報，河南 鄭州 450001;3．鄭州大學物理工程學院，河南鄭州 450001）

0 引言

心電圖（ECG）反映了心肌細胞生物電位的變化，是醫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。傳統12導聯心電圖儀存在體積較大、不易便攜等缺點。動態便攜式心電Holter也因價格昂貴很難普及到個人家庭?？紤]到心臟病突發性的特點，研發便攜式、小型化、低功耗無線心電監護產品就顯得尤為重要。目前相應三導聯無線ECG研究報道較少，其中，Hong J H開發了一種基于 PDA監護的三導聯無線 ECG［1］，Zhang S設計一種可通過GSM遠程監護的三導聯無線ECG［2］，張石也設計了一種基于S3C24l0平臺的三導聯遠程心電監護系統［3］。然而，以上三導聯無線ECG的模擬前端都是采用常用的分立式元器件設計，仍然存在體積較大、功耗較高、成本較高的缺點。

心電信號特征參數檢測是診斷分析的關鍵，而QRS波是ECG檢測的首要問題。由于心電信號易受噪聲和工頻干擾以及QRS波與T波較相似，QRS波檢測并不容易實現。目前，QRS波檢測方法較多，如小波變化法［4］、模板匹配法［5］、數學形態法［6］、差分法［7］等。上述方法各有優缺點，相比而言，差分方法在運算量和正確率兩者之間比較折中。然而，對于三導聯無線ECG而言，目前，基于差分法的研究成果的計算量仍然較大。本文給出一種基于ADS1291和STM32L162三導聯無線ECG的設計方法，與此同時，介紹了一種新的具有運算量低、正確率高等優點的QRS波檢測方法。

1 系統結構設計

以便攜式、小型化、低功耗為目標，所設計的三導聯無線ECG主要包含括:數據采集模塊、數據采集控制與處理模塊、無線通信模塊和電源管理模塊。其系統結構框圖如圖1所示。

圖1 三導聯無線ECG結構框圖Fig 1 Structure block diagram of wireless 3 lead ECG

數據采集模塊采用TI公司用于生物電勢測量單通道24位A/D轉換模擬前端ADS1291，其不僅內置可編程增益放大器PGA、基準Reference和板載振蕩器Oscillator，且將心電應用的所有常見功能集于一身，比如:通道選擇MUX、右腿驅動RLD、掉線檢測Lead-off等。與現有分立式芯片實現方案相比，可將PCB尺寸縮小52%、功耗降低89%、組建數量減少75%。另外，24位A/D轉換精度可以降低通道的放大倍數，從而降低引入噪音、提高心電信號檢測的分辨率。ADS1291主要特性:每通道功耗為335 μW，輸入參考噪音小于8 μV，采樣速率為125 sps～8 ksps，共模抑制比為105 dB。

選擇基于 Cortex—M3內核的超低功耗微控制器STM32L162作為三導聯無線ECG的數據采集控制與處理模塊。與其他基于 ARM7，ARM9，Contex—M8相比，該微控制器除了保留很強的計算能力和豐富的外設，而且具有極低的功耗（工作頻率為8 MHz時的電流損耗僅為2 mA）。STM32L162負責控制ADS1291完成心電信號的采集，進行數字FIR低通濾波、50 Hz限波、QRS波檢測、心率計算等數據處理，之后控制無線通信模塊完成數據傳輸。

無線通信模塊主要完成心電數據未來到病人手持設備或監護站的傳輸，以便可使該三導聯ECG作為一個無線傳感終端使用。選用低功耗（工作/待機電流 12．3 mA/22 μA）、多頻點（125 個）、高速率（2 Mbps）、低工作電壓（1．9～3．6 V）的射頻收發芯片nRF24L01來實現數據無線傳輸。nRF24L01具有1個發送通道和6個接收通道，可實現點對多點通信、組成星形網絡結構。所設計的無線收發器體積為19 mm×12 mm，開闊地傳輸距離可達30 m。

電源管理模塊主要有2個部分:一是為提供具有較低噪音的 LDO 電壓模塊（TPS79933，輸出 3．3 V，噪音29．5 μV RMS）;二是基于BQ24060鋰離子電池（560mAh）充電模塊。

2 心電處理算法

三導聯無線ECG處理算法主要包括:數字FIR低通濾波（100 Hz）、50 Hz限波、QRS波檢測、心率計算等數據處理?？紤]QRS檢測在ECG中重要性和復雜度，重點介紹一種基于差分運算的QRS復波檢測方法，主要包括3個步驟:1）通過對ECG信號進行差分運算;2）找R點;3）找與每個R點相關的Q點和S點。

2．1 差分運算

1）讀取ECG信號數據x（n）（以MIT—BIH心電數據庫中記錄116為例進行闡述，如圖2（a）所示）。

2）對ECG信號進行差分運算:xd（n）=x（n）－x（n－1），如圖2（b）所示。

3）通過截止頻率為100Hz FIR低通濾波器去除差分數據xd（n）中所含的高頻成分，等到xdfir（n），如圖2（c）所示。

4）閾值處理，選取2個閾值A1（A1＞0），A2（A2＜0），使小于A1且大于的xdfir（n）都變為0，即xdm（n）=0（A1＞xdfir（n）＞A2），xdm（n）=xdfir（n）（A1＜xdfir（n），xdfir（n）＜A2），如圖2（d）所示。閾值的選取較重要，過高，可能丟失一些R點，過低，則會產生誤檢測。

5）取值為正的數據，xdm+（n）=0（xdm（n）＜0），xdm+（n）=xdm（n）（xdm（n）＞0），如圖2（e）所示。

2．2 R 點尋找

1）尋找xdm+（n）中的極值點?？蓪祿dm+（n）以N個采樣點為間隔分成不同的段，分別找到xdm+（n）在這些間隔中的極值點。N的取值與心電采樣率F有關，且N/F過大易漏檢，N/F過小將會增加極值點識別的復雜度?？紤]正常人 QRS波不會超過0．11 s，這里，以N=50，F=360為例，即每50個采樣點相當于約0．14s的時間長度，如圖2（f）所示。

2）識別xdm+（n）中正確的極值點。在此分2種情況:a．如果2個極值點間隔τ≤50，則較大點為正確的極值點（見圖2（f）中2．2～2．4 s之間的R點）;b．如果2個極值點間隔τ＞50，則它們都是正確的極值點。

3）根據識別出的極值點尋找到R點的位置。由于進行了差分運算，故極值點并非R點所對應的位置，存在一定的偏差，可回到原始信號中尋找。本算法將在差分信號極值點兩邊各25個采樣點范圍內出現的最大值點作為識別出的R點。

2．3 Q點與S點尋找

通常，由于 QRS波的時間寬度約為0．04～0．11 s，其寬度約為15～40個采樣點（以采樣率F=360為例）。因此，可在R點前后各40個采樣點這一段時間間隔中尋找R點之前的最小值點和R點之后的最小值點，即分別為Q點、S點。

圖2 基于差分運算QRS波檢測過程Fig 2 QRS detection process based on differential operation

3 實驗

為了驗證所提出的三導聯無線ECG設計和QRS波檢測方法的可行性，制作了一種原理樣機。該樣機模擬胸導聯V5的連接方式進行心電檢測的實驗場景如圖3所示，實時處理后的心電數據通過無線傳輸給上位計算機。圖4給出了從原始心電信號中檢測出QRS波的實現過程。其中，圖4（a）為原始心電波經過截止頻率為100 Hz FIR低通濾波器的輸出，可以看到，盡管采用了右腿驅動還是有存在一定的50 Hz工頻干擾;圖4（b）為心電波隨后經過50 Hz FIR陷波器的輸出，可以看出噪音已基本去除;圖4（c）為QRS波檢測的實驗結果。經實際測試，該原理樣機主要性能指標如下:1）輸入參考噪音有效值小于1 μV，采集板單邊尺寸小于3 cm;2）12 bit-AD采樣率360;3）連續無線采集（含數據分析）功耗小于20 mA（3．3 V），工作時間大于24 h（560 mAh）。

圖3 三導聯無線ECG測試Fig 3 Test of wireless 3 lead ECG

4 結論

本文著重介紹了一種新型三導聯無線ECG設計方法，及其基于差分運算QRS波檢測的實現。采用集成度高、性能卓越的用于生物電勢測量單通道24位模擬前端，大大縮減了三導聯無線ECG的尺寸、功耗和總體成本。配合FIR數字低通濾波和50 Hz限波，可進一步去除干擾得到分辨率較高的心電信號。相比現有方法，所述的基于差分運算QRS波檢測在保證高準確率的前提下，具有較低的運算量，可應用于未來各種便攜式且需要低功耗ECG中。

圖4 QRS波識別過程Fig 4 Recognition process of QRS wave

［1］ Hong J H，Kim J M，Cha E J，et al．A wireless 3-channel ECG transmission system using PDA phone［C］∥2007 International Conference on Convergence Information Technology，Gyeongju:IEEE，2007:21 －23．

［2］ Zhang S，Jia X，Shanyg S．Design and implement of a 3-lead ECG wireless remote monitoring system［C］∥The 6th International Symposium on Instrumentation and Control Technology，Beijing，2006:1－5．

［3］ 張 石，董建威，王軍輝，等．用S3C2410實現三導聯遠程心電監護系統［J］．單片機與嵌入式系統應用，2006（4）:5－8．

［4］ 盧 菲，高振斌．基于小波變換的QRS波群檢測［J］．電子設計工程，2011，19（23）:46 －49．

［5］ 諶雅琴，李 剛，葉文宇，等．自適應相干模板法在心電圖機中應用的一種改進算法［J］．信號處理，2002，18（3）:244－248．

［6］ 劉少穎，盧繼來，郝 麗，等．基于數學形態學和小波分解的QRS波群檢測算法［J］．清華大學學報:自然科學版，2004，24（6）:852－855．

［7］ Yeh Y C，Wang W J．QRS complexes detection for ECG signal:The difference operation method［J］．Computer Methods and Programs in Biomedicine，2008，91（3）:245 －254．