可佩戴式遠(yuǎn)程心電采集終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

，，，，

(湖北工業(yè)大學(xué) 太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430068)

0 引言

隨著現(xiàn)代生活水平的提高、工作勞動(dòng)強(qiáng)度加大和人口老齡化的加重，加大的了人口罹患心臟疾病的機(jī)率。心電采集設(shè)備是監(jiān)測(cè)心臟數(shù)據(jù)的重要設(shè)備之一，傳統(tǒng)心電設(shè)備雖能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)病人心電，但大多體積比較大不易攜帶，且僅限于在醫(yī)院。加之心臟病具有突發(fā)性的慢性，使得心電需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，時(shí)間和地點(diǎn)的局限既給患者照成不便，也可能錯(cuò)過捕捉到疾病診斷最佳心電數(shù)據(jù)。由此本文設(shè)計(jì)出一款可佩戴式遠(yuǎn)程心電采集終端，具有體積小、功耗低等特點(diǎn)。能采集實(shí)時(shí)心電信號(hào)，在液晶屏上顯示心電波形同時(shí)，無線傳輸心電數(shù)據(jù)到上位機(jī)接收，方便使用者在不局限于醫(yī)院的任何擁網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的地方使用。遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測(cè)有助于推動(dòng)傳統(tǒng)有病就醫(yī)治療，模式向以社區(qū)家庭為中心，預(yù)防監(jiān)護(hù)為主的醫(yī)療模式的轉(zhuǎn)變 ，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

系統(tǒng)由三大模塊構(gòu)成：導(dǎo)聯(lián)模塊，數(shù)據(jù)處理分析模塊，接收處理模塊，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 本系統(tǒng)支持8通道數(shù)據(jù)采集，其中包括6通道胸導(dǎo)聯(lián)信號(hào)，2通道肢體導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。通過特定計(jì)算機(jī)式將8通道數(shù)據(jù)變化為12導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)。應(yīng)用STM32F429模塊將采集的心電信號(hào)進(jìn)行濾波、提取心率，在液晶屏上顯示。同時(shí)心電數(shù)據(jù)還通過USB模塊發(fā)送至電腦串口；通過4G模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程TCP監(jiān)聽設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 心電采集模塊設(shè)計(jì)

ADS1198為TI公司生產(chǎn)的16位8通道心電采集專用A/D芯片，采樣率能控制在125～8 Ksps之間，擁有LA(左臂)、RA(右臂)、LL(左腿)、RL(右腿)、V1～V6(胸導(dǎo)聯(lián))10路信號(hào)輸入源。WCT(威爾遜中心源)為參考電極端，分別計(jì)算V1～V6與WCT的電位差，可反應(yīng)心臟局部電位變化。RLD為右腿驅(qū)動(dòng)，能抑制電源及其他共模干擾。ADS1198原理圖如圖2所示，其FGA最大12倍增益，心電信號(hào)最大幅值為5 mV[2]，增益后為60 mV，再與參考電壓點(diǎn)VREF比較大小。每通道用大小范圍為0～216值表示A/D值，正電壓值用源碼表示，負(fù)電壓值用補(bǔ)碼表示，即A/D輸出0～215時(shí)按比例對(duì)應(yīng)實(shí)際電壓值0～-VREF，A/D輸出時(shí)215～216按比例對(duì)應(yīng)實(shí)際電壓VREF～0值。VREF一般為2.4 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于60 mV，所以不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。ADS1198體積小、功耗低，內(nèi)部集成了右腿驅(qū)動(dòng)電路、WCT、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)、測(cè)試電壓輸入等，這使得外圍電路極大減少，縮小了電路板空間占用。

圖2 ADS1198原理圖

2.2 信號(hào)處理、顯示傳輸部分

采用TI公司的STM32F429處理器為核心，其功耗低，功能強(qiáng)大，主頻高達(dá)180 MHz；高速UART，速度可達(dá)45 Mbits/s；高速SPI，可達(dá)90 Mbits/s。微控制器完成心電信號(hào)的采集，處理、分析、傳輸?shù)?，并完成心電信?hào)的數(shù)字濾波、消除50 Hz工頻干擾、消除基線漂移、檢測(cè)R-R間期計(jì)算心率、驅(qū)動(dòng)顯示屏、向電腦串口發(fā)送心電數(shù)據(jù)、向4G模塊發(fā)送心電數(shù)據(jù)。

人機(jī)交互單元設(shè)立有分辨率128×64的OLED顯示屏、按鍵。顯示屏顯示當(dāng)前心電波形、實(shí)時(shí)心率，按鍵可切換顯示不同導(dǎo)聯(lián)波形。人機(jī)交互單元實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單交互，讓使用者初步了解設(shè)備工作狀態(tài)。

除去屏蔽線，USB擁有VCC、GND電源線和D+、D-兩根信號(hào)線。其中信號(hào)線D+比D-大200 mV時(shí)為電平1，D-比D+大200 mV時(shí)為電平0，屬差分信號(hào)。單片機(jī)TTL電平在室溫情況下高電平為3.5 V，低電平為0.2 V，電平不兼容使得單片機(jī)與電腦USB通訊時(shí)需要轉(zhuǎn)換電路，這部分選用CH340G為TTL轉(zhuǎn)USB芯片。

4G模塊選用USR-LTE-7S4 模塊，USR-LTE-7S4為濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的一款體積小、功耗低的無線透?jìng)髂K，最高支持串口波特率460800bps。適用于移動(dòng)、聯(lián)通、電信4G和移動(dòng)、聯(lián)通3G網(wǎng)絡(luò)。支持4路SOCKET，4G無線標(biāo)準(zhǔn)為TDD-LTE。理論上行速率為150 Mbps,下行速率為50 Mbps，受串口通行速率的影響，經(jīng)測(cè)試其實(shí)際數(shù)據(jù)最高通行速率為14 KB/s。將目的IP地址和端口號(hào)預(yù)先通過AT指令用串口調(diào)試軟件寫入U(xiǎn)SR-LTE-7S4模塊寄存器，接收到的串口數(shù)據(jù)就會(huì)自動(dòng)向目標(biāo)以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送。USR-LTE-7S4預(yù)留10 K數(shù)據(jù)緩存器防止傳輸丟包。

圖3 信號(hào)處理、顯示、傳輸部分設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分由心電數(shù)據(jù)采集、心電濾波算法、實(shí)時(shí)心率算法、液晶顯示程序構(gòu)成。主程序循環(huán)采集心電數(shù)據(jù)，在本次采樣完成和下次采樣到來之前，完成心電實(shí)時(shí)濾波、心率提取、及液晶顯示，處理完后的數(shù)據(jù)輸出至串口，具體流程圖如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.1 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

圖5 SPI邏輯時(shí)序圖

3.2 心電濾波算法

心電信號(hào)幅值微弱，一般在0～5 mV之間，并伴隨各種干擾噪聲，其中以50 Hz及其高次諧波構(gòu)成的工頻干擾和頻率小于0.5 Hz的基線漂移占主導(dǎo)[4]，本設(shè)計(jì)選取兩種不同的算法分別濾除這兩種噪聲。

3.2.1 工頻干擾濾波算法

心電信號(hào)濾波器除了濾除噪聲外還應(yīng)有較好的線性相位特性，為了使心電信號(hào)不失真，這就要求采樣信號(hào)頻率是50 Hz的整數(shù)倍[5]。為節(jié)省代碼量，在本設(shè)計(jì)250 Hz采樣率下，參考文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)出的一種抑制共模比為30 dB的級(jí)聯(lián)FIR濾波器,其傳遞函數(shù)為：

H(-1+2Z-1+5Z-2+4Z-3+5Z-4+2Z-5-Z-6)/16

(1)

將其進(jìn)行Z反變換可以得到差分方程為：

Y1(n)=(-x(n)+2x(n-1)+5x(n-2)+

4x(n-3)+5x(n-4)+2x(n-5)-x(n-6))/16

(2)

在人體連接心電電極片前，采用酒精溶液擦拭體表以減少人體阻抗[7]。單片機(jī)處理采集到的信號(hào)時(shí)，每通道數(shù)據(jù)開辟6字節(jié)大小緩存區(qū)，存儲(chǔ)6個(gè)時(shí)刻的采樣數(shù)據(jù)，運(yùn)用本差分方程計(jì)算出濾波后的數(shù)據(jù)值。USB輸出觀察原始心電圖和濾波后的心電圖如圖6～7所示。

圖6 原始心電圖

圖7 去工頻干擾后的心電圖

3.2.2 基線漂移濾波算法

基線漂移為低頻噪聲，采用高通濾波器可以濾除，但心電信號(hào)ST段頻率也比較低，他們頻譜比較接近，甚至可能會(huì)重疊，采用一般的高通濾波器會(huì)引起ST段失真[8]。中值濾波器具有很好的抑制噪聲和保護(hù)邊緣特性，且代碼量小單片機(jī)實(shí)行起來容易。

中值濾波[9]步驟為：

1)選取一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)=2M+1的窗口來截取一段心電數(shù)據(jù)，其中L與本設(shè)計(jì)采樣率FS的關(guān)系為L(zhǎng)=0.3Fs=75。將截取的心電數(shù)據(jù)(x(n),x(n+1),…,x(n+2M)))由小到大排序，得到有序序列(w(n),w(n+1),…,w(n+2M))，輸出中值w(n+M)。

2)輸入下一個(gè)原始信號(hào)x(n+2M+1)，剔除x(n)，將新的序列由小到大順序排列得到序列(w(n+1),w(n+2),…,w(n+2M+1))，輸出中值w(n+M+1)。

3)重復(fù)步驟1) 、2)找出所有中值點(diǎn)，原始信號(hào)減去對(duì)應(yīng)中值即為濾波信號(hào)。

單片機(jī)處理時(shí)，每通道開辟75字節(jié)的數(shù)據(jù)點(diǎn)緩存區(qū)，緩存75個(gè)時(shí)刻的心電數(shù)據(jù)，還開辟1個(gè)75字節(jié)的排序緩存區(qū)。每次計(jì)算中值時(shí)取出數(shù)據(jù)點(diǎn)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)排序，保持原數(shù)據(jù)點(diǎn)緩存區(qū)的順序不變。

基線漂移濾波器公式為：

Y2(n)=x(n-37)-w(n),(n>37)

(3)

聯(lián)立工頻干擾濾波器公式(2)，心電信號(hào)濾波器濾波公式為：

Y2(n)=Y1(n-37)-w(n),(n>37)

(4)

其濾波效果為圖8。

圖8 進(jìn)一步去基線漂移的心電圖

基線漂移被很好的消除了，但初始一段波形很不規(guī)整，這是因?yàn)楸緸V波有限定條件n>43，若在開機(jī)時(shí)刻就調(diào)用濾波函數(shù)，前43個(gè)點(diǎn)無緩存值，默認(rèn)為0，濾波效果差。為提高心電輸出質(zhì)量，將開機(jī)后采集到的前6個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)初始化FIR緩存區(qū)，第7～43個(gè)點(diǎn)初始化中值緩存區(qū)，從第44個(gè)點(diǎn)開始輸出濾波后的心電數(shù)據(jù)，初值填裝法濾波效果如圖9所示

圖9 初值填裝法濾波效果圖

初值填裝法使本系統(tǒng)由非因果系統(tǒng)變?yōu)橐蚬到y(tǒng)。系統(tǒng)具有時(shí)變特性，總延時(shí)時(shí)間為：T1=43/Fs=172 ms。在動(dòng)態(tài)采樣下，數(shù)據(jù)點(diǎn)損失81個(gè)，在持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間心電采樣條件下，信號(hào)完整性和實(shí)時(shí)性影響很小，可以忽略。

3.3 心率檢測(cè)算法

預(yù)先采集20 s的心電數(shù)據(jù)，選取R波特征明顯的V6導(dǎo)聯(lián)進(jìn)行分析，計(jì)算出這20 s的R波平均峰值LR。在單片機(jī)采樣過程中，判斷采集到的數(shù)據(jù)是否達(dá)到0.7LR這個(gè)閾值[10]，達(dá)到時(shí)計(jì)數(shù)器1加1，直至數(shù)據(jù)小于0.7LR，記錄下計(jì)數(shù)器數(shù)值Δn1后清零。經(jīng)實(shí)驗(yàn)Δn1值在4～12之間，可以認(rèn)為檢測(cè)到R波，不在這個(gè)范圍可以認(rèn)為是一個(gè)干擾，將其舍棄。

已知一個(gè)R波內(nèi)R波峰值存在且唯一，通過求R-R間期點(diǎn)數(shù)。在采樣率一定情況下，可求得R-R間期時(shí)間，進(jìn)而求得心率，過程如下。

1)判斷采集數(shù)據(jù)的大小，在大于0.7LR這個(gè)閾值內(nèi)，進(jìn)行R峰檢測(cè)。

2)R峰檢測(cè)期內(nèi)，每次緩存三個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其值分別設(shè)為L(zhǎng)n,Ln+1,Ln+2，比較它們大小，如果出現(xiàn)Ln

3)按步驟1)、2)檢測(cè)到下一個(gè)R峰，記錄下計(jì)數(shù)器2的值Δn2后將計(jì)數(shù)器2清零，繼續(xù)記錄下節(jié)拍個(gè)R-R間期點(diǎn)數(shù)Δn2。

合理的Δn1范圍內(nèi)，實(shí)時(shí)心率計(jì)算式為：

(5)

3.4 屏幕顯示

OLED顯示屏幕供佩戴者大致觀測(cè)心電波形，了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并不要求顯示精度高。顯示屏分辯率為128×64，心電波形節(jié)拍大在致1～2個(gè)/s，結(jié)合采樣率Fs，滿屏顯示能4個(gè)以上節(jié)拍的心電波形時(shí)，屏幕顯示密度為：4Fs/128≈8，將8個(gè)采樣點(diǎn)做均值，OLED屏幕上每點(diǎn)對(duì)應(yīng)1個(gè)均值，顯示一個(gè)點(diǎn)后橫向指針加1，加滿128時(shí)，指針清0，并清屏一次。

屏幕縱向上方8行點(diǎn)顯示心率、導(dǎo)聯(lián)，剩余56行顯示心電波形。設(shè)心電最大值為L(zhǎng)max，最小值為L(zhǎng)min，一個(gè)均值點(diǎn)值為L(zhǎng)，則縱向指針數(shù)值為：

(6)

3.5 心電數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸

數(shù)據(jù)輸出時(shí)為減少4G數(shù)據(jù)傳輸量，按ADS1198編碼相同的方式，將每通道浮點(diǎn)型心電數(shù)據(jù)編碼成4個(gè)16進(jìn)制數(shù)，通過串口傳送到4G模塊。4G模塊通過圖10過程將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)聽端。在使用4G模塊前，預(yù)先通過AT指令寫入目標(biāo)監(jiān)聽端端口號(hào)、IP地址等信息到4G模塊寄存器，初始化完成的4G模塊上電后會(huì)自動(dòng)向監(jiān)聽端發(fā)送4G串口接收的數(shù)據(jù)。

圖10 終端設(shè)備與監(jiān)聽端通訊過程

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為證明本終端的可靠性，下面對(duì)系統(tǒng)三個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試和分析

4.1 系統(tǒng)參數(shù)

為測(cè)試系統(tǒng)性能，參考了YY 0885-2013國家醫(yī)療電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合ADS1198芯片手冊(cè)和實(shí)際測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)5個(gè)主要的性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可知本心電采集終端主要參數(shù)均達(dá)到Y(jié)Y 0885-2013技術(shù)要求，滿足心電采集設(shè)備硬件參數(shù)要求。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

4.2 體積功耗

可佩戴式遠(yuǎn)程心電采集終端實(shí)物圖如圖11所示。它由中控STM32板、數(shù)據(jù)采集ADS1198板和5V鋰電池構(gòu)成，其中圖11(a)為系統(tǒng)拆分圖，圖11(b)為系統(tǒng)結(jié)合工作圖。該設(shè)備實(shí)物尺寸為，重量?jī)H為50 g，體積小巧便于攜帶。心電采集終端功耗低，工作電流在12.8 mA，配備5 V，1 000 mAh可充電鋰電池，工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)三天。

圖11 可佩戴式遠(yuǎn)程心電采集終端實(shí)物圖

分析體積和功耗可知，本心電采集終端在靜息狀態(tài)下，可佩戴在胸前采集人體心電信號(hào)，并具備一定持續(xù)采集續(xù)航能力，這滿足了本心電采集終端的可佩戴性和移動(dòng)性需求。

4.3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸

測(cè)試階段可在內(nèi)網(wǎng)設(shè)備電腦和Android手機(jī)上搭建監(jiān)聽端。由于外網(wǎng)無法直接訪問內(nèi)網(wǎng)設(shè)備，這需要第三方透軟件實(shí)現(xiàn)一個(gè)映射功能。常見的映射軟件有花生殼和NAT123，它們能為內(nèi)網(wǎng)設(shè)備映射出一個(gè)供外網(wǎng)設(shè)備訪問的端口號(hào)和IP地址，4G模塊向這個(gè)端口號(hào)和IP地址發(fā)送數(shù)據(jù)能被內(nèi)網(wǎng)搭建的監(jiān)聽端接收。4G模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)被拆分成數(shù)據(jù)包后發(fā)送，接收端將接收到的數(shù)據(jù)包還原成心電信號(hào)。每個(gè)采樣點(diǎn)3B標(biāo)志位、B心電數(shù)據(jù)位、4B空格位，一共23B大小。為保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，本系統(tǒng)選用23B整數(shù)倍920B為數(shù)據(jù)包大小。上位機(jī)監(jiān)聽端接收到的心電數(shù)據(jù)如圖12，點(diǎn)擊save保存輸出txt心電文件。將保存的txt心電數(shù)據(jù)進(jìn)行心電繪圖，如圖13所示。

圖12 上位機(jī)監(jiān)聽端接收到的心電數(shù)據(jù)

圖13 監(jiān)聽端接收的心電數(shù)據(jù)繪制的心電圖

通過圖13可以看到心電圖很規(guī)整，結(jié)合SPI邏輯時(shí)序圖，表明心電數(shù)據(jù)從人體采集到4G端接收都比較完整，能滿足心電遠(yuǎn)程傳輸需求。其中txt文件能存儲(chǔ)長(zhǎng)時(shí)間的心電數(shù)據(jù)，便于醫(yī)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，本心電采集終端在數(shù)據(jù)記錄形式上優(yōu)于傳統(tǒng)SD卡記錄心電數(shù)據(jù)設(shè)備。

5 結(jié)束語

本文采用以ADS1198、STM32、4G模塊為核心的模塊設(shè)計(jì)出一款可佩戴式實(shí)時(shí)心電采集終端。具有12導(dǎo)聯(lián)心電數(shù)據(jù)采集及濾波、心率心電屏幕顯示、上位機(jī)遠(yuǎn)程接收功能。能隨時(shí)隨地采集佩戴者心電信號(hào)，既能讓患者初步了解自己的心電狀態(tài)，又能讓醫(yī)生遠(yuǎn)程心電數(shù)據(jù)診斷，功能強(qiáng)大，實(shí)用性高。本設(shè)計(jì)為心電設(shè)備聯(lián)網(wǎng)化、心電數(shù)大數(shù)據(jù)化提供了一定技術(shù)支持。后期將完善其操作系統(tǒng)，及將其與醫(yī)療云結(jié)合形成自主診斷疾病及預(yù)警功能的系統(tǒng) ，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用功能，提高其實(shí)用價(jià)值。