一種便攜式心電監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)*

張亞君，余永紀(jì)，洪 明

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院， 杭州310018)

心血管疾病是威脅人類生命的主要疾病之一，心電圖(ECG)則是評(píng)價(jià)心臟功能的主要依據(jù)。而目前具有心電檢測(cè)、分析功能的設(shè)備價(jià)格不菲，而且主要是在醫(yī)院等醫(yī)療場(chǎng)所才有，個(gè)人監(jiān)護(hù)使用很不方便。也有針對(duì)個(gè)人的便攜式產(chǎn)品，但一般僅能記錄、存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)而不帶分析功能[1-2]。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，器件性能大大提高，使開(kāi)發(fā)一種便攜式、功耗低、容量大、具有分析能力的心電檢測(cè)設(shè)備成為可能。本文利用ARM Cortex-M3內(nèi)核的32 bit單片機(jī)作為處理器，采用大容量SD卡作為存儲(chǔ)單元，開(kāi)發(fā)出一套具有分析功能、性能強(qiáng)的心電檢測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理及構(gòu)成

系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分，包括心電信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和心電數(shù)據(jù)分析處理模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。心電信號(hào)采集模塊主要由心電采集電路、信號(hào)放大電路、濾波電路和AD采樣電路組成。心電信號(hào)微弱且有較多干擾，因此對(duì)這一模塊的硬件和軟件設(shè)計(jì)都提出了更高的要求。

圖1 系統(tǒng)框圖

數(shù)據(jù)管理模塊主要完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與回調(diào)，采用大容量的SD卡來(lái)設(shè)計(jì)，并嵌入FAT文件系統(tǒng)。萬(wàn)年歷時(shí)鐘給用戶提供時(shí)間信息，心電數(shù)據(jù)采集后以文件的形式存入以當(dāng)前時(shí)間為命名的TXT文件中，這樣便于讀取和傳輸。心電分析處理模塊主要完成心電信號(hào)預(yù)處理、QRS波檢測(cè)及常見(jiàn)疾病分析，實(shí)時(shí)顯示處理結(jié)果及實(shí)現(xiàn)病情報(bào)警。用戶可通過(guò)鍵盤與LCD顯示與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2 硬件設(shè)計(jì)

心電信號(hào)經(jīng)放大電路和濾波電路處理后，由單片機(jī)完成AD采樣。放大電路采用TI公司的儀用放大器INA128設(shè)計(jì)，可以過(guò)到較高的共模抑制比。

心電信號(hào)進(jìn)行軟件濾波和數(shù)據(jù)分析處理時(shí)的運(yùn)算相當(dāng)復(fù)雜，不僅要求運(yùn)算速度快而且要求計(jì)算的精度高，這就使得CPU處理器的選擇顯得尤為重要。本系統(tǒng)選用Luminary Micro公司的LM3S1138單片機(jī)芯片作為CPU。該芯片是基于ARM Cortex-M 3內(nèi)核哈佛結(jié)構(gòu)，采用ARMv7-M架構(gòu)的32 bit處理器，它擁有硬件除法單周期乘法的32 bit RSIC，運(yùn)算速度快。內(nèi)部有64 K單周期Flash， 16 KB單周期訪問(wèn)的SRAM，可以在50 MHz的工作頻率下運(yùn)行，這對(duì)提高數(shù)據(jù)運(yùn)算的速度，實(shí)現(xiàn)算法的實(shí)時(shí)性有很大幫助。而且該芯片價(jià)格便宜、功耗低，片上外設(shè)豐富，不用另外設(shè)計(jì)電路便可以完成心電信號(hào)的AD采樣。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分之一，本系統(tǒng)選用大容量SD卡作為存儲(chǔ)媒介，它讀寫速度快、尺寸小、而且安全性高[3]，能夠達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的要求。 SD卡與單片機(jī)的接口電路如圖2所示。 SD卡的數(shù)據(jù)輸入、輸出管腳與單片機(jī)的SPI口相連，并由單片機(jī)提供SPI時(shí)鐘信號(hào)，用于同步單片機(jī)SPI與 SD卡之間的數(shù)據(jù)傳輸。檢測(cè)信號(hào)線CARD_INSER用于檢測(cè)卡是否插入。 SD卡的供電方式采用可控方式，其作用是為了防止SD卡進(jìn)入不確定狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)對(duì)卡重新上電使卡復(fù)位而無(wú)須撥出。可控電路采用P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管2SJ355，由CPU與CARD_POWER相接的管腳進(jìn)行控制。

圖2 SD卡與單片機(jī)的接口電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本監(jiān)測(cè)儀接口較多，功能性強(qiáng)，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想。整個(gè)系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)初始化與自學(xué)習(xí)、濾波處理、QRS波檢測(cè)、心律失常檢測(cè)、SD卡讀寫和文件系統(tǒng)、波形結(jié)果顯示和界面設(shè)置等等。監(jiān)測(cè)主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

3.1 系統(tǒng)初始化與自學(xué)習(xí)

設(shè)備上電后，首先要進(jìn)行初始化。初始化過(guò)程包括CPU工作頻率、采樣頻率、SPI模塊、I2C模塊和AD模塊的設(shè)置等。此時(shí)信號(hào)采集模塊并未開(kāi)啟，用戶可以通過(guò)管理界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和數(shù)據(jù)管理。當(dāng)需要進(jìn)行心電采集時(shí)，再打開(kāi)采電路，這樣可以大大降低功耗。心電檢測(cè)開(kāi)啟后，在5 ～10 s內(nèi)完成自學(xué)習(xí)。自學(xué)習(xí)是對(duì)個(gè)人心電特征參數(shù)的提取，包括心率、R波幅度等信息。這一過(guò)程與心電采集過(guò)程基本相同，都要完成AD采樣、濾波、數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)等過(guò)程，只是不作疾病分析。自學(xué)習(xí)得到的心電特征參數(shù)將在以后的采樣、數(shù)據(jù)分析處理過(guò)程中不斷修正，使參數(shù)與實(shí)際特征參數(shù)相近。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理部分主要是完成QRS波的檢測(cè)和心律失常判斷。QRS波檢測(cè)的方法有很多，比較常用的有小波分析法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[4]，但這種方法計(jì)算復(fù)雜，且實(shí)時(shí)性不易實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)計(jì)算心電數(shù)據(jù)的一階、二階差分發(fā)現(xiàn)[5-6]：ECG信號(hào)中一階差分的向下過(guò)零點(diǎn)和二階差分的極小值點(diǎn)與ECG信號(hào)中的R波是相對(duì)應(yīng)的。在一階差分信號(hào)中， R波在一階差分信號(hào)中為QRS波群所對(duì)應(yīng)的向下過(guò)零點(diǎn)，其值為負(fù)；Q波應(yīng)為R波所在位置向前的第一個(gè)向上過(guò)零點(diǎn)，其值為正；S波為R波所在的位置向后的第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)，其值為正。本系統(tǒng)是根據(jù)這一相對(duì)應(yīng)的關(guān)系來(lái)設(shè)計(jì)的算法。

檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)的基本過(guò)程如下：信號(hào)采集后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，采用低通、高通濾波器組成帶通濾波器濾除基線干擾和工頻干擾。然后對(duì)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行一階差分和二階差分，找到二階差分極小值點(diǎn)，根據(jù)二階差分與 R波點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系便可以定位出CEG信號(hào)的R波點(diǎn)。當(dāng)然，第一次定位出的R波點(diǎn)不一定十分準(zhǔn)確，可能存點(diǎn)噪聲點(diǎn)或漏檢點(diǎn)。為此，系統(tǒng)根據(jù)兩次心跳的時(shí)間不應(yīng)小于200 ms和兩次心跳的時(shí)間不應(yīng)大于平均心率的1.5倍進(jìn)行去噪查漏檢測(cè)，然后根據(jù)QRS波幅值條件確定噪聲點(diǎn)和漏檢點(diǎn)。定位出R波點(diǎn)后，根據(jù)一階差分與QRS波的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)CEG信號(hào)的QRS波進(jìn)行精確定位。

為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理和保證數(shù)據(jù)分析處理期間AD采樣能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)，本系統(tǒng)建立了兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以5 s為一個(gè)周期采用中斷的方式對(duì)兩個(gè)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行輪番處理。采用這種方法會(huì)使數(shù)據(jù)分析有所滯后，但在判斷心律失常時(shí)需要與前后的心搏相結(jié)合，所以本心電檢測(cè)系統(tǒng)還是符合實(shí)時(shí)要求的。為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的心電檢測(cè)算法的準(zhǔn)確性，運(yùn)用美國(guó)麻省理工的MIT-BIH心電數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了測(cè)試[8]，QRS波檢測(cè)平均準(zhǔn)確率在99.5 %以上，說(shuō)明算法的準(zhǔn)確性是很高，能符合實(shí)際檢測(cè)的要求。

3.3 數(shù)據(jù)文件管理

3.3.1 文件系統(tǒng)

根據(jù)FAT文件系統(tǒng)的需要， SD卡上的數(shù)據(jù)按照其不同的特點(diǎn)和作用大致可分為5個(gè)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[7]，即主引導(dǎo)記錄(MBR)區(qū)、系統(tǒng)引導(dǎo)記錄(DBR)區(qū)、文件分配(FAT)表、文件目錄(FDT)表和數(shù)據(jù)(DATA)區(qū)。文件系統(tǒng)存儲(chǔ)的原理可用圖4來(lái)表示。系統(tǒng)以簇為基本單位為文件分配存儲(chǔ)空間，在創(chuàng)建文件時(shí)，自動(dòng)為該文件創(chuàng)建一個(gè)由簇號(hào)組成的索引鏈，并以FF為結(jié)束標(biāo)志。在讀寫文件時(shí)，在目錄項(xiàng)中查找與文件名相對(duì)應(yīng)索引鏈的首簇號(hào)，在簇號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)讀取或?qū)懭藬?shù)據(jù)，然后通過(guò)查詢FAT區(qū)確定下一簇的簇號(hào)，直到文件結(jié)束。

圖4 文件存儲(chǔ)原理圖

3.3.2 數(shù)據(jù)文件管理

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、文件管理過(guò)程的流程圖如圖5所示。

圖5 文件管理流程圖

系統(tǒng)上電后，進(jìn)行SD卡初始化和文件系統(tǒng)初始化，對(duì)文件系統(tǒng)進(jìn)行掛載，然后通過(guò)底層驅(qū)動(dòng)程序在SD卡上進(jìn)行創(chuàng)建文件、讀寫文件和刪除文件等操作，從而實(shí)現(xiàn)文件的管理。在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，以當(dāng)前時(shí)間為文件名建立TXT文件，然后往SD卡寫數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，從文件名便可以得到這段心電數(shù)據(jù)的時(shí)間信息，為醫(yī)療人員的進(jìn)一步分析、病情掌握作參考。心電波形回調(diào)時(shí)，先讀取SD卡磁盤中的文件名，然后選擇要回調(diào)的文件進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作，并可通過(guò)開(kāi)始/暫停、停止鍵來(lái)控制波形回放的過(guò)程。刪除文件時(shí)選擇要?jiǎng)h除的文件后，系統(tǒng)自動(dòng)尋找目標(biāo)定位進(jìn)行刪除操作。

4 結(jié)果及分析

除了利用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行測(cè)試外，在一定范圍內(nèi)還進(jìn)行了實(shí)際檢測(cè)測(cè)試。本文以處于如安靜、慢走和慢跑不同狀態(tài)下的測(cè)試者為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，將監(jiān)測(cè)儀的測(cè)試結(jié)果與計(jì)算機(jī)上的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。由于并未出現(xiàn)象MIT數(shù)據(jù)庫(kù)中那種極端的數(shù)據(jù)，即使包含了小跑，準(zhǔn)確率也達(dá)到了99.87%。處于安靜和慢走狀態(tài)下沒(méi)有誤檢，檢測(cè)效果令人滿意。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)ECG信號(hào)結(jié)果

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的便攜式心電檢測(cè)儀，具有運(yùn)算速度快、功耗低、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的特點(diǎn)。采用大容量SD卡作為存儲(chǔ)媒介，嵌入文件系統(tǒng)將數(shù)據(jù)以文件的形式存儲(chǔ)，既能滿足用戶長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)護(hù)的要求，同時(shí)又使數(shù)據(jù)移植處理更為方便。

算法通過(guò) MIT-BIH心電數(shù)據(jù)庫(kù)以及實(shí)際的CEG數(shù)據(jù)檢測(cè)，平均準(zhǔn)確率均能達(dá)到99 %以上，在一定范圍內(nèi)還進(jìn)行的實(shí)際檢測(cè)測(cè)試中，準(zhǔn)確率也達(dá)到了99.87%，由此可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)儀滿足了心電實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)的要求。

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