面向ECG標準導聯數據采集系統設計

舒澤芳，王娟，彭曉珊

（1.貴陽學院機械工程學院，貴陽 550005；2.貴陽學院電子與通信工程學院，貴陽 550005）

0 引言

標準導聯ECG是醫學上常用的心電圖導聯，其相關信號如QRS波群、P波、R-R間期等信息是診斷心臟疾病的重要依據，傳統的心電圖機屬于機電式，不易于將心電信號數字化；現在主流的光電心電圖機其數據已經成數字化，但不易于移植至MATLAB軟件進行數據分析和研究。本文提出面向ECG標準導聯數據采集系統設計，利用MATLAB平臺設計GUI采集界面，采集卡基于STM32F103微控制器設計，利用INA333儀表放大器進行心電信號的濾波和放大。同時實現了心電信號的數據格式轉換，將其保存為TXT或者XLS格式，易于在相關分析軟件間進行數據交換，以發揮心電數據的潛在價值。

1 系統原理與組成

心電信號屬于生物電信號，是心房心室極化和復極化過程在電信號上的表象，其幅值微弱，在10μV～4mV之間；頻率范圍較低，范圍在0.05Hz～100Hz，大部分能量集中在0.05Hz～40Hz。其信噪比低，隨機性強，直流成分多[1]。本采集系統針對醫學上常用的標準導聯，即采集并顯示標準導聯Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，標準導聯電極信號之間的數學關系式如下：

Ⅰ=LA-RA

Ⅱ=LL-RA

Ⅲ=LL-LA

依據標準導聯與電極信號之間的數學關系，系統需要采集 LA（左上肢）、RA（右上肢）、LL（左下肢）。根據以上分析，采集系統定義為兩部分，采集卡和上位機采集軟件。其系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 采集系統結構圖

二階有源濾波電路利用INA333芯片完成對原始心電信號的二階帶通濾波放大，放大后由STM32F103微控制器進行ADC轉換。上位機采集軟件則基于MATLAB平臺設計，通過串行UART接口從STM32F103獲取各路心電數據。LA、RA和LL電極信號的測量參考點為RL（右下肢）。

2 采集系統硬件設計

采集系統硬件包括二階有源濾波電路和STM32F103微控制器電路構成，二階有源濾波電路以INA333運放為核心設計，依據心電信號低頻（頻率范圍0.05Hz～100Hz）的特點，二階有源帶通濾波放大電路設計如圖2所示，R1和C1構成低通濾波電路，取R1為 4.7kΩ，C1為 0.33μF，轉折頻率為 fH=1/(2πR1C1)≈100Hz；R2和C2構成高通濾波電路，取R2為6.8 kΩ，C2 為 0.47μF，則其轉折頻率為 fL=1/(2πR2C2)≈0.05Hz。根據INA333運放單電阻配置放大倍數的特點，放大倍數為1+(100kΩ/RG)，考慮后續STM32F103RCT6芯片中ADC的參考電壓為3.3V，取心電信號最高值為5mV，則取RG為150Ω，即放大666倍。U2級采用射極跟隨器設計，擴大輸出電阻[2]。

圖2 二階有源帶通和陷波電路原理圖

STM32F103通過MAX232接口與PC上位機的UART串口連接，通過STM32F103內部自帶12位ADC進行標準導聯心電信號轉換，STM32F103最小系統及外圍電路原理圖如圖3所示[3]。

圖3 STM32F103與PC機UART接口原理圖

3 采集系統軟件設計

3.1 采集卡軟件設計

采集系統的軟件部分為采集卡軟件和上位機軟件，采集卡軟件針對STM32F103微控制器設計，實現GPIO、UART和ADC的初始化，ADC轉換，UART數據傳輸等功能[4]。采集系統整體大約以300Hz頻率對心電信號采樣，STM32F103以間隔3ms將3組標準導聯心電數據上傳至上位機軟件，上位機軟件不斷刷新其顯示狀態，采集卡軟件流程圖如圖4所示。

圖4 采集卡軟件流程圖

ADC轉換部分核心代碼如下：

u16 Get_Adc(u8 ch)

{

//設置轉換序列

ADC1->SQR3&=0XFFFFFFFE0;//規則序列1通道ch

ADC1->SQR3|=ch;

ADC1->CR2|=1<<22;//啟動規則轉換通道while(!(ADC1->SR&1<<1));//等待轉換結果Return ADC1->DR;

//返回ADC值

}

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件采用MATLAB平臺GUI設計，其主界面設計如圖5所示。包括用戶信息區、導聯設定區、使用者操作區三個部分[5]。

用戶信息區采用靜態文本和編輯框控件，導聯設置區采用單選按鈕控件，使用者操作區采用按鈕控件，在啟動按鈕被按下后，即創建串口對象，完成串口屬性配置，同時利用相關串口回調函數接收、顯示和保存數據，保存數據可選擇TXT格式和XLS格式，其核心代碼設計如下：

Serial_obj=serial('COM2');

Serial_obj.BaudRate=9600;

Serial_obj.DataBits=8;

Serial_obj.Parity='none';

Serial_obj.StopBits=1;

fopen(Serial_obj);

sdata=fscanf(Serial_obj,'%d',128);

data_Ⅰ=sdata;

plot(stime,data_Ⅰ);

fprintf(FileID,'%d',data_Ⅰ);[6]

圖5 上位機主界面

4 系統測試

4.1 示波器檢測

在系統設計時，利用STM32F103自帶的DAC，將采集的數據進行了數模轉換，便于示波器進行測試，部分測試結果如下：圖6為被測試者的標準導聯Ⅰ的示波器顯示波形，圖7為被測試者的標準導聯Ⅱ的示波器顯示波形。

圖6 被測試者標準導聯Ⅰ示波器波形

圖7 被測試者標準導聯Ⅱ示波器波形

4.2 MATLAB顯示保存測試

采集系統對標準導聯Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的心電信號進行了相關功能測試，包括數據采集顯示和保存等方面，在波形顯示測試方面，圖8為被測試者標準導聯Ⅰ和Ⅱ的上位機界面顯示波形，和示波器實際測試波形一致。

圖8 標準導聯Ⅰ和ⅡMATLAB顯示波形

標準導聯Ⅱ部分心電數據保存為TXT文本文件內容如下。

Sampling timeII

hh:mm:ss.mmm(mV)

0:00.000-0.145

0:00.003-0.145

第一列代表采樣時間，第二列為II導聯信號電壓值，轉換函數代碼設計如下：

function[VarName1,VarName2,VarName3]=importfile

(filename,startRow,endRow)

if nargin<=2

startRow=1;

endRow=inf;

end

formatSpec='%9s%8s%s%[^ ]';

fileID=fopen(filename,'r');

5 結語

示波器測試環節顯示了采集卡部分運行情況，MATLAB GUI界面測試顯示了上位機軟件部分的運行情況，兩者結果一致。整體測試表明，采用MATLAB作為心電信號上位機軟件平臺是一種有效的方式，借助其強大的數據處理能力可為挖掘心電信號的各種臨床價值創造條件。

[1]宋勐翔，陳蘭嵐.基于ADS1298和STM32F407的心電采集與顯示系統設計[J].現代電子技術，2015,13:141-142.

[2]李遠，蔣稼歡，章毅等.基于Java手機便攜式心電監護分析儀的ECG信號采集模塊設計[J].醫療衛生裝備，2011,1:19-20.

[3]勾慧蘭，劉光超.基于STM32的最小系統及串口通信的實現[J].工業控制計算機，2012,9:20.

[4]劉軍，張洋，嚴漢宇.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014：260-269.

[5]余勝威，吳婷，羅建橋.MATLAB GUI設計入門與實踐[M].北京：清華大學出版社，2016：351-368.

[6]溫正.MATLAB科學計算[M].北京：清華大學出版社，2017：71-79.