小型化心电信号检测系统设计*

刘 静 陈艳丽 杨树蔚 邢 静 刘叶楠 闫克丁

（1.西安培华学院智能科学与信息工程学院 西安 710065）（2.西安工业大学电子信息工程学院 西安 710021）

1 引言

随着电子科学技术、数字信号处理技术及自动化仪表的迅速发展，心电信号的检测设备的发展越来越蓬勃［1～2］，尤其是新兴的智能手环，方便了人们对自身各项生理指标的实时了解［3］。市场上已经出现形形色色的智能手环，可穿戴在人们手腕上，通过一种光电传感器，这种传感器在贴近人皮肤时，会发出一道光线，直接照射在人体的皮肤表面，肌肉和血液会对这道光线进行吸收，光信号的强度产生一定衰减，最终再反馈到传感器接收器上，显示测试结果。这种手环无疑携带很轻便，测试简单，但它的测量结果精确度却受到广大研究者的质疑，有志愿者专门测试对比手环与心电图仪测试精准度之差，最终对比表明，不同的手表所测得结果都与通过心电图所测的心率值有5%～10%的偏差［4～6］。因此，传统的肢体导联式心电图测量具有一定准确性意义，更能精确地测出患者心电及心脏疾病变化状态［7］，在医学教学和临床诊断治疗中具有更高的的参考价值［8～9］。

近年来，随着人们生活质量水平的提升，人们对自身心血管疾病的预防越来越看重。心脏健康的稳定性是导致心血管疾病的重要因素［10～11］，对于心电健康的监测是预防心血管疾病的重要方式［12］。在医疗水平和收入较低的农村，常常因无法获取到心电图等基本诊断方式而导致的迟诊而困惑［13～14］，本文旨在了解小型轻量级心电采集系统在不同用例的设计特点和系统能力方面的研究现状，可协助诊断心脏类疾病，心率可通过心电图中RR 波间隙准确计算得出，而呼吸阻抗是用来监测人类呼吸速率的［15］，对于心脏疫病诊断具有很大的辅助作用，因此在医学上，心电信号的精确采集、分析以及处理，对于治疗疾病和临床医学研究具有非常重要的意义［16］。如何在确保成本较低的基础上，还能精确的测量心电信号，将是我们值得研究的永恒课题［17］。

因此本文设计并实现了一种小型化心电信号检测系统，相比医院心电图检测，不仅便携，操作简单，而且可以实时连接一次性电极贴片准确测量心电图，完成系统化设计。

2 小型化心电信号检测系统整体结构设计

心电信号检测系统可分为心电信号检测系统前端采集部分设计与心电信号检测系统控制部分设计两部分。前端采集部分主要是通过STM32 主控芯片使用串口通信对心电采集模块获取心电数据，实现对数据的初步采集，处理，将处理后的数据可通过预先定义好的串口号发送给USART HMI串口屏和上位机，进行显示波形及心率大小。心电信号采集系统前端采集部分设计主要由STM32F103RET6 芯片、ADS1292R 心电采集模块、串口屏显示模块、系统电源以及PC 处理器等部分组成，心电信号采集系统嵌入式软件设计包括系统初始化、心电波形获取、心率计算、呼吸波形获取、波形显示，上位机软件主要是对采集的心电数据进行分析与显示。系统结构组成原理图如图1所示。

图1 系统结构组成原理图

3 小型化心电信号检测系统采集端设计

3.1 STM32主控模块

本控制系统采用基于ARM 的STM32RET6 为主控芯片，共有64个引脚，外围电路设计包括MCU的电源电路、晶振电路、复位电路、boot 启动电路、串口电路、ADC 电路等等，根据系统需求设计好电路原理图，PCB布线、封装、打印，以及元器件焊接，最终测试该主控板可完成所需功能，即主控板设计总体完成。该系统对于心电采集信号的检测就是要利用ADS1292R 模块通过I/O 口与主控板连接通信。

3.2 ADS1292R心电采集模拟前端模块

心电采集集成模拟前端电路包括了前置放大电路、滤波器（EMI）、右腿驱动电路、两个低噪声可编程放大器（PGA）及两个高分辨率模数转换器等，共有两个差分输入，差分输入可减小共模干扰，第三通道可在测量呼吸波时输入信号或辅助模拟差分输入，通过SPI 协议与主控板通信，该采集电路具有输入噪声小、功耗低、速率高、共模抑制比高满且携带方便等优点，同时满足测量精准度较高的心电图要求。本系统心电采集采用肢体3 导联方式，使用表面镀有Ag-AgCl 和涂有导电胶的可拆卸一次性软电极采集信号，将被测者的右上肢和左下肢为信号采集，而另外导联的左上肢电极则为参考电极，心电采集模块如图2所示。

图2 心电采集模拟前端

3.3 串口通信模块

该系统主要用到主控板两个串口，串口1 用于通信模块主要用于系统采集电路与上位机软件之间的通信，使得上位机软件能够及时获取被采集信息，实现数据可视化，用户第一时间查看心电信息。串口2 是用于与USART HMI 智能串口屏通信，可通过串口通信对控件上的参数进行修改，设定特定的指令可实现一些功能操作。

3.4 串口控制模块

串口通信相比其他通信方式，更加简单方便，只需三根导线连接就可以，分别是接地、发送、接收，其次，对于两个端口通信，必须提前配置波特率、数据位、停止位、奇偶校验位。系统使用USB将主控板与PC进行连接，设置串口端口号，上位机读取串口传递的数据，实现通信。

4 小型化心电信号检测系统控制部分设计

4.1 心电图RR间期心率算法设计

心率是计量心脏每分钟跳动的次数，可从一段心电图中通过定位R 波位置，其次获取相邻的RR波之间时间，求出一定时间内R 波个数，即可算出瞬时心率值。设有一段离散心电信号｛a(i),i=1,2,…N｝，采样频率fs，具体计算步骤如下：

1）设定幅度阈值T，从a(1) 开始检索，将a(i)≥T的序号i组成序列{x(j)}，直到检索到a(N)为止；

2）创建序列｛b(k)｝，令b(1)=x(1)，从x(2)开始检索，若x(j)-x(j-1)＞1，j≥2 则另b(1)=x(j-1)，b(k+1)=x(j)，k≥2；

3）设b(k)含K 个元素，则在N fs秒内R 波的个数为K2，平均心率为(K/2)/(N/fs)×60 次/分。R波波峰为止依次为[b(k-1)+b(k)]/2，取整，k≥2，由相邻R波间期算出瞬时心率。

4.2 小型化心电信号检测系统主控设计

心电信号硬件采集平台将采集到的数据通过串口通信的方式传输到上位机软件中。上位机软件将接收到的数据进行进行波形和数值显示，其整体界面及软件使用流程如图3所示。

图3 心电信号检测系统

上位机软件的功能是根据需求设计的，各个功能之间具有一定的独立性，操作简单，显示直观。其主要功能模块及功能流程图如图4所示。

图4 心电信号采集系统

4.2.1 用户登陆模块

对用户使用权限的限制。主要是使用前需要输入用户名和密码。登录成功以后可以打开软件的功能界面并使用相关功能。

4.2.2 串口控制模块

主要是串口的打开和关闭，可以选择要打开和关闭的串口端口号。

4.2.3 数据显示功能模块

对采集模块发送的数据进行显示，数据会以时间排序的列表形式显示出来，也会以波形图显示接受到心电数据。

4.2.4 数据滤波模块

对硬件采集平台采集到的数据进行过滤，像一些非常大或者非常小的干扰数据进行滤除，确保低噪准确的数据。

4.2.5 数据读取模块

进行数据的读取，主要是对已经保存的数据进行重新读取，然后显示对应的波形图。

4.2.6 数据保存模块

对检测的数据进行存储，保存在本地，可供下次检测结果对比。

4.2.7 数据清空模块

主要是对生成的波形图区域的数据清空，方便重新测量。

4.2.8 报告打印模块

对测的数据以及波形可在线打印出来，可供医学参考。

5 实验分析

在系统上电前，首先测试所有硬件连接是否正常工作，测试完毕后，将三个电极贴片RL、LA、RA分别对应贴置被测者右下肢、左上肢、右上肢测量位置，保证电极贴片与肌肤接触良好，且被测者被测之前必须预留10 分钟保持在无人安静的环境状态，心情平静，坐姿端正，方可开始测试，本次16 名被测者均来自同实验室的同学。系统上电，上位机软件自动获取到心电图与心率值，功能切换至呼吸波，依然出现清晰的波形，实验测试如图5所示。

图5 实验测试图

我们采用通过固定心率对比波形图方法验证该系统的稳定性及可靠性，如图6 所示，心率为75时，图（a）为心电模拟器输出心电图，图（b）为该系统实验所得结果。

图6 数据波形显示

如图6所示，图（a）、（b）为心率都为75时，所输出心电波形图，图（a）是理想心电波形图，通过两张图对比可以看出系统输出波形图并未失真，也无较大的差异，图（c）、（d）为基线阻抗为1K 时，模拟器与该系统所输出呼吸波，检测出来的心电波形图和呼吸波形图从波形图的周期峰值和波动频次上来看，整体上是平稳的，没有出现窦性心跳或者心率不齐等现象。由此可得出，此系统输出心电波形图和呼吸波形图是稳定的。（观察心率实验数据（表1）是系统输出的心率频次和心跳频次数据，最高是81.18，最低是65.58，观察其趋势，数据都在正常心跳范围之内。因此，心电信号监测系统对于数据的波形显示功能很可靠。

表1 心率实验数据

小型化心电信号检测系统中添加算法计算出心跳频次，由心率频次除以60 得到，1 是正常心跳频次的低点，1.5 是正常心跳频次的高点，而表1 中心跳频次数据都在1～1.5之间。在数据过滤的过程中，可以设置过滤低于0.5，高于12.0 的心跳频次。无出现偏离正常范围过高的异常数据及干扰数据。

经对实验室多名同学检测结果来看，小型化心电信号检测系统的心电波形显示清晰稳定，心率值跳动频率都是稳定且具有参考性的，测量误差小于2%，完全满足人们预防心脏疾病检测使用。小型化心电信号检测系统采集精度高、操作简单、小型方便、成本低廉，可作为心电信号采集、心脏疾病预防提供医学临床上的参考和凭据，为监测人心电健康状态以及采集心电信号研究与开发提供建设性意义。

6 结语

利用STM32F103RET6 为主控下的ADS1292R心电采集模块为采集电路肢体导联贴片电极测量人类心电信号，结果表明：

1）心电信号采集模块内部集成了多个放大滤波电路，对于采集心电微弱信号，具有一定的优势，结论表明，利用该模块检测数据清晰规整，大大提高了信号信号采集准确度。

2）提供了两种数据控制单元，分别为串口屏和上位机软件，串口屏显示可供调试与实验研究，上位机控制部分可对测得数据分析与打印，给出被测者可视化建议。

3）基于心电图RR 波心率提取算法，可直接获取一段心电图之间的每秒心跳频次及每分钟心率大小，快速且可靠。