基于單片機(jī)的心電信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熊百川

摘要：人們生活節(jié)奏的加快和作息的不規(guī)律化使得心臟病的發(fā)病率顯著提升，心臟病因其隱蔽性和致命性在各種疾病中占據(jù)致死率的第一，是當(dāng)今社會(huì)的首要健康殺手。而人們對(duì)心臟監(jiān)護(hù)的需求越來越大，需要更方便便捷的心電信號(hào)采集系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);心電信號(hào)

1.引 言

心臟的節(jié)奏性收縮與舒放將血液輸送至全身，心臟的每個(gè)跳動(dòng)周期都會(huì)使相應(yīng)的生物電信號(hào)發(fā)生改變，將這些信號(hào)經(jīng)過處理就可以得到心電信號(hào)。心電信號(hào)可以反應(yīng)心臟的工作狀態(tài)和期間發(fā)生的變化，通過體表微弱的電位差變化可以測(cè)得。心電信號(hào)的采集在臨床應(yīng)用非常廣泛，對(duì)于各種心臟疾病診斷有著不可或缺的作用，是檢查心臟的基本且必要的手段。而心血管疾病是醫(yī)學(xué)界的重點(diǎn)研究對(duì)象，多數(shù)廠商也會(huì)在這一領(lǐng)域投入大量資金，而隨著技術(shù)的發(fā)展，心電信號(hào)采集系統(tǒng)逐漸向著功能更加完善的方向發(fā)展下去。

大多數(shù)心電信號(hào)采集系統(tǒng)可以分為兩類，包括大型的醫(yī)院專用的高精密，體積大，維護(hù)成本高的設(shè)備，雖然這種設(shè)備采集數(shù)據(jù)比較大且精度較高，但同時(shí)限制也比較多。而另一種是可以隨時(shí)檢測(cè)的小型采集系統(tǒng)，而其核心為單片機(jī)及其控制電路。

由于心電信號(hào)易受干擾，帶寬窄，幅度小等特點(diǎn)，所以采集信號(hào)時(shí)如何更好的放大，濾波以及祛除漂移的干擾是目前大多數(shù)研究的重點(diǎn)，也有向著更加便攜的方向發(fā)展的設(shè)備。研究具有上述優(yōu)點(diǎn)的低功耗心電信號(hào)采集系統(tǒng)有著重要研究意義。

2.設(shè)計(jì)的基本要求

由于心電信號(hào)離開人體表面微小距離后就無法檢測(cè)，此外信號(hào)幅度極小，頻率很低，容易受到外界的干擾，所以為了使設(shè)計(jì)的模塊能滿足基本需求，對(duì)該低功耗心電信號(hào)采集系統(tǒng)模塊有以下幾個(gè)基本的要求：

（一） 有合理的放大電路

因?yàn)樾碾娦盘?hào)大多較小，在mv級(jí)別甚至有時(shí)較難觀測(cè)，為了解決這一問題，需要合理的放大電路，將較難讀取的微小電信號(hào)放大成較容易觀測(cè)和采集的電信號(hào)，從而為后面的采集做好準(zhǔn)備。

（二） 有合理的濾波電路

心電信號(hào)屬于人體電信號(hào)，人體電信號(hào)在采集中噪聲幅度甚至可能超過心電信號(hào)，并且會(huì)受到各種干擾。諸如人體在呼吸時(shí)產(chǎn)生的基線漂移，它會(huì)使采集的信號(hào)上下移動(dòng)。肌肉收縮與舒放產(chǎn)生的肌電干擾的人體內(nèi)在干擾，肌電信號(hào)是很大的高阻抗信號(hào)源。此外外界設(shè)備也會(huì)對(duì)心電信號(hào)產(chǎn)生各種干擾。所以需要設(shè)計(jì)合理的濾波電路將這些干擾噪聲控制在最小幅度內(nèi)，可以以較低功耗實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集。

（三） 滿足長(zhǎng)時(shí)間使用的低功耗

大型的心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)需要專門的供電，檢測(cè)以及更高昂的維護(hù)成本，所以本次設(shè)計(jì)要設(shè)計(jì)的心電信號(hào)采集系統(tǒng)要盡可能的降低長(zhǎng)時(shí)間使用的發(fā)熱，并且保證日常可以使用的電源即可供電。

（四） 可以修改心電信號(hào)采集的頻率

心電信號(hào)是不斷變化的，在運(yùn)動(dòng)和平靜狀態(tài)下所采集的到的心率和心電都有所不同，需要可以調(diào)節(jié)采集心電信號(hào)的大小來確保每次采樣的QRS波都能大于設(shè)定值。

（五） 方便讀取的數(shù)值

可以通過顯示屏方便的讀取到當(dāng)前心率，心電信號(hào)的變化以及峰值的大小，方便檢測(cè)異常的心電信號(hào)。由于為了降低功耗而降低了采集點(diǎn)數(shù)，所以準(zhǔn)確的讀數(shù)需要一定的時(shí)間，但也不能太長(zhǎng)導(dǎo)致不準(zhǔn)確，需要平衡采集時(shí)間與采集準(zhǔn)確度。

3.設(shè)計(jì)方案

硬件部分采用STM32F103C8T6作為主控元件，通過心電信號(hào)傳感器采集指尖脈搏，進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的采集保證準(zhǔn)確度，時(shí)間太少可能得出的數(shù)據(jù)會(huì)有誤。再通過STM32單片機(jī)以及程序的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)放大，通過電容來實(shí)現(xiàn)濾波，之后使用STM32單片機(jī)對(duì)處理過后模擬字信號(hào)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并同時(shí)完成降噪的過程。當(dāng)采集的心電大于設(shè)定值時(shí)數(shù)值+1，采集15秒后計(jì)算得出心率，設(shè)定值根據(jù)人與狀態(tài)的不同進(jìn)行微調(diào)。最后通過程序加載到OLED顯示屏上，將時(shí)間段內(nèi)采集的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，得出心率和心電。

軟件使用模塊化加載，分別設(shè)計(jì)復(fù)位電路，時(shí)鐘電路和交互電路的程序。ADC電路首先設(shè)置ADC的采集模式，調(diào)節(jié)中斷優(yōu)先級(jí)，開啟0～3通道并設(shè)置采樣時(shí)間使ADC采集可以工作在預(yù)設(shè)狀態(tài)下。OLED模塊同樣進(jìn)行初始化設(shè)置，開啟OLED顯示后進(jìn)行清屏，然后高亮顯示屏，通過列的高位和低位地址設(shè)定點(diǎn)陣的顯示位置。最后通過驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑻幚砗玫臄?shù)據(jù)送至顯示屏進(jìn)行顯示。流程圖如圖所示：

4.結(jié)束語

本文通過對(duì)心電信號(hào)采集系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)，在充分考慮到我國現(xiàn)在心臟病發(fā)病情況的實(shí)際狀況下，分析了心電監(jiān)護(hù)在慢性病中的大量需求，介紹了生物電信號(hào)的產(chǎn)生和特點(diǎn)，在基于STM32單片機(jī)的基礎(chǔ)下，針對(duì)心臟病難發(fā)現(xiàn)，前期發(fā)病信號(hào)不明顯等特征設(shè)計(jì)出了從采集，放大，濾波，降噪到最終顯示的心電信號(hào)采集系統(tǒng)，可以隨時(shí)采集心電信號(hào)，避免了傳統(tǒng)的心電圖儀體積大，維護(hù)成本高的缺點(diǎn)，為心臟監(jiān)護(hù)提供了便捷的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]梁偉玲，吳超，林建斌，鐘志龍.基于Arduino的無線心電信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2019，36（6）：715-720.

[2]鄒曉磊，張瑛，蘇曼卿.一種低功耗心電信號(hào)采集模擬前段電路[J].微電子學(xué)，2020，50（1）：1-5.

[3]Karabi Ganguly Bhattacharjee，Nilotpal Manna，Samhita Bhattacharya，Bhaswati Mallick. ECG Signal Acquisition System for Remote Healthcare Service With Telemetric Capability[J]. Innovative Systems Design and Engineering，2015，6（5）.

[4]茅晨，徐國，政高翔.表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，2017，11（18）：61-64.

[5]付國紅，張前豐，程輝.基于STM32和LabVIEW的雙頻激電信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2020，35（1）：287-293.

[6]李紅利，劉培軍，陳國崴，張榮華，李月軍.基于STM32的便攜式心電信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，39（2）：67-80.