面向心電監(jiān)測(cè)儀測(cè)試工裝的ECG模擬信號(hào)源設(shè)計(jì)

彭曉珊 王 娟 舒澤芳

（1.貴陽(yáng)學(xué)院電子與通信工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550003；2.貴陽(yáng)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550003）

0 引言

心電監(jiān)測(cè)儀能對(duì)患者心臟功能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，顯示P波、QRS波群、T波和U波等主要ECG波形。心電監(jiān)測(cè)儀能否有效監(jiān)測(cè)各種心律失常波形是保護(hù)患者生命安全的前提，同時(shí)也是檢驗(yàn)其自身質(zhì)量的關(guān)鍵因素。對(duì)心電監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行出廠前的功能測(cè)試是心電監(jiān)測(cè)儀生產(chǎn)中必不可少的環(huán)節(jié)，本文針對(duì)測(cè)試工裝中模擬信號(hào)源的設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出了相應(yīng)解決方案，首先將MIT-BIH提供的48組心律失常信號(hào)通過(guò)ATM工具轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的TXT格式，然后將TXT文件轉(zhuǎn)換為CSV后寫(xiě)入STM32F103嵌入式處理器的SRAM中，通過(guò)STM32F103內(nèi)置DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最終形成測(cè)試模擬信號(hào)源。

1 信號(hào)源組成原理和心律失常數(shù)據(jù)源

ECG模擬信號(hào)源由MIT-BIH數(shù)據(jù)庫(kù)、ATM配置工具、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和STM32F103最小系統(tǒng)四部分構(gòu)成，其原理圖如圖1所示。

圖1 ECG模擬信號(hào)源原理圖

目前國(guó)際上公認(rèn)的心律失常數(shù)據(jù)庫(kù)有三個(gè)，分別為美國(guó)心臟協(xié)會(huì)AHA數(shù)據(jù)庫(kù)、美國(guó)麻省理工學(xué)院MIT-BIH數(shù)據(jù)庫(kù)、歐洲的ST-T數(shù)據(jù)庫(kù)，其中MIT-BIH數(shù)據(jù)以其數(shù)據(jù)齊全、開(kāi)放以及轉(zhuǎn)換形式方便而被廣泛使用。MIT-BIH數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)自4 000個(gè)住院病人的心律失常案例，均為動(dòng)態(tài)心電圖數(shù)據(jù)，MIT-BIH從中選擇了48組數(shù)據(jù)對(duì)外公布。心律失常數(shù)據(jù)庫(kù)中每一組記錄包括三個(gè)文件——頭文件（.hea）、數(shù)據(jù)文件（.dat）、注釋文件（.atr），頭文件主要對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行格式說(shuō)明，注釋文件為心電專(zhuān)家的診斷信息，數(shù)據(jù)文件為具體的心電信號(hào)的ADC轉(zhuǎn)換值[1]。

MIT-BIH數(shù)據(jù)記錄中的數(shù)據(jù)文件采用了特殊的ASCⅡ存儲(chǔ)格式，不易被相關(guān)軟件（例如MATLAB、MDK等）讀取分析。ATM為MIT提供的網(wǎng)頁(yè)轉(zhuǎn)換配置工具，能方便地將特殊格式轉(zhuǎn)換成TXT格式[2]。

如圖2所示，配置界面上Input為數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)源選擇，選擇MIT-BIH后在Record部分可以選擇48組記錄中的任意一組數(shù)據(jù)加以轉(zhuǎn)換，ToolBox配置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的形式，可選項(xiàng)包括TXT、MAT等等。

圖2 ATM工具配置界面

部分TXT數(shù)據(jù)形式如下：

Elapsed time V5 V2

hh：mm：ss.mmm （mV） （mV）

0：00.000-0.200 0.005

0：00.003-0.200 0.005

……

TXT文本中第一列代表采樣時(shí)間，第二列為V5胸導(dǎo)聯(lián)信號(hào)電壓值，第三列為V2胸導(dǎo)聯(lián)信號(hào)電壓值。利用MATLAB軟件讀取TXT文件，然后將其利用&“，”語(yǔ)句轉(zhuǎn)換成帶逗號(hào)的CSV文件，供后續(xù)的STM32源程序使用。

2 STM32F103最小系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

STM32F103最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示，包括晶振部分、電源復(fù)位部分、BOOT啟動(dòng)部分等。選用的STM32芯片為F103VCT6型號(hào)，包含64K SRAM、512K FLASH[3]。

圖3 STM32F103最小系統(tǒng)硬件原理圖

MIT-BIH中48組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CSV文件后，將其轉(zhuǎn)存為96個(gè)二維整型數(shù)組，每個(gè)二維數(shù)組第一列為采樣時(shí)間，第二列為相應(yīng)導(dǎo)聯(lián)的電壓數(shù)據(jù)。STM32F103的軟件部分主要圍繞DAC轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì)，包括DAC通道1輸出初始化部分和DAC轉(zhuǎn)換部分，代碼如下：

#include”dac.h”//DAC通道1輸出初始化[4]

void Dac1_Init(void)

{RCC->APB2ENR|=1<<2;//使能PORTA時(shí)鐘

RCC->APB1ENR|=1<<29;//使能DAC時(shí)鐘

GPIOA->CRL&=0XFFF0FFFF;

GPIOA->CRL|=0X00000000;}//PA4模擬輸出；

//DAC轉(zhuǎn)換部分，data：0～3300，代表0～3.3 V

void Dac1_Set_data(u16 vol)

{float temp=vol;temp/=1000;temp=temp*4096/3.3;

DAC->DHR12R1=temp;}

3 信號(hào)源測(cè)試

利用MIT-BIH中的源數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)源測(cè)試，以207組數(shù)據(jù)為例，MIT-BIH的207組數(shù)據(jù)包括有ECG標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)Ⅱ，其ATM顯示的波形如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)Ⅱ的ATM波形

固緯GOS-2204A示波器對(duì)信號(hào)源進(jìn)行207組數(shù)據(jù)測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)Ⅱ示波器顯示如圖5所示，示波器測(cè)試和ATM波形相一致。

4 結(jié)語(yǔ)

圖5 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)Ⅱ示波器顯示

測(cè)試結(jié)果表明，STM32F103豐富的硬軟件功能為MIT-BIH的心律異常數(shù)據(jù)模擬復(fù)現(xiàn)提供了條件，通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬軟件模塊，可模擬復(fù)現(xiàn)MIT-BIH中48組數(shù)據(jù)，產(chǎn)生心律異常數(shù)據(jù)模擬信號(hào)源，為相關(guān)廠家設(shè)計(jì)心電監(jiān)測(cè)儀的測(cè)試工裝提供重要部件，因而具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

[1]宋春麗.怎樣識(shí)讀MIT-BIH中的心電信號(hào)[J].科技資訊，2010（9）：27.

[2]宋喜國(guó)，鄧親愷.MIT-BIH心率失常數(shù)據(jù)庫(kù)的識(shí)讀及應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2004，21（4）：230-232.

[3]勾慧蘭，劉光超.基于STM32的最小系統(tǒng)及串口通信的實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012，25（9）：26-28.

[4]劉軍，張洋，嚴(yán)漢宇.例說(shuō)STM32[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.