礦用無(wú)線心電檢測(cè)裝置研究

鮑 捷，歐仁俠，陳洪斌

（吉林醫(yī)藥學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，吉林 吉林 132013）

隨著人們物質(zhì)和精神生活的不斷發(fā)展，越來越多的人群開始重視心臟系統(tǒng)疾病，對(duì)于礦工而言工作環(huán)境惡劣，發(fā)生心臟疾病的概率相對(duì)較高，我們國(guó)家對(duì)礦工的身體健康狀況高度重視，此外近年來大數(shù)據(jù)發(fā)展逐漸滲透到國(guó)民體質(zhì)醫(yī)療信息管理數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)中，通過數(shù)據(jù)庫(kù)的輔助作用，國(guó)家能更好的掌握礦工的體質(zhì)情況，對(duì)于礦區(qū)的環(huán)境及時(shí)做出整改措施，盡量避免頻率較高的職業(yè)病的出現(xiàn)。

所謂醫(yī)學(xué)事業(yè)預(yù)防為主，心臟系統(tǒng)疾病可以通過經(jīng)常的心電檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)患者心臟出現(xiàn)的問題，及時(shí)對(duì)癥下藥。井下環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，粉塵大、通風(fēng)差、溫度高、濕度大、高噪聲、存在大量有毒性氣體[1]，條件惡劣難控，但對(duì)心臟疾病的預(yù)防是可以實(shí)現(xiàn)的，礦工可以把可穿戴式心電檢測(cè)裝置隨身攜帶，當(dāng)心電異常、心率異常時(shí)，設(shè)備會(huì)發(fā)出警報(bào)，患者及時(shí)就醫(yī)，這樣就會(huì)減少礦工心臟疾病的發(fā)病率，提高礦區(qū)職工的體質(zhì)和疾病預(yù)防意識(shí)。

1 礦工發(fā)生心血管疾病的調(diào)查分析

礦工工作環(huán)境特殊，并長(zhǎng)期從事高強(qiáng)度的體力勞動(dòng)，井下隨時(shí)伴有塌方等威脅生命的安全隱患，身心健康備受考驗(yàn)。由于礦工的工作地點(diǎn)和從事工種不同，本文主要針對(duì)井下從事重體力勞動(dòng)的人群，例如爆破工、掘進(jìn)工、采礦工和鉆眼工，其中以腰背痛、關(guān)節(jié)炎、視力減弱、心電圖異常、高血壓、慢性鼻炎和慢性支氣管炎等病癥發(fā)病率較高，雖然這些疾病的發(fā)病率和礦工工作環(huán)境沒有直接聯(lián)系，短期不會(huì)出現(xiàn)病癥，但經(jīng)過職業(yè)病學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，礦工工齡、勞動(dòng)條件等因素和這些病癥具有較強(qiáng)相關(guān)性[2]。在這些病癥中，心電圖異常比例較高，心臟病具有突發(fā)性和偶然性[3]，如果能夠及時(shí)對(duì)患者的心電圖檢測(cè)并做出正確診斷，通過早期治療可以提高對(duì)礦工心血管疾病的預(yù)防和治療效果。

2 心電信號(hào)簡(jiǎn)介

心電信號(hào)指心臟在每個(gè)心跳周期，起搏點(diǎn)、心房、心室依次開始興奮，這一過程中伴隨著生物電的變化，人體心肌動(dòng)作，引起體表的電位差異，這種差異變化稱為心電?？梢酝ㄟ^心電圖來鑒別與分析各種心律失常，反映心肌受損的程度和心房、心室的功能結(jié)構(gòu)情況[4]，對(duì)心率異常、早搏、心肌梗塞等病癥可進(jìn)行定位診斷，是心臟病治療與診斷的常規(guī)必備檢查。

現(xiàn)在醫(yī)院普遍所使用的心電圖機(jī)，精準(zhǔn)度高，雖然功能強(qiáng)大，可對(duì)病人進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)，但體積大、質(zhì)量重，需要在病人身上多點(diǎn)連接電極和導(dǎo)線，心電信號(hào)的采集方式多使用有線傳輸[5]。這種有線數(shù)據(jù)采集方式對(duì)于井下工作的礦工極其不適用，醫(yī)院或者家里的患者可以在靜止臥躺狀態(tài)下測(cè)量，可對(duì)于礦工如果想全天檢測(cè)心電信號(hào)，比較合理的方式是使用可穿戴式的心電圖檢測(cè)裝置，礦工在井下工作時(shí)可以隨身攜帶，不影響日常體力工作。

3 無(wú)線心電檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要采用藍(lán)牙4.0技術(shù)進(jìn)行心電信號(hào)的無(wú)線傳輸，避免了信號(hào)采集過程中諸多導(dǎo)線的困擾，方便攜帶，對(duì)自身有心臟病史或胸痛的礦工能夠起到輔助治療和預(yù)防的雙重功效。

該心電檢測(cè)裝置主要包含兩部分：心電信號(hào)采集、發(fā)送電路和接收、信號(hào)處理電路。心電信號(hào)采集、發(fā)送電路制作在一塊PCB板上，要盡量減小體積，這部分需要礦工隨身攜帶。首先從機(jī)將電極上采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)濾波放大處理后發(fā)送到主機(jī)，然后主機(jī)接收到模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)做進(jìn)一步的數(shù)字濾波處理和數(shù)據(jù)分析，最后經(jīng)顯示設(shè)備輸出。

3.1 系統(tǒng)的整體框圖

該無(wú)線心電檢測(cè)裝置的心電信號(hào)采用單級(jí)肢體導(dǎo)聯(lián)測(cè)量法，RA、LA和LL三個(gè)肢體電極通過三個(gè)電阻接到一起與主機(jī)負(fù)極相連，作為心電測(cè)量的基準(zhǔn)電壓，測(cè)定三個(gè)電極點(diǎn)的電位[6]，再經(jīng)過前置放大電路、濾波電路、主放大電路、AD轉(zhuǎn)換等一系列的電路處理放大后，再經(jīng)藍(lán)牙無(wú)線傳輸?shù)街鳈C(jī)，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理后生成心電圖顯示輸出。下圖1是系統(tǒng)的整體框圖，下面介紹系統(tǒng)的幾個(gè)主要電路。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

3.2 MCU電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要采用STM32控制電路，主機(jī)和從機(jī)中都使用STM32芯片作為核心控制器件，該芯片體積小、功耗低、功能強(qiáng)大，含有豐富的外設(shè)功能可以有效協(xié)調(diào)各部分電路工作，控制藍(lán)牙芯片傳輸信號(hào)，準(zhǔn)確計(jì)算心電信號(hào)中的特征值，并將分析后的數(shù)據(jù)通過液晶顯示輸出。

3.3 心電采集電路設(shè)計(jì)

心電信號(hào)采集電路主要有前置放大電路，濾波電路、主放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、藍(lán)牙傳輸電路和電源電路等。該心電信號(hào)屬于低頻微弱的電信號(hào)，頻率范圍0.05Hz～100Hz之間，信號(hào)幅值在0.01mV～5mV之間，極易受到干擾，這種干擾有來自人體的肌電干擾，也有電網(wǎng)的工頻干擾等多種因素，因此對(duì)于心電圖機(jī)而言需要經(jīng)過前置放大電路、濾波電路、主放大電路后將模擬的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)藍(lán)牙無(wú)線傳輸給主機(jī)，主機(jī)再進(jìn)行下一步的信號(hào)處理。

3.4 藍(lán)牙傳輸電路

該系統(tǒng)的藍(lán)牙電路一共分成兩部分，其中藍(lán)牙發(fā)送電路設(shè)置在患者隨身攜帶的采集模塊里，用于把采集到的心電信號(hào)發(fā)送給主機(jī)，便于主機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波變換處理；另一部分電路設(shè)置在主機(jī)里面，用于接收從信號(hào)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用藍(lán)牙4.0技術(shù)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，這款CC2540芯片傳輸速度快，體積小，包含了AD轉(zhuǎn)換、USB和串口功能，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定，系統(tǒng)采用3.3V為芯片供電。

3.5 軟件數(shù)據(jù)處理算法

本系統(tǒng)對(duì)心電信號(hào)的檢測(cè)分析主要集中在測(cè)算心率和心率異常分析，通過動(dòng)態(tài)差分斜率閾值法等軟件算法提高了R波和QRS波的檢出率[7]，可以測(cè)量RR間距，進(jìn)而獲得實(shí)時(shí)心率，對(duì)于心率過速、心率過緩和早搏等癥狀可以進(jìn)行判別，該分析法提高了QRS波群的檢出和分析率，減少漏檢和多檢的發(fā)生，通過心率失常的判別對(duì)患者下一步的心血管疾病的預(yù)防和診斷提供幫助。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)介紹了基于STM32的礦用無(wú)線心電測(cè)量裝置。該心電測(cè)量裝置為在井下或礦區(qū)內(nèi)工作的礦工而設(shè)計(jì)，屬于微型可穿戴式無(wú)線診斷設(shè)備，采用藍(lán)牙進(jìn)行無(wú)線傳輸，目前可測(cè)量心率，判別心率失常，隨著研究的進(jìn)一步深入，還可擴(kuò)展心肌梗塞、左前支阻塞和右后支阻塞的定位診斷。該裝置是對(duì)礦區(qū)工人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，減少礦工心臟病發(fā)病率和死亡率的有效手段，是確保礦工在心血管疾病方面的健康衛(wèi)士，對(duì)心血管疾病的早期預(yù)防和診斷具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，值得推廣應(yīng)用。