基于ARM的多模式便携心电监护系统设计

基于ARM的多模式便携心电监护系统设计

刘颖，梁浈，章浩伟

上海理工大学 医疗器械与食品学院(上海，200093)

微创励志创新基金

E-mail：ling2431@163.com

【摘要】为实现心电信号的实时监护，该文提出了具有运动监护和病理监护功能的多模式便携心电监护系统。该设计采用高性能、低成本、低功耗的嵌入式ARM内核作为控制微处理器，实现了模拟信号预处理、心电信号采集分析以及多模式监护信息传输、定位、预警等功能。设计便携轻巧、价格低、抗干扰能力强，适用于家用心电监护和辅助诊断医护工具，市场应用前景广阔。

【关键词】心电监护；多模式；采集；ARM

doi:10.3969/j.issn.1674-1242.2015.02.005

基金项目：上海市科委医学引导项目(12401907700)；

作者简介：刘颖，副教授，硕士生导师，主要研究方向：生物医学工程。

【中图分类号】R318

【文献标识码】A

文章编号：1674-1242(2015)02-0081-05

Abstract【】In order to achieve the real-time monitoring of ECG signal, this paper designed the multi-mode portable ECG monitoring system with the functions of exercise monitoring and pathological monitoring. An ARM kernel designed with high performance, low cost, low power consumption，and embedded properties is selected as microprocessor control. The system implements the functions of analog signal pretreatment, ECG signal acquisition and analysis, multi-mode monitoring information transmission, positioning and pre-warning function. The system is characterized by portable and lightweight, low price,and high anti-interference ability,suiting domestic ECG monitoring and medical auxiliary diagnosis, which indicates this system has a broad market prospect.

收稿日期：(2015-03-24)

Design of Multi-mode Portable ECG Monitoring System Based on ARM

LIU Ying, LIANG Zhen, ZHANG Haowei

School of Medical Instrument and Food Engineering,

University of Shanghai for Science and Technology (Shanghai, 200093)

【Key words】ECG monitoring，multi-mode，acquisition，ARM

0　引言

近年来，我国人口老龄化程度越来越严重[1],心脏病一类疾病的发病率呈逐年递增趋势，成为威胁健康的重要因素之一[2]。实时监护心电信号，不仅有利于及早发现病症并给予最佳的治疗，同时可以对运动计划的建立进行科学的指导安排[3]。但常规心电监护设备体积笨重、价格昂贵，不便于携带，难以满足对心电信号监护的便携和便利性的要求[4]。鉴于此，本文提出了基于ARM的多模式便携心电监护系统，实现了对心电信号的采集分析和数据存储，有病理监护和运动监护两种工作模式，具有显示、异常信号自动报警并发送患者监护信息等功能，具有体积小巧、超低功耗、实时多模式监护、价格低廉、便于携带等优势。

1　系统设计及实现

本系统整体设计框图如图1所示，包括心电信号采集预处理模块和以基于32位ARM Cortex-M4内核STM32单片机为核心的控制分析模块。其中预处理模块包括前置放大电路、右腿驱动、高通滤波电路、低通滤波电路、主放大电路、工频滤波电路和电平抬升电路，控制分析模块包括心电信号的实时采集分析、显示、存储、定位、报警等，实现了病理监护和运动监护两种模式。

图1系统框图

Fig.1System block diagram

1.1心电信号采集预处理设计

人体的心电信号是一种频率较低的微弱生物电信号，常规心电信号是毫伏级信号[5]，一般幅度范围在0.05～5 mV之间，其频率范围在0.05～100 Hz之间[6]，主要能量集中在17 Hz附近[7]。考虑到心电信号的微弱性、噪声强、易受干扰等特点[8]，设计采集预处理模块框图如图2所示。

图2心电信号采集预处理框图

Fig.2ECG signal acquisition preprocessing block diagram

首先，应用前置放大电路将电极片采集的人体左、右臂心电信号进行差分放大，这是心电采集的第一步也是关键环节。由于心电信号的特点以及环境背景噪声强，要求此级电路具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围[9]。同时考虑到原始心电信号中混杂着比心电信号幅度大的多的直流信号和噪声，前置放大增益太大会影响电路的直流稳定性[10]，因此设计的前置放大倍数在8倍左右，电路如图3所示。在前置放大电路提取出来的共模信号，通过右腿驱动电路倒相、放大反馈到右腿上，使人体的位移电流不流地，而是通过运放输出，已达到更进一步的降低工频干扰和提高共模抑制比。

由于人体的心电信号频率范围为0.05 Hz～100 Hz，在前置放大电路差分放大的信号之后应用低通与高通电路滤波[11-12]，其截至频率分别是0.05 Hz和100 Hz。心电信号幅度一般为1 mV左后，考虑后续采集电路以及对心电特征波的分析，在经过前置电路预放大之后，通过主放大电路来把提取出来的心电信号进行再次放大，达到伏(V)量级。主放大倍数设计为100倍，因此整个电路的增益为800倍左右。虽然前置放大电路对共模干扰具有一定的抑制作用，但是有部分工频干扰仍以差模方式进入电路，且频率处于心电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定的因素，前级电路输出的心电信号仍存在较强的工频干扰，所以经主放大电路输出的信号需进行工频滤波。再通过电平抬升电路使滤波后的信号范围由-0.5 V～+1.5 V转换为0 V～+3.3 V，使A/D模块满幅输入，保证后续处理部分能采集到完整的心电信息。

图3心电信号采集预处理电路图

Fig.3Circuit diagram of ECG signal acquisition preprocessing

1.2基于ARM的控制系统设计

运动监护模式和病理监护模式下的心电信号的采集分析、数据传输、定位预警等功能由基于ARM的控制系统实现。其控制流程如图4所示。

1.2.1病理监护模式

将各类疾病和治疗信息存储在SD卡中，通过STM32微处理器对采集得到的心电数据进行特征量分析并确定其特征值，调用SD卡内存储的常见心脏病的数据库，来判断心电数据是否异常。若发现心电数据异常，则进行语音警报和红色LED灯闪烁预警，并把分析得到的异常心电结果在LCD液晶屏上显示出来，同时以时间-电压波形的形式保存下来。

图4控制系统功能流程图

Fig.4Flow chart of control system function

基于大容量的SD卡，建立了判断心率失常的数据库(MIT-BIH)，其中包括了48个常见病例，比如：心室颤动、心房颤动、房性早搏、室性早搏、心脏停搏及起搏等，作为微处理器对心电信号分析处理的依据，提取采集信息的特征量与之比对，做出判断。如连续3次监测出现异常，及时做出响应。在预警的同时，将分析得到的异常心电结果进行存储并显示，还可以通过USB把异常数据传输到PC端作进一步的病理分析。另外，若在预定义的时间内警报没有消除，微处理器接受GPS模块接收的信息，计算出病人所处地理位置的经度、纬度，通过蓝牙模块(ATK-HC05)将微处理器与手机端相连接，并自动发送指令控制手机终端拨打设置的特定电话比如120、指定医生或者亲属的手机号码，还可以向手机终端发送病人的基本信息，实现及时的远程监护。其蓝牙传输流程如图5。

1.2.2运动监护模式

在运动过程采集心电信息，计算并记录心率值实现实时监护及预警；通过USB连接PC端可以对心电信息进行进一步统计分析，还可以对运动计划的建立进行科学的指导安排。

图5蓝牙传输流程图

Fig.5Flow chart of Bluetooth transmission

首先，根据运动计划安排预先设定不同年龄不同性别的正常心率上下限值，当检测到的心率值连续三次不在正常范围之内时，启动语音和LED闪烁报警，并在LCD上显示预警界面以及帮助指导说明，比如计划修改建议、运动指导等。基于心电波形的特点，采用QRS波的斜率来检测R波。首先设置一个斜率阈值[13-14]，利用定时器控制触发，当心电数据斜率超过预设置的阈值时，计数器加1，计算出R-R间期时间，然后用60除以R-R间期时间就得到了心率数Nhr。具体计算公式如下：

通过USB接口将微处理器与PC终端相连接[15]，可以把采集的心电数据以时间-幅度列表格式进行存储，以合理安排运动，科学的调整运动计划。为了提高采样效率，在微处理器的内存空间中开辟4 kB作为数据缓冲区，当外部模拟信号送入A/D模块进行模数转换时，可以在LCD液晶屏实时地显示心率和心电波形，并能把数据存储在大容量的SD卡内，其容量可高达32 GB。利用 STM32 自带的 SPI 接口，其最大传输速率可达18 Mbps，并且每秒可以传输2 MB以上的数据。当接收到PC机的传输命令时，A/D模块每次转换结束之后，通过DMA方式将转换后的16位数据顺序搬移到数据缓冲区，待缓冲区满后，将4 kB数据打包经由USB总线回传到PC终端，其USB控制流程如图6。

图6USB数据传输流程图

Fig.6Flow chart of USB data transmission

2　实验结果

首先，验证本系统运动监护模式下的心率检测功能和性能。我们采集了一健康男性(24岁)和一健康女性(23岁)在安静和运动时期各30 min的心电波形，在运动状态监护中取了运动时的8个时刻以及运动后9 min的心电数据，计算对应的心率值并与安静状态相比较，心率变化曲线如图7所示。结果可见其均在正常范围之内。

在病理监护模式下再次采集该健康男性的心电信息，并设置100次/min为心动过速。在运动期间，心电监护系统诊断为心动过速，将预警前后3 min之间的心电波形图通过蓝牙传输到手机端。图8为截取的部分心电波形图，图中显示的心电信号各部分特征波形明显。

图7心率变化曲线(运动监护模式)

Fig.7The change curve of rhythm (exercise monitoring)

图8心电波形(病理监护模式)

Fig.8ECG waveform (pathological monitoring)

3　总结

本文以ARM为控制核心，提出了具有运动监护模式和病理监护模式的便携式心电监护系统设计方案，实现了对人体心电信号的采集处理、定位、报警等功能，对常见心率失常诊断比如：心室/房颤动、心动过速/缓、房/室性早搏、心率不齐、停搏、漏搏等能进行实时的监护。整个系统集成于一块电路板上(145 mm×85 mm)，并且STM32单片机具有高达18个模数转换通道以及丰富的I/O口，可方便的进行功能的扩展，实现对其它生理信号的采集与处理，具有很高的普及性和应用意义。

参考文献

[1] 赵龙凤,陈贤祥,任仁,等.基于蓝牙的便携式心电监护系统的设计[J].科学技术与工程,2011,11(7):3906-3909.

[2] 冯璐,于忠亚. 基于Internet的便携式心电监护仪的研究[J].吉林工程技术师范学院学报,2012,28(12):75-77.

[3] 薛冰冰,吴书裕,李亚萍,等. 基于STM32的微型多参数健康监护终端的设计[J].电子技术应用,2014,40(2):12-15.

[4] 马伟. 多床位心电监护仪设计与实现[J].现代电子技术,2011,34(17):181-187.

[5] 江皓,任国海,姚立海,等. 基于虚拟仪器的心电仪[J]. 仪器仪表学报,2008,29(8):607-610.

[6] 周立波,梅大成,侯小凤,等.心电采集电路的设计与实现[J].信息技术,2011, 10:130-135.

[7] 陈真诚,宋含,段勇. 基于MSP430F 149单片机的大容量动态心电HoIter设计[J]. 仪器仪表学报,2008,29(4):629-631.

[8] 张喜红,王玉香,杨清志. 基于HHT的心电信号滤波算法的研究[J]. 吉林化工学院学报,2014,31(1):51-54.

[9] 姚湘陵,秦实宏,袁发庭. 基于nRF24L01的无线心电采集系统的设计[J].电子设计工程,2013,21(2):185-189.

[10] Fernandes MS, Correia JH, Mendes PM.Electro-optic acquisition systemfor ECG wearable sensor applications[J].Sensors Actuators A: Phy,2013,203:316-323.

[11] Morales DP, García A, Castillo E,et al. Flexible ECG acquisition system based on analog and digital reconfigurable devices[J]. Sensors Actuators A:Phy, 2011,169(1):261-270.

[12] 张鹏,关丛荣,吴东艳,等. 基LabVIEW的家用心电数据记录仪的设计[J]. 仪器仪表学报,2007,28(4):649-651.

[13] 王余涛. 基于嵌入式系统的便携式心电监护系统的研制[D].哈尔滨工业大学,2010.

[14] 万相奎.心电信号分析与虚拟式心电自动分析仪的开发[D].重庆大学,2005.

[15] 杜改丽. 基于USB2.0的高速高精度数据采集系统数字后端相关电路设计[J].电子设计工程,2013,21(23):76-79.