基于無線WiFi 的十二導(dǎo)聯(lián)心電采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃一清

（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州分院）電子工程系，江蘇蘇州，215009）

0 引言

心血管疾病為影響人類健康的常見疾病，相關(guān)研究表示其患病率會隨年齡呈現(xiàn)遞增。作為無創(chuàng)檢查手段，目前心電圖檢測已成為心血管疾病診斷領(lǐng)域中首要的檢測方式，對于常見心律失常、房室病變、心肌梗死等病癥有著極為重要的醫(yī)學(xué)參考價(jià)值[1]。隨著研究的深入，現(xiàn)如今心電檢測設(shè)備更多地往結(jié)構(gòu)緊湊化、插件模塊化、交互靈活化和產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展[2]。其中產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化更是隨著無線技術(shù)的快速提升步入發(fā)展快車道，為遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)提供可能[3]。本文設(shè)計(jì)了一款十二導(dǎo)聯(lián)心電采集系統(tǒng)，在采集人體心電信號的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳輸，具有移動便巧、傳輸穩(wěn)定等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框架如圖1 所示，主要涉及按鍵控制、信號采集、主控模塊、通信模塊和顯示打印用于實(shí)現(xiàn)心電信號的采集、處理和顯示等。本設(shè)計(jì)通過標(biāo)準(zhǔn)12 導(dǎo)心電導(dǎo)聯(lián)線完成心電信號采集，由STM32F401RCT6 構(gòu)成主控模塊、USR-C210 作為無線WiFi 模塊。根據(jù)信號流向，所采集的信號經(jīng)導(dǎo)聯(lián)選擇、前置放大、定標(biāo)設(shè)定、濾波處理、基線調(diào)整和靈敏選擇后送至32 位微控制器，并通過液晶或預(yù)定協(xié)議組包由WiFi 傳輸至上位機(jī)兩種方式進(jìn)行顯示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

基于微型化、低功耗考慮，本系統(tǒng)采用ST 公司基于ARM Cortex-M4 內(nèi)核開發(fā)的32 位微控制器STM32F401RCT6作為硬件控制、數(shù)據(jù)處理及信號傳輸?shù)暮诵牟考Ｆ涔ぷ麟妷簽?.7～3.6V，內(nèi)含基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊、12 位ADC、16 位/32位計(jì)時(shí)器以及通信接口外設(shè)等。如圖2 所示，系統(tǒng)中心電信號由PA0/ADC0 管腳輸入，采樣率選擇512Hz，PB3～PB8管腳用于鍵控掃描，PB12～PB15 管腳作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，PC0～PC15 連接3.5 英寸TFT LCD 數(shù)據(jù)端。

圖2 心電采集系統(tǒng)主控及相關(guān)電路

■2.2 采集模塊設(shè)計(jì)

心電信號源于心臟活動過程中心肌與神經(jīng)電活動的綜合作用，其呈現(xiàn)信號頻率低、隨機(jī)性強(qiáng)、噪聲背景大等特點(diǎn)。心電信號頻率范圍主要為0.05～100Hz，并多集中在0.05～40Hz 頻段[4]。因此信號處理電路設(shè)計(jì)對于整個(gè)心電采集系統(tǒng)顯得尤為重要。本系統(tǒng)支持十二導(dǎo)聯(lián)心電圖采集，能完整反映心臟水平面和額面狀況。

2.2.1 輸入緩沖電路

如圖3 所示，所采集的心電信號首先經(jīng)過輸入緩沖電路，該電路由高壓保護(hù)電路（A1～A9）、高頻濾波電路（R1～R9、C1～C9）、低壓保護(hù)電路（D1～D9）和電壓跟隨器（U1～U9）構(gòu)成，其中高壓低壓保護(hù)分別在±75V、±0.7V 左右。

圖3 信號處理電路

2.2.2 導(dǎo)聯(lián)選擇電路

導(dǎo)聯(lián)選擇電路主要由U10～U13 4 塊CD4051 芯片構(gòu)成，配合威爾遜網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)心電導(dǎo)聯(lián)切換。CD4051 為單端8 通道多路開關(guān)，其輸出受通道選擇輸入端（C、B、A）和禁止輸入端（INH）控制，前者連接單片機(jī)PB0～PB2，后者連接PB10 管腳，在單片機(jī)接受導(dǎo)聯(lián)選擇按鍵命令后通過上述管腳給出相應(yīng)信號分別送至芯片通道控制端和禁止輸入端。本系統(tǒng)中U10、U11 實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)、加壓肢體和V1 導(dǎo)聯(lián)選擇，U12、U13 則實(shí)現(xiàn)V2～V6 導(dǎo)聯(lián)選擇。

2.2.3 前置放大電路

本系統(tǒng)由INA118U 實(shí)現(xiàn)前置放大，該芯片為美國德州儀器公司生產(chǎn)的低功耗精密儀表放大器，共模抑制比可達(dá)110dB，增益，為避免工作于飽和或截止區(qū)G 設(shè)定為20。定標(biāo)電路可用于整機(jī)增益校準(zhǔn)，主要由9014 管、TL431ACD 和可調(diào)電阻構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)VR1 獲得1mV 定標(biāo)信號。

2.2.4 濾波處理電路

2.2.5 增益調(diào)節(jié)電路

2.2.6 靈敏選擇電路

■2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

WiFi 是一種基于IEEE802.11 系列協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的無線通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)個(gè)人電腦、手持設(shè)備等終端無線互聯(lián)，相較藍(lán)牙等技術(shù)具備覆蓋范圍廣、傳輸距離長等優(yōu)勢[5]。本系統(tǒng)選用USR-C210 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，該模塊內(nèi)置低功耗運(yùn)行機(jī)制，支持WiFi@2.4GHz 802.11b/g/n 無線標(biāo)準(zhǔn)，可AP、STA 和AP+STA 三種方式配網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)UART 轉(zhuǎn)WiFi雙向透傳功能。系統(tǒng)采用STA 模式TCP-Client 通信，由STM32F401RCT6 單片機(jī)通過串口發(fā)送AT 指令完成通信模塊初始化，其中USR-C210 芯片UART_TX、UART_RX 管腳與單片機(jī)PA2/U2_TX、PA3/U2_RX 管腳交叉連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 總體程序設(shè)計(jì)

心電采集下位機(jī)軟件系統(tǒng)采用ARM 公司所推的Keil MDK 平臺進(jìn)行開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波。軟件總流程如圖4 所示，初始化設(shè)備，開機(jī)工作后進(jìn)行鍵盤掃描，然后采用TIME1 定時(shí)器周期啟動ADC，每采集10s 開啟中斷進(jìn)行濾波用以濾除肌電干擾和低頻漂移等，最后將心電波形實(shí)時(shí)顯示于液晶屏。上位機(jī)GUI 則使用C#平臺編寫，主要負(fù)責(zé)通信監(jiān)聽、協(xié)議解析、波形繪制、心率計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲等，具體流程如圖5 所示。

圖4 下位機(jī)軟件流程圖

圖5 上位機(jī)軟件流程圖

■3.2 主要功能實(shí)現(xiàn)

這里重點(diǎn)介紹構(gòu)建通信連接、波形繪制與心率計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方式。

3.2.1 構(gòu)建連接實(shí)現(xiàn)

首先由服務(wù)端開啟套接字監(jiān)聽服務(wù)，然后根據(jù)服務(wù)器IP、端口進(jìn)行連接。

3.2.2 波形繪制與心率計(jì)算實(shí)現(xiàn)

首先將接收到的原始數(shù)據(jù)解包并轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)軸點(diǎn)，在C#平臺定義畫筆，然后循環(huán)結(jié)構(gòu)下調(diào)用Draw_Graphics.DrawLine（myPen,PointX1,PointY1,PointX2,PointY2）語句完成所有點(diǎn)的圖像繪制呈現(xiàn)出連續(xù)心電波形。

心率的計(jì)算一般選用基于極值的動態(tài)自適應(yīng)閾值法，通過閾值提取進(jìn)行R 波特征點(diǎn)的標(biāo)注，根據(jù)兩次R 波間隔實(shí)現(xiàn)心率換算[6]。本系統(tǒng)選擇matlab 實(shí)現(xiàn)心率計(jì)算，利用matlab function 函數(shù)將相關(guān)代碼封裝并打包成dll，最后在C#中調(diào)用動態(tài)鏈接庫。心率計(jì)算核心代碼如下：

Threshold=(max(wavedata)-min(wavedata))＊0.4+m in(wavedata)；//R 波峰值閾值設(shè)置

[pks,locs]=findpeaks(wavedata,500,'MinPeakDistan ce',0.5,'MinPeakHeight',Threshold);//捕獲R 波波峰

Rwave_time=diff(locs);//計(jì)算兩次R 波間隔時(shí)間差

Heart_rate=60/mean(Rwave_time);//計(jì)算心率

4 系統(tǒng)功能測試

本系統(tǒng)直接采用220V 交流市電供電，為測試其是否能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集顯示數(shù)據(jù)功能，選用珺淼JM-203 型心電信號模擬儀產(chǎn)生1mV、100Hz 標(biāo)準(zhǔn)正弦信號以十二導(dǎo)聯(lián)方式接進(jìn)心電采集系統(tǒng)，接入方式與心電采集系統(tǒng)ECG 測試點(diǎn)顯示波形如圖6 所示。按下本系統(tǒng)導(dǎo)聯(lián)選擇按鍵能正常進(jìn)行不同導(dǎo)聯(lián)間切換，靈敏度按下能在“1/2”、“1”、“2”之間轉(zhuǎn)換，定標(biāo)調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)后也能正常產(chǎn)生1mV 標(biāo)準(zhǔn)脈沖波，其他走紙速度、顯示方式及波形打印等功能均正常。性能測試方面，通過對輸入阻抗、噪聲電平、共模抑制比等項(xiàng)目檢測，相關(guān)結(jié)果見表1 顯示該心電采集系統(tǒng)性能方面完全達(dá)成預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表1 心電采集系統(tǒng)主要性能參數(shù)

圖6 心電采集系統(tǒng)

將心電采集系統(tǒng)WiFi 端短路，遠(yuǎn)程接收端PC 搜索并連接到該WiFi，配置WiFi 參數(shù)設(shè)置WiFi 模式為STA，STA參數(shù)包括網(wǎng)絡(luò)名和密碼可通過路由器查詢得到。設(shè)置完成后進(jìn)行透傳參數(shù)設(shè)置，將串口參數(shù)設(shè)定為115200、None、8、1，SocketA 協(xié)議選擇TCP-Client，服務(wù)器地址查詢無線網(wǎng)ivp4，設(shè)置完畢重啟心電采集系統(tǒng)。打開遠(yuǎn)程接收端上位機(jī)軟件，心電信號模擬儀輸出標(biāo)準(zhǔn)心電信號，此時(shí)點(diǎn)擊開始監(jiān)聽按鍵，上位機(jī)連接狀態(tài)顯示“服務(wù)器開始監(jiān)聽……”，波形繪制區(qū)域能實(shí)時(shí)顯示采集端發(fā)送過來的心電信息，如圖7所示。通過實(shí)測本系統(tǒng)心率顯示信息和標(biāo)準(zhǔn)平均誤差小于1次/分鐘，功能上充分實(shí)現(xiàn)十二導(dǎo)聯(lián)心電數(shù)據(jù)的采集與傳輸。

圖7 上位機(jī)界面

5 結(jié)語

近年來心血管疾病備受關(guān)注，作為該疾病的常規(guī)檢查手段之一，心電圖檢測應(yīng)用日益廣泛。本研究設(shè)計(jì)了一種基于無線WiFi 的十二導(dǎo)聯(lián)心電采集系統(tǒng)，綜合設(shè)計(jì)信號采集處理模塊、STM32F401RCT6 主控模塊、USR-C210 通信模塊和顯示打印模塊等，具有采集速度快、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高、電路性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可將用戶心電采集數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程接收端用于醫(yī)學(xué)研究和輔助診斷，一定程度上為遠(yuǎn)程醫(yī)療奠定基礎(chǔ)。