基于STM32便攜式心電圖儀的設(shè)計

陳爽+姜帥臣+張晨

摘 要：心臟病已經(jīng)成為危害人類健康常見的疾病之一。心電圖是診斷心臟病的重要依據(jù)，而傳統(tǒng)心電圖儀體積較大，價格較高，需專業(yè)操作，不易于實時監(jiān)測，便攜式心電圖儀逐漸成為醫(yī)學(xué)界市場的主流。文中設(shè)計了一款以STM32微處理器為系統(tǒng)核心的居家便攜式心電圖儀。系統(tǒng)采用LCD觸摸屏輸入及顯示，支持向量機算法對采集到的心電信號自動診斷，并帶有SD卡存儲模塊及打印機模塊，可將心電圖數(shù)據(jù)存儲并打印。對系統(tǒng)進行仿真測試，可實現(xiàn)文中要求的各項功能。

關(guān)鍵詞：心電信號；便攜式；自動診斷；觸摸屏顯示

中圖分類號：TF325.69 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）09-00-03

0 引 言

心血管病作為危害人類健康的“殺手”，是全球醫(yī)學(xué)界的難題[1，2]。因此，如何預(yù)防心血管疾病，并將其危害降到最小，是醫(yī)學(xué)界和普通百姓普遍關(guān)注的問題，而心電圖是檢查心臟病的重要參考依據(jù)[3]。本文設(shè)計了一款家用便攜式心電圖儀，具有可靠性高、穩(wěn)定性強、功耗低、操作簡便等優(yōu)點。

1 便攜式心電圖儀介紹

1.1 心電導(dǎo)聯(lián)

人體體表與電極和心電圖儀的連接稱為導(dǎo)聯(lián)。根據(jù)美國心臟聯(lián)合會（American Heart Association，AHA）規(guī)定的心電圖儀的國際標準十二導(dǎo)聯(lián)體系，需于人體體表同時放置10個電極，分別為左臂（LA）、右臂（RA）、左腿（LL）、右腿（RL）以及胸部六個胸壁導(dǎo)聯(lián)（從左至右分別為V1～V6）。

1.2 功能介紹

便攜式心電圖儀將心電信號的放大分為兩級[4]，采用模擬濾波器與數(shù)字濾波器相結(jié)合的方法對心電信號進行去噪處理，去除了使用單一濾波器的局限性；將處理后的心電信號與自動診斷模塊內(nèi)的標準心電波形進行比對，得出結(jié)論，打印輸出結(jié)果并自動存儲到SD卡內(nèi)，以做數(shù)據(jù)備份。便攜式心電圖儀的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 便攜式心電圖儀的硬件選型設(shè)計

2.1 微處理器選型

本設(shè)計選用微處理器STM32F103[5]。該微處理器內(nèi)部集成64 KB的RAM和512 KB的Flash，72 MHz的工作時鐘處理速度快。支持JTAG和SWD下載調(diào)試，包含80個雙向I/O端口、4個通用定時器、一個24位系統(tǒng)時間定時器以及兩個12位ADC以及IIC、USART、USB、SPI等多個通信端口。生產(chǎn)廠家把芯片內(nèi)核和外部設(shè)備封裝成標準庫函數(shù)，以提供便捷的開發(fā)固件庫[6]，省掉底層硬件描述大大縮短了軟件系統(tǒng)的開發(fā)時間。

圖1 便攜式心電圖儀功能結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)模擬電路設(shè)計

2.2.1 前置放大電路設(shè)計

前置放大電路采用放大倍數(shù)為10的AD623放大器[7]，完成對心電信號的第一級放大。心電信號的峰值為0.01mV～5mV，典型值為1 mV，十分微弱，但是輸入電壓最低為1 V，需要對心電信號放大1 000倍左右，還要將共模抑制比控制在80 dB以上，如果前置放大電路放大倍數(shù)過大，使得增益變高，則共模抑制比下降，因此對采集到的心電信號的放大采用分級放大的方法。AD623放大器電路圖如圖2所示。

圖2 AD623放大器電路圖

2.2.2 右腿驅(qū)動電路設(shè)計

右腿驅(qū)動電路設(shè)計相當于接地設(shè)計[8]，主要為了防止人體發(fā)生意外。選用OP07運算放大器。該放大器是一種低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路，具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點，適用于高增益的測量設(shè)備。

2.2.3 后級放大電路設(shè)計

后級放大電路使用AD623放大器，采用兩級放大方式，第一級放大6倍，第二級放大通過電路中的滑動變阻器調(diào)節(jié)以實現(xiàn)最佳增益輸出。

2.2.4 帶通濾波電路設(shè)計

帶通濾波器主要去除心電信號中高于100 Hz的噪聲，高通濾波器和低通濾波器相結(jié)合組成帶通濾波電路。高通濾波器采用一階巴特沃斯濾波器（RC有源）去除心電信號中的直流和低頻分量、基線漂移和由呼吸電極移位所造成的電極移位接觸噪聲。低通濾波器采用MAX275模擬有源濾波器，去除心電信號中的部分50 Hz工頻干擾以及肌電干擾[9]噪聲。

2.2.5 提升電平電路設(shè)計

本設(shè)計采用差分輸入放大電路，將輸入信號反向后與正輸入端電壓相加，正輸入端電壓可通過滑動變阻器進行調(diào)節(jié)，最終提升心電信號電平。A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍為0～3.3V，在前置放大電路和后級放大電路設(shè)計中已經(jīng)對心電信號實現(xiàn)1000倍左右的放大，放大后的心電信號電壓大概為-0.5V～1.5 V，而A/D轉(zhuǎn)換模塊要求全部為正電壓，所以需要添加一個直流分量，使心電信號為正電壓。

2.3 系統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計

2.3.1 數(shù)字濾波器設(shè)計

本文采用固定頻率的數(shù)字濾波器[10]，在頻帶50 Hz附近形成阻帶，阻帶寬度根據(jù)要求精度而定。相對于模擬濾波器，數(shù)字濾波器對心電信號中基線漂移的低頻成分低于0.5 Hz、50 Hz的工頻干擾[11]以及其他諧波干擾有更好的消除效果。數(shù)字濾波器選用FIR濾波器，該濾波器具有嚴格的線性相位和穩(wěn)定性，符合心電信號對數(shù)字濾波器的要求。

2.3.2 SD卡存儲模塊設(shè)計

便攜式心電圖儀采用SD卡[12]對處理后的心電信號進行存儲。SD卡存儲模式為SPI模式，接口簡單通用。

2.3.3 電源模塊設(shè)計

電源模塊選用LM7803穩(wěn)壓器和Maxim公司生產(chǎn)的ICL7660s。LM7803相當于小功率電壓源，可以實現(xiàn)5 V電壓到3.3 V電壓的轉(zhuǎn)換；內(nèi)部有限流和過熱保護電路，不需要外接電阻和電容；輸出電壓比較穩(wěn)定。ICL7660s是小功率極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器，主要為系統(tǒng)提供負電壓。

2.3.4 LCD顯示模塊設(shè)計

LCD顯示模塊采用臺灣AMT公司生產(chǎn)的AMT9502四線電阻式觸摸屏[13]，顯示效果佳、耗電量低，尺寸為5.7英寸，分辨率為1 024×768，顯示顏色為全彩，同時顯示12道心電波形，滿足心電波形和用戶基本情況的顯示要求。

2.3.5 打印機模塊設(shè)計

打印機模塊采用高分辨熱敏打印機對心電波形進行輸出，將其與微處理器中的USART接口相連，以實現(xiàn)打印功能。

3 便攜式心電圖儀軟件模塊設(shè)計

本系統(tǒng)在軟件設(shè)計部分使用Keil MDK-ARM軟件。該軟件為基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9處理器設(shè)備提供了一個完整的開發(fā)環(huán)境，具有靈活的窗口管理、允許自動設(shè)置啟動等特點，且集成了強大的模擬仿真設(shè)備，能夠滿足大多數(shù)苛刻的嵌入式開發(fā)應(yīng)用需求。

3.1 A/D模塊軟件設(shè)計

將A/D配置成序列通道重復(fù)轉(zhuǎn)換模式，實現(xiàn)對心電信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。由芯片內(nèi)部的定時器決定對心電信號的采樣頻率，A/D轉(zhuǎn)換后，通過設(shè)置標志位表示A/D轉(zhuǎn)換完成。

3.2 自動診斷模塊軟件設(shè)計

自動診斷模塊以美國麻省理工學(xué)院提供的研究心律失常的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用與診斷算法相結(jié)合的方法實現(xiàn)。

MIT-BIH數(shù)據(jù)庫具有節(jié)省文件長度和存儲空間的優(yōu)點。本設(shè)計將建立在統(tǒng)計學(xué)理論基礎(chǔ)上的支持向量機（SVM）算法運用到心臟病的輔助診斷中。首先對原始心電信號進行預(yù)處理和特征提取，選取徑向基核函數(shù)的分類器進行分類，通過網(wǎng)絡(luò)法尋優(yōu)得到最優(yōu)的核函數(shù)和懲罰因子，使分類器達到最高的分類準確率。這種方法適用于小樣本心臟病檢查。

4 仿真測試

通過對硬件部分的設(shè)計以及對該硬件電路進行仿真測試，該電路輸出的心電信號符合心電圖儀對于心電信號的要求。對兩級放大器進行測試，測試結(jié)果如表1所列。

5 結(jié) 語

本文以STM32作為微處理器，采用模塊化設(shè)計、匯編語言與C語言交叉編程相結(jié)合的方法，完成了對便攜式心電圖儀的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計及測試，該便攜式心電圖儀符合醫(yī)藥行業(yè)中關(guān)于心電監(jiān)護儀的基本要求。與市面上同類產(chǎn)品相比，文中設(shè)計的心電圖儀具有價格低廉、精確度高以及體積較小易于攜帶的優(yōu)勢。

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