基于單導(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)護系統(tǒng)的嵌入式技術(shù)課程案例設(shè)計

朱智

摘要： 針對嵌入式技術(shù)課程中理論抽象和設(shè)備技術(shù)深度不足的問題，文章設(shè)計出單導(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)護系統(tǒng)的案例，致力于提升學(xué)生在嵌入式領(lǐng)域的學(xué)習(xí)體驗。課堂教學(xué)采用案例展示、教師分析、學(xué)生分組設(shè)計仿真和小組答辯等形式，以提高學(xué)生的參與度。研究結(jié)果表明，以嵌入式技術(shù)在單導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)護系統(tǒng)中的應(yīng)用為背景，能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對系統(tǒng)概念的理解，提高學(xué)生在心電信號分析設(shè)計方面的綜合能力，實現(xiàn)理論與實踐的有機結(jié)合。

關(guān)鍵詞：ECG監(jiān)護系統(tǒng)；嵌入式技術(shù)；教學(xué)案例

中圖分類號：G642? 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

“微機與單片機嵌入技術(shù)”課程作為電子信息等專業(yè)的必修課，旨在培養(yǎng)學(xué)生將理論知識與實際工程設(shè)計相結(jié)合的能力［1］。該課程全面涵蓋了系統(tǒng)架構(gòu)、硬件原理與驅(qū)動、軟件指令體系和編碼等多個設(shè)計方面，與硬件和嵌入式操作系統(tǒng)也密切相關(guān)［2］。然而，教師在授課時面臨學(xué)生對抽象概念的難以理解、跨學(xué)科挑戰(zhàn)以及設(shè)備限制和實驗條件不足等問題。技術(shù)更新速度快和理論難與實踐相結(jié)合等問題也增加了課程的教學(xué)難度［3］。

為解決這些問題，創(chuàng)新性的教學(xué)方法和產(chǎn)業(yè)界的合作顯得尤為重要。采用創(chuàng)新教學(xué)方法，如案例教學(xué)和實踐項目，提高學(xué)生對抽象概念的理解和實際操作能力；加強與產(chǎn)業(yè)界的合作，提供實踐機會和現(xiàn)代化設(shè)備支持，確保學(xué)生緊跟技術(shù)發(fā)展［4］。這些綜合性的舉措幫助課程更貼近實際應(yīng)用，更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。大部分高校教學(xué)以實踐創(chuàng)新為主，但在實際操作過程中卻面臨著教學(xué)內(nèi)容和案例相對枯燥，缺乏系統(tǒng)性和實際應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)生難以深刻理解［5］。

“微機與單片機嵌入技術(shù)”課程中，為了幫助學(xué)生更深入理解嵌入式概念，課程引入了案例展示、教師分析、學(xué)生分組設(shè)計仿真和小組答辯等教學(xué)環(huán)節(jié)，提高了學(xué)生的參與度。本文設(shè)計單導(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)護系統(tǒng)案例以解決“微機與單片機嵌入技術(shù)”理論學(xué)習(xí)內(nèi)容抽象的問題。該教學(xué)案例幫助學(xué)生掌握外圍電路設(shè)計、STM32處理器的性能、結(jié)構(gòu)和編程。通過案例教學(xué)和上機訓(xùn)練，學(xué)生將獲得更為豐富的實際動手經(jīng)驗，為今后微控制器系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用打下更為堅實的基礎(chǔ)。

1 ECG生理檢測原理

1.1 ECG信號產(chǎn)生原理

心電信號是心臟組織發(fā)生電興奮時產(chǎn)生的電信號［6］。如圖1所示，在靜止?fàn)顟B(tài)下，心肌細胞膜呈極化狀態(tài)，即膜內(nèi)負電荷、膜外正電荷。受到刺激時，細胞膜通透性改變，導(dǎo)致細胞膜內(nèi)外電荷分布發(fā)生變化，形成心臟的去極化，也稱為除極。復(fù)極是電荷恢復(fù)到極化狀態(tài)的過程。心臟通過周期性的除極和復(fù)極，在人體表面形成電位差，伴隨著心臟的收縮與舒張［7］。

圖1 心臟傳導(dǎo)

在心臟收縮之前，竇房結(jié)肌細胞等組織發(fā)生離子流動，產(chǎn)生微弱電流。電流按特定順序通過心臟壁的傳導(dǎo)組織傳導(dǎo)到各部位，觸發(fā)心肌細胞興奮，導(dǎo)致心臟跳動。心臟電興奮引起規(guī)律的電位變化，形成心電信號［8］。該信號通過周圍組織傳導(dǎo)，合成心電圖（Electrocardiogram，ECG）。通過儀器和電極導(dǎo)聯(lián)，微弱的心電信號被放大采集，描繪出時間-電壓曲線圖，即心電圖。

1.2 ECG信號的時域波形

心電圖是記錄心臟活動的時域波形圖，受個體差異、環(huán)境電磁場和電極放置等因素的影響，顯示的波形可能有些許差異。標(biāo)準(zhǔn)心電圖如圖2所示，描述了一個周期內(nèi)各個波段的組成。

圖2 正常周期心電圖各波段

一個心電圖周期主要包括以下波段。

P波：表示左右心房電位隨時間變化，除aVR導(dǎo)聯(lián)外，其他導(dǎo)聯(lián)呈向上波形。

T波：出現(xiàn)在QRS波群之后，方向與QRS波群一致，代表心室復(fù)極時電位變化。

P-R波段：P波結(jié)束到QRS波群開始的直線，反映房室結(jié)傳導(dǎo)情況，正常情況下短于0.2s。

QRS波群：反映心室去極化，包括Q波、S波和尖銳的R波，寬度為0.06～0.10 s，R波高度不超過4 mV。

S-T波段：QRS波群結(jié)束到T波開始，表示心室肌去極化完成后的緩慢恢復(fù)，正常情況下趨近等電位線，變化不超過0.1 mV。

1.3 ECG信號噪聲來源

人體產(chǎn)生的微弱心電信號幅值通常不超過5 mV，頻率在0.05～100 Hz。然而，該信號容易受到腦電、肌電等其他生理電信號以及儀器和電磁環(huán)境的影響，導(dǎo)致難以清晰分辨。在心電圖中，噪聲表現(xiàn)為肌電干擾、工頻干擾和基線漂移［9］。

（1） 肌電干擾：人體存在20～5 000 Hz的肌電信號，其不規(guī)則、密集的高斯噪聲會疊加在心電信號上。通過低通濾波器可有效去除該高頻噪聲。

（2） 工頻干擾：使用市電作為電源會引入50 Hz工頻信號及其諧波，對微弱電信號產(chǎn)生較大影響，使心電信號模糊不清。采用小波變換、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解或濾波器可有效抑制工頻信號。

（3） 基線漂移：人體呼吸或身體晃動產(chǎn)生0.05～2.00 Hz的低頻噪聲，導(dǎo)致信號頻帶與基線不同水平，使整體波形發(fā)生漂移。通過陷波器或濾波器處理，有助于解決基線漂移問題，確保心電圖分析準(zhǔn)確。

2 單導(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)護系統(tǒng)案例設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

本課程案例要求設(shè)計一種能夠?qū)崟r監(jiān)測、預(yù)警的單導(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)心電信號采集顯示、心率計算、心電診斷預(yù)警。

整個系統(tǒng)分為2個部分：采集端與客戶端，如圖3所示。采集端主要由心電采集電極、心電信號調(diào)理單元、微處理器信號處理單元、電源及藍牙透傳模塊組成；客戶端為Android App。

心電信號調(diào)理單元通過電極片采集人體含有噪聲的心電模擬信號，信號經(jīng)放大處理后轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，由SPI通信方式傳輸給心電信號預(yù)處理單元；預(yù)處理單元接收到數(shù)據(jù)后通過數(shù)字濾波器濾波后將波形顯示在顯示屏上，同時將數(shù)據(jù)（心電值、心率、R-R間期）通過藍牙透傳模塊打包發(fā)送給Android客戶端。

2.2 課程案例

本課程采用案例展示、教師分析、學(xué)生分組設(shè)計仿真和小組答辯的教學(xué)模式，要求各小組合作探討實現(xiàn)以下主要工作。

（1）采用ADS1292R與STM32F407主控設(shè)計制作一款心電監(jiān)測模塊。繪制原理圖且打印PCB，焊接元器件，上電后能夠正常使用，且運行穩(wěn)定。

（2）根據(jù)ADS1292R芯片的數(shù)據(jù)手冊完成驅(qū)動程序的編寫，包括芯片的啟動代碼編寫、讀取數(shù)據(jù)程序的編寫，SPI通信驅(qū)動與芯片指令系統(tǒng)的移植。

（3）使用巴特沃斯低通數(shù)字濾波器，濾除心電信號中摻雜的人體高頻噪聲。

（4）設(shè)計一種差分動態(tài)閾值QRS波群識別算法，能夠識別R波波峰，計算出R-R間期與心率值。

（5）使用Android Studio IDE設(shè)計Android App的接收并顯示數(shù)據(jù)與波形。

2.3 系統(tǒng)測試

2.3.1 采集端心電采集測試

將監(jiān)測電極片聯(lián)接人體后，通過導(dǎo)線連接到采集端口。如圖4所示，心電監(jiān)測模塊使用正常。

調(diào)整心電信號發(fā)生器的心率值為60次/min。通過Watch窗口觀察R-R間期與心率值，Watch窗口如圖5所示。

2.3.2 濾波效果測試

人體心電信號是一種毫伏級別的微弱信號，頻率在0.05～100.00 Hz，很容易受到人體肌電與外界環(huán)境干擾，因此需要對采集的生理信號通過濾波處理。系統(tǒng)采用巴特沃斯低通濾波器濾除人體夾雜電信號。通過對信號的對比，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)使用濾波器可以從人體嘈雜的電信號中提取出平滑的心電信號。

2.4 案例實施

在近2年的教學(xué)安排中，課程團隊先后在4個電子信息教學(xué)班中引入“單導(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)護系統(tǒng)案例”。通過實驗視頻和實物演示，教師幫助學(xué)生形成對嵌入式技術(shù)的整體認識，隨后對案例進行總體分析。在此基礎(chǔ)上，以2～4名學(xué)生為一個小組，展開對案例的仿真分析和討論。每名學(xué)生獨立負責(zé)系統(tǒng)中的一個模塊，包括心電采集電極、心電信號調(diào)理單元、微處理器信號處理單元、電源及藍牙透傳模塊。學(xué)生通過自主設(shè)計和仿真這些系統(tǒng)模塊，更好地將所學(xué)的基本理論應(yīng)用于實踐。小組成員獨立完成單元模塊設(shè)計和仿真后，各小組探討了系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對傳輸效率和輸出功率等性能指標(biāo)的影響，并進行聯(lián)合仿真。最終，各小組通過總結(jié)報告、實物展示和課堂答辯的形式展示設(shè)計成果，實現(xiàn)小組間的互相學(xué)習(xí)和共同提升。

課后，學(xué)生反饋表示，這個案例有助于建立系統(tǒng)的知識體系，能夠?qū)⒗碚撝R應(yīng)用到實際情境中。通過案例，學(xué)生更好地理解了嵌入式技術(shù)在案例模塊中相互作用的原理，培養(yǎng)了科學(xué)的工程實踐思維。教學(xué)實踐結(jié)果顯示，在課程配套的綜合實驗中，學(xué)生對案例系統(tǒng)的搭建過程更為順利，團隊協(xié)作、問題分析和解決能力得到提高，知識體系更加全面。

3 結(jié)語

單導(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)護系統(tǒng)案例與嵌入式技術(shù)的有機融合是基本理論與學(xué)科前沿的應(yīng)用。該案例鮮明凸顯了嵌入式技術(shù)的研究焦點，特別強調(diào)其在構(gòu)建ECG監(jiān)護系統(tǒng)的單元電路和各功能模塊基本理論方面的緊密聯(lián)系。通過此案例的設(shè)計，學(xué)生能夠直觀領(lǐng)悟所學(xué)課程理論在實際場景中的應(yīng)用，從而更深入地理解基本理論的實際運用。案例獨特的應(yīng)用背景有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提升學(xué)生對問題進行分析和解決的能力。

參考文獻

［1］張巧芬，吳黎明，王桂棠.微機原理與單片機技術(shù)課程思政教學(xué)改革的探索［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2023（17）：111-113.

［2］陳逸菲，馬辰來，翟慧茹，等.SPOC課程學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)分析——以微機原理及單片機技術(shù)課程為例［J］.軟件導(dǎo)刊，2021（9）：248-252.

［3］徐蓓玲.“現(xiàn)代教育技術(shù)”課程的面授課教學(xué)設(shè)計［D］.聊城：聊城大學(xué)，2022.

［4］黃同，拓欣，劉勁飛.民辦高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量評價體系研究與實踐——以延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院為例［J］.科技風(fēng)，2023（33）：47-49，59.

［5］黃同，拓欣，劉勁飛.民辦高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量評價體系研究與實踐——以延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院為例［J］.科技風(fēng)，2023（33）：47-49，59.

［6］KUMAR A，TOMAR H，MEHLA V K，et al.Stationary wavelet transform based ECG signal denoising method［J］.ISA Transactions，2021（114）：251-262.

［7］李家豪.基于二維化十二導(dǎo)聯(lián)ECG信號分類與冗余性研究［D］.濟南：齊魯工業(yè)大學(xué)，2023.

［8］魏平俊，楊耀華，胡征慧，等.基于VMD和平滑濾波的ECG去噪方法［J］.電工技術(shù)，2023（9）：17-21.

［9］KHER R.Signal processing techniques for removing noise from ECG signals［J］.Journal of Biomedical Engineering，2019（101）：1-9.

（編輯 李春燕編輯）

Case design of embedded technology course based on single-lead ECG monitoring system

Zhu? Zhi

（School of Internet of Things Engineering， Wuxi Taihu University， Wuxi 214063， China）

Abstract：? In response to the challenges of theoretical abstraction and insufficient depth of device technology in embedded technology courses， this paper presents a case design of a single-lead ECG monitoring system aimed at enhancing students learning experience in the field of embedded systems. The classroom instruction adopts a format of case presentation， teacher analysis， student group simulation design， and group defense to increase student engagement. The research results indicate that using the application of embedded technology in a single-lead electrocardiogram monitoring system as a background effectively stimulates students interest in learning， deepens their understanding of system concepts， improves their overall competence in electrocardiogram signal analysis and design， and achieves an organic integration of theory and practice.

Key words： ECG monitoring system; embedded technology; teaching case