《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于STM32的便攜式家用心電檢測儀的設(shè)計(jì)
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第9期
陳穎昭1，3，高躍明2，3，甘振華3，李仁貴3，李秀翔2，3，杜 民3
1.福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州350000； 2.福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州350000； 3.福建省醫(yī)療器械和醫(yī)藥技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州350000
摘要： 設(shè)計(jì)了一種基于STM32的便攜式家用心電檢測儀。心電電極采集體表單導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)，經(jīng)預(yù)處理電路對心電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和電平抬升后，送至STM32中進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字處理，在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示心電波形、心率和分析結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，該心電儀能有效提取心電信號(hào)的特征點(diǎn)，準(zhǔn)確測得心率，分析出4種常見心率失常癥狀，并可測得HRV的時(shí)域參數(shù)。
中圖分類號(hào)： TP216
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)09-0018-03
Design of a portable ECG detecting instrument based on STM32
Chen Yingzhao1，3，Gao Yueming2，3，Gan Zhenhua3，Li Rengui3，Li Xiuxiang2，3，Du Min3
1.College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350000，China； 2.College of Physics and Information Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350000，China； 3.Fujian Key Lab. of Medical Instrument and Pharmaceutical Technology, Fuzhou 350000，China
Abstract： A portable ECG detecting instrument based on STM32 was designed. Through the single lead, the instrument could acquire ECG signal from the body surface. After amplification, digital filtering and level elevation by preprocessing circuit, the ECG signal was sent to the STM32 for analog-digital conversion and digital processing. The heart rate, ECG waveform and analysis results were displayed in real-time on the LCD screen of the instrument. Experiment results showed that this system could effectively extract the feature points of ECG signal, accurately measure heart rate, analyze four kinds of common arrhythmia, and measure time-domain parameters of HRV.
Key words : STM32；dynamic difference-slope threshold；arrhythmia analysis；HRV time-domain analysis

    心電信號(hào)反映心臟興奮的電活動(dòng)過程，它對心臟基本功能及其病理研究具有重要的參考價(jià)值。由于心臟類疾病具有長期性和突發(fā)性，要及時(shí)、準(zhǔn)確掌握患者的第一手資料僅靠患者到醫(yī)院做一次或幾次心電圖是不夠的[1]。因此，家用心電檢測儀對心臟類疾病的自我預(yù)警和輔助治療具有重要的臨床價(jià)值和廣闊的市場前景[2]。

    目前，臨床上廣泛使用的Holter（動(dòng)態(tài)心電圖機(jī)）成本高，不適合在家庭長期使用?，F(xiàn)有家用心電檢測儀大多采用普通單片機(jī)，只能實(shí)現(xiàn)對心電信號(hào)的采集和顯示，進(jìn)而通過上位機(jī)對心電信號(hào)進(jìn)行分析[3]，難以對心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理和分析，因此研發(fā)一種可實(shí)時(shí)處理、適用于社區(qū)醫(yī)院和家庭保健的便攜式心電檢測儀具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
    本心電檢測儀以意法半導(dǎo)體公司的STM32作為控制核心，系統(tǒng)硬件電路由預(yù)處理模塊和核心處理器模塊組成，能準(zhǔn)確提取人體體表的心電信號(hào)。在程序設(shè)計(jì)上采用了模塊化方法，實(shí)現(xiàn)了良好的移植性，可實(shí)現(xiàn)對心電信號(hào)動(dòng)態(tài)顯示并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，由預(yù)處理模塊、數(shù)字處理及分析模塊和存儲(chǔ)模塊3部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)
    心電信號(hào)的特點(diǎn)主要有：(1)微弱性，幅值一般只有0.01 mV～5 mV；(2)低頻特性，其頻譜范圍一般為0.05 Hz～100 Hz；(3)高阻抗特性；(4)易受干擾，這些干擾主要有低頻的基線干擾、高頻的肌電干擾和50 Hz的工頻干擾[4]。根據(jù)心電信號(hào)以上特點(diǎn)，要求預(yù)處理模塊具備以下幾個(gè)特性：(1)高增益，增益一般為800～1 000倍。為了抑制零點(diǎn)漂移和提高共模抑制比，電路分兩級(jí)實(shí)現(xiàn)，前置放大器的增益不能太高；(2)高輸入阻抗；(3)高共模抑制比；⑷低噪聲電平。
    預(yù)處理模塊電路部分包括心電電極、右腿驅(qū)動(dòng)電路、前置放大電路、高通濾波電路、主放大電路、低頻濾波電路、50 Hz陷波電路以及電平抬升電路等幾部分。預(yù)處理模塊框圖如圖2所示。

    預(yù)處理模塊的性能參數(shù)如表1所示。
1.2 數(shù)字處理及分析模塊設(shè)計(jì)
    數(shù)字處理及分析模塊的主要功能是對預(yù)處理模塊送進(jìn)來的模擬信號(hào)依次進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、心電信號(hào)特征點(diǎn)的檢測以及心電信號(hào)的分析和顯示。
1.2.1 心率計(jì)算
    系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)緩存區(qū)內(nèi)的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出檢測者的實(shí)時(shí)心率和平均心率。通過6 s的心電數(shù)據(jù)即可計(jì)算出實(shí)時(shí)心率，再對10組實(shí)時(shí)心率取平均值，就可得到平均心率。實(shí)時(shí)心率由下式得到：
    
其中，F(xiàn)s表示采樣頻率(為200 Hz)，meanR_R為6 s內(nèi)的平均R-R間距。
    由實(shí)時(shí)心率的計(jì)算式(1)可知，要得到準(zhǔn)確的心率值，就必須得到準(zhǔn)確的R-R間距，即R波的檢出率要高。閾值分為固定閾值和動(dòng)態(tài)閾值[5]。固定閾值可能會(huì)由于高P、T波的存在而產(chǎn)生誤判；動(dòng)態(tài)閾值法克服了這些缺點(diǎn)，提高了特征點(diǎn)的檢出率，避免了漏檢或者多檢的情況。本文對已有的差分閾值法進(jìn)行改進(jìn)，采用動(dòng)態(tài)差分-斜率閾值，并根據(jù)心電信號(hào)生理原理加入漏檢和過檢判斷[6]，提高了QRS波的檢出率，在心律失常和QRS波幅值較小等復(fù)雜情況下，也能有較高的檢出率，為下一步心率失常分析和HRV時(shí)域參數(shù)分析打下基礎(chǔ)。
1.2.2 心率失常分析
    本儀器能實(shí)現(xiàn)對4種常見心律失常進(jìn)行分析，包括漏搏、停搏、心動(dòng)過速、心動(dòng)過緩。其實(shí)現(xiàn)方法如表2所示。根據(jù)表2的判別條件，當(dāng)檢測到上述4種心率失常中的1種時(shí)，儀器連續(xù)發(fā)出2 s的報(bào)警聲，并且在屏幕上顯示出相應(yīng)的心率失常類型。

1.2.3 HRV分析
    心率變異性HRV(Heart Rate Variability)是指心臟搏動(dòng)周期存在的微小變異現(xiàn)象。HRV可作為反映心臟交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)活動(dòng)緊張性和均衡性的一種非侵入性指標(biāo)，也是心電自動(dòng)分析系統(tǒng)重要的組成部分[7]?；谇度胧较到y(tǒng)實(shí)時(shí)性的考慮，本儀器采用時(shí)域分析法對HRV進(jìn)行分析。HRV時(shí)域分析常用指標(biāo)及對應(yīng)的生理意義[8]如表3所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    (1)動(dòng)態(tài)斜率-差分閾值算法有效性的驗(yàn)證
    本文采用MIT-BIH部分心率失常數(shù)據(jù)對本算法進(jìn)行測試，如表4所示。在誤檢比較多的幾個(gè)文件中，由于存在嚴(yán)重的肌電噪聲或者QRS波變化太劇烈，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)閾值跟不上信號(hào)變化所致。總體正確率達(dá)到了98%以上，說明算法對于R波的檢測是有效的。

    (2)4種常見心律失常的驗(yàn)證
    用MPS450多參數(shù)模擬儀產(chǎn)生4種常見心率失常信號(hào)，本檢測儀可準(zhǔn)確分析心率失常的類型。由表5可看出，儀器在分析停搏、心動(dòng)過速和心動(dòng)過緩時(shí)，正確率都達(dá)到了100%，在分析漏搏時(shí)達(dá)到了95%。實(shí)驗(yàn)表明，本儀器對4種常見心率失常的分析具有很高的可靠性。

 


    本心電檢測儀實(shí)現(xiàn)了心電信號(hào)的采集和顯示、心率的計(jì)算、4種常見異常心率分析和HRV時(shí)域分析的功能。采用動(dòng)態(tài)差分-斜率閾值法，提高了在干擾下或者QRS波幅度較小的情況下對心電信號(hào)特征點(diǎn)的檢出率，對4種常見心率失常分析具有很高正確率，還可以根據(jù)HRV時(shí)域參數(shù)來提示受測者是否需要加強(qiáng)鍛煉。本儀器還設(shè)有GRPS模塊接口和SD卡接口，將來還可進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信的功能。因此，本檢測儀在社區(qū)醫(yī)院和家庭保健中的應(yīng)用將對心臟疾病的預(yù)防和診斷做出重要貢獻(xiàn)。
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