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(jiàn)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(jià)格較高，需專業(yè)操作，不易于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便攜式心電圖儀逐漸成為醫(yī)學(xué)界市場(chǎng)的主流。文中設(shè)計(jì)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(jī)算法對(duì)采集到的心電信號(hào)自動(dòng)診斷，并帶有SD卡存儲(chǔ)模塊及打印機(jī)模塊，可將心電圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并打印。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)文中要求的各項(xiàng)功能。

關(guān)鍵詞：心電信號(hào)；便攜式；自動(dòng)診斷；觸摸屏顯示

中圖分類號(hào)：TF325.69 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(wèn)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(jì)了一款家用便攜式心電圖儀，具有可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、功耗低、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

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(guó)心臟聯(lián)合會(huì)（American Heart Association，AHA）規(guī)定的心電圖儀的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)體系，需于人體體表同時(shí)放置10個(gè)電極，分別為左臂（LA）、右臂（RA）、左腿（LL）、右腿（RL）以及胸部六個(gè)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(hào)的放大分為兩級(jí)[4]，采用模擬濾波器與數(shù)字濾波器相結(jié)合的方法對(duì)心電信號(hào)進(jìn)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(hào)與自動(dòng)診斷模塊內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)心電波形進(jìn)行比對(duì)，得出結(jié)論，打印輸出結(jié)果并自動(dòng)存儲(chǔ)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(jì)

2.1 微處理器選型

本設(shè)計(jì)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(shí)鐘處理速度快。支持JTAG和SWD下載調(diào)試，包含80個(gè)雙向I/O端口、4個(gè)通用定時(shí)器、一個(gè)24位系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器以及兩個(gè)12位ADC以及IIC、USART、USB、SPI等多個(gè)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(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，以提供便捷的開(kāi)發(fā)固件庫(kù)[6]，省掉底層硬件描述大大縮短了軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)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(jì)

2.2.1 前置放大電路設(shè)計(jì)

前置放大電路采用放大倍數(shù)為10的AD623放大器[7]，完成對(duì)心電信號(hào)的第一級(jí)放大。心電信號(hào)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(duì)心電信號(hào)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(guò)大，使得增益變高，則共模抑制比下降，因此對(duì)采集到的心電信號(hào)的放大采用分級(jí)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(dòng)電路設(shè)計(jì)

右腿驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相當(dāng)于接地設(shè)計(jì)[8]，主要為了防止人體發(fā)生意外。選用OP07運(yùn)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(yùn)算放大器集成電路，具有輸入偏置電流低和開(kāi)環(huán)增益高的特點(diǎn)，適用于高增益的測(cè)量設(shè)備。

2.2.3 后級(jí)放大電路設(shè)計(jì)

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

2.2.4 帶通濾波電路設(shè)計(jì)

帶通濾波器主要去除心電信號(hào)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(hào)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(hào)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(jì)

本設(shè)計(jì)采用差分輸入放大電路，將輸入信號(hào)反向后與正輸入端電壓相加，正輸入端電壓可通過(guò)滑動(dòng)變阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終提升心電信號(hào)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(jí)放大電路設(shè)計(jì)中已經(jīng)對(duì)心電信號(hào)實(shí)現(xiàn)1000倍左右的放大，放大后的心電信號(hào)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(gè)直流分量，使心電信號(hào)為正電壓。

2.3 系統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計(jì)

2.3.1 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

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(duì)于模擬濾波器，數(shù)字濾波器對(duì)心電信號(hào)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(yán)格的線性相位和穩(wěn)定性，符合心電信號(hào)對(duì)數(shù)字濾波器的要求。

2.3.2 SD卡存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

便攜式心電圖儀采用SD卡[12]對(duì)處理后的心電信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。SD卡存儲(chǔ)模式為SPI模式，接口簡(jiǎn)單通用。

2.3.3 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊選用LM7803穩(wěn)壓器和Maxim公司生產(chǎn)的ICL7660s。LM7803相當(dāng)于小功率電壓源，可以實(shí)現(xiàn)5 V電壓到3.3 V電壓的轉(zhuǎn)換；內(nèi)部有限流和過(guò)熱保護(hù)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(fù)電壓。

2.3.4 LCD顯示模塊設(shè)計(jì)

LCD顯示模塊采用臺(tái)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(shí)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(jī)模塊設(shè)計(jì)

打印機(jī)模塊采用高分辨熱敏打印機(jī)對(duì)心電波形進(jìn)行輸出，將其與微處理器中的USART接口相連，以實(shí)現(xiàn)打印功能。

3 便攜式心電圖儀軟件模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)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(gè)完整的開(kāi)發(fā)環(huán)境，具有靈活的窗口管理、允許自動(dòng)設(shè)置啟動(dòng)等特點(diǎn)，且集成了強(qiáng)大的模擬仿真設(shè)備，能夠滿足大多數(shù)苛刻的嵌入式開(kāi)發(fā)應(yīng)用需求。

3.1 A/D模塊軟件設(shè)計(jì)

將A/D配置成序列通道重復(fù)轉(zhuǎn)換模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)心電信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。由芯片內(nèi)部的定時(shí)器決定對(duì)心電信號(hào)的采樣頻率，A/D轉(zhuǎn)換后，通過(guò)設(shè)置標(biāo)志位表示A/D轉(zhuǎn)換完成。

3.2 自動(dòng)診斷模塊軟件設(shè)計(jì)

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

MIT-BIH數(shù)據(jù)庫(kù)具有節(jié)省文件長(zhǎng)度和存儲(chǔ)空間的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)將建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)理論基礎(chǔ)上的支持向量機(jī)（SVM）算法運(yùn)用到心臟病的輔助診斷中。首先對(duì)原始心電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理和特征提取，選取徑向基核函數(shù)的分類器進(jìn)行分類，通過(guò)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(dá)到最高的分類準(zhǔn)確率。這種方法適用于小樣本心臟病檢查。

4 仿真測(cè)試

通過(guò)對(duì)硬件部分的設(shè)計(jì)以及對(duì)該硬件電路進(jìn)行仿真測(cè)試，該電路輸出的心電信號(hào)符合心電圖儀對(duì)于心電信號(hào)的要求。對(duì)兩級(jí)放大器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所列。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以STM32作為微處理器，采用模塊化設(shè)計(jì)、匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言交叉編程相結(jié)合的方法，完成了對(duì)便攜式心電圖儀的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及測(cè)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(hù)儀的基本要求。與市面上同類產(chǎn)品相比，文中設(shè)計(jì)的心電圖儀具有價(jià)格低廉、精確度高以及體積較小易于攜帶的優(yōu)勢(shì)。

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