張大偉，王?？?，張 斌

（1．鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州 450001;2．鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)，河南 鄭州 450001;3．鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

0 引言

心電圖（ECG）反映了心肌細(xì)胞生物電位的變化，是醫(yī)生對(duì)患者進(jìn)行心血管疾病診斷（如心肌梗塞、心率異常等）的重要依據(jù)。傳統(tǒng)12導(dǎo)聯(lián)心電圖儀存在體積較大、不易便攜等缺點(diǎn)。動(dòng)態(tài)便攜式心電Holter也因價(jià)格昂貴很難普及到個(gè)人家庭。考慮到心臟病突發(fā)性的特點(diǎn)，研發(fā)便攜式、小型化、低功耗無線心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品就顯得尤為重要。目前相應(yīng)三導(dǎo)聯(lián)無線ECG研究報(bào)道較少，其中，Hong J H開發(fā)了一種基于 PDA監(jiān)護(hù)的三導(dǎo)聯(lián)無線 ECG［1］，Zhang S設(shè)計(jì)一種可通過GSM遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的三導(dǎo)聯(lián)無線ECG［2］，張石也設(shè)計(jì)了一種基于S3C24l0平臺(tái)的三導(dǎo)聯(lián)遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)［3］。然而，以上三導(dǎo)聯(lián)無線ECG的模擬前端都是采用常用的分立式元器件設(shè)計(jì)，仍然存在體積較大、功耗較高、成本較高的缺點(diǎn)。

心電信號(hào)特征參數(shù)檢測是診斷分析的關(guān)鍵，而QRS波是ECG檢測的首要問題。由于心電信號(hào)易受噪聲和工頻干擾以及QRS波與T波較相似，QRS波檢測并不容易實(shí)現(xiàn)。目前，QRS波檢測方法較多，如小波變化法［4］、模板匹配法［5］、數(shù)學(xué)形態(tài)法［6］、差分法［7］等。上述方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，相比而言，差分方法在運(yùn)算量和正確率兩者之間比較折中。然而，對(duì)于三導(dǎo)聯(lián)無線ECG而言，目前，基于差分法的研究成果的計(jì)算量仍然較大。本文給出一種基于ADS1291和STM32L162三導(dǎo)聯(lián)無線ECG的設(shè)計(jì)方法，與此同時(shí)，介紹了一種新的具有運(yùn)算量低、正確率高等優(yōu)點(diǎn)的QRS波檢測方法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以便攜式、小型化、低功耗為目標(biāo)，所設(shè)計(jì)的三導(dǎo)聯(lián)無線ECG主要包含括:數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集控制與處理模塊、無線通信模塊和電源管理模塊。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 三導(dǎo)聯(lián)無線ECG結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of wireless 3 lead ECG

數(shù)據(jù)采集模塊采用TI公司用于生物電勢測量單通道24位A/D轉(zhuǎn)換模擬前端ADS1291，其不僅內(nèi)置可編程增益放大器PGA、基準(zhǔn)Reference和板載振蕩器Oscillator，且將心電應(yīng)用的所有常見功能集于一身，比如:通道選擇MUX、右腿驅(qū)動(dòng)RLD、掉線檢測Lead-off等。與現(xiàn)有分立式芯片實(shí)現(xiàn)方案相比，可將PCB尺寸縮小52%、功耗降低89%、組建數(shù)量減少75%。另外，24位A/D轉(zhuǎn)換精度可以降低通道的放大倍數(shù)，從而降低引入噪音、提高心電信號(hào)檢測的分辨率。ADS1291主要特性:每通道功耗為335 μW，輸入?yún)⒖荚胍粜∮? μV，采樣速率為125 sps～8 ksps，共模抑制比為105 dB。

選擇基于 Cortex—M3內(nèi)核的超低功耗微控制器STM32L162作為三導(dǎo)聯(lián)無線ECG的數(shù)據(jù)采集控制與處理模塊。與其他基于 ARM7，ARM9，Contex—M8相比，該微控制器除了保留很強(qiáng)的計(jì)算能力和豐富的外設(shè)，而且具有極低的功耗（工作頻率為8 MHz時(shí)的電流損耗僅為2 mA）。STM32L162負(fù)責(zé)控制ADS1291完成心電信號(hào)的采集，進(jìn)行數(shù)字FIR低通濾波、50 Hz限波、QRS波檢測、心率計(jì)算等數(shù)據(jù)處理，之后控制無線通信模塊完成數(shù)據(jù)傳輸。

無線通信模塊主要完成心電數(shù)據(jù)未來到病人手持設(shè)備或監(jiān)護(hù)站的傳輸，以便可使該三導(dǎo)聯(lián)ECG作為一個(gè)無線傳感終端使用。選用低功耗（工作/待機(jī)電流 12．3 mA/22 μA）、多頻點(diǎn)（125 個(gè)）、高速率（2 Mbps）、低工作電壓（1．9～3．6 V）的射頻收發(fā)芯片nRF24L01來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。nRF24L01具有1個(gè)發(fā)送通道和6個(gè)接收通道，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信、組成星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的無線收發(fā)器體積為19 mm×12 mm，開闊地傳輸距離可達(dá)30 m。

電源管理模塊主要有2個(gè)部分:一是為提供具有較低噪音的 LDO 電壓模塊（TPS79933，輸出 3．3 V，噪音29．5 μV RMS）;二是基于BQ24060鋰離子電池（560mAh）充電模塊。

2 心電處理算法

三導(dǎo)聯(lián)無線ECG處理算法主要包括:數(shù)字FIR低通濾波（100 Hz）、50 Hz限波、QRS波檢測、心率計(jì)算等數(shù)據(jù)處理。考慮QRS檢測在ECG中重要性和復(fù)雜度，重點(diǎn)介紹一種基于差分運(yùn)算的QRS復(fù)波檢測方法，主要包括3個(gè)步驟:1）通過對(duì)ECG信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算;2）找R點(diǎn);3）找與每個(gè)R點(diǎn)相關(guān)的Q點(diǎn)和S點(diǎn)。

2．1 差分運(yùn)算

1）讀取ECG信號(hào)數(shù)據(jù)x（n）（以MIT—BIH心電數(shù)據(jù)庫中記錄116為例進(jìn)行闡述，如圖2（a）所示）。

2）對(duì)ECG信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算:xd（n）=x（n）－x（n－1），如圖2（b）所示。

3）通過截止頻率為100Hz FIR低通濾波器去除差分?jǐn)?shù)據(jù)xd（n）中所含的高頻成分，等到xdfir（n），如圖2（c）所示。

4）閾值處理，選取2個(gè)閾值A(chǔ)1（A1＞0），A2（A2＜0），使小于A1且大于的xdfir（n）都變?yōu)?，即xdm（n）=0（A1＞xdfir（n）＞A2），xdm（n）=xdfir（n）（A1＜xdfir（n），xdfir（n）＜A2），如圖2（d）所示。閾值的選取較重要，過高，可能丟失一些R點(diǎn)，過低，則會(huì)產(chǎn)生誤檢測。

5）取值為正的數(shù)據(jù)，xdm+（n）=0（xdm（n）＜0），xdm+（n）=xdm（n）（xdm（n）＞0），如圖2（e）所示。

2．2 R 點(diǎn)尋找

1）尋找xdm+（n）中的極值點(diǎn)?？蓪?shù)據(jù)xdm+（n）以N個(gè)采樣點(diǎn)為間隔分成不同的段，分別找到xdm+（n）在這些間隔中的極值點(diǎn)。N的取值與心電采樣率F有關(guān)，且N/F過大易漏檢，N/F過小將會(huì)增加極值點(diǎn)識(shí)別的復(fù)雜度。考慮正常人 QRS波不會(huì)超過0．11 s，這里，以N=50，F(xiàn)=360為例，即每50個(gè)采樣點(diǎn)相當(dāng)于約0．14s的時(shí)間長度，如圖2（f）所示。

2）識(shí)別xdm+（n）中正確的極值點(diǎn)。在此分2種情況:a．如果2個(gè)極值點(diǎn)間隔τ≤50，則較大點(diǎn)為正確的極值點(diǎn)（見圖2（f）中2．2～2．4 s之間的R點(diǎn)）;b．如果2個(gè)極值點(diǎn)間隔τ＞50，則它們都是正確的極值點(diǎn)。

3）根據(jù)識(shí)別出的極值點(diǎn)尋找到R點(diǎn)的位置。由于進(jìn)行了差分運(yùn)算，故極值點(diǎn)并非R點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位置，存在一定的偏差，可回到原始信號(hào)中尋找。本算法將在差分信號(hào)極值點(diǎn)兩邊各25個(gè)采樣點(diǎn)范圍內(nèi)出現(xiàn)的最大值點(diǎn)作為識(shí)別出的R點(diǎn)。

2．3 Q點(diǎn)與S點(diǎn)尋找

通常，由于 QRS波的時(shí)間寬度約為0．04～0．11 s，其寬度約為15～40個(gè)采樣點(diǎn)（以采樣率F=360為例）。因此，可在R點(diǎn)前后各40個(gè)采樣點(diǎn)這一段時(shí)間間隔中尋找R點(diǎn)之前的最小值點(diǎn)和R點(diǎn)之后的最小值點(diǎn)，即分別為Q點(diǎn)、S點(diǎn)。

圖2 基于差分運(yùn)算QRS波檢測過程Fig 2 QRS detection process based on differential operation

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提出的三導(dǎo)聯(lián)無線ECG設(shè)計(jì)和QRS波檢測方法的可行性，制作了一種原理樣機(jī)。該樣機(jī)模擬胸導(dǎo)聯(lián)V5的連接方式進(jìn)行心電檢測的實(shí)驗(yàn)場景如圖3所示，實(shí)時(shí)處理后的心電數(shù)據(jù)通過無線傳輸給上位計(jì)算機(jī)。圖4給出了從原始心電信號(hào)中檢測出QRS波的實(shí)現(xiàn)過程。其中，圖4（a）為原始心電波經(jīng)過截止頻率為100 Hz FIR低通濾波器的輸出，可以看到，盡管采用了右腿驅(qū)動(dòng)還是有存在一定的50 Hz工頻干擾;圖4（b）為心電波隨后經(jīng)過50 Hz FIR陷波器的輸出，可以看出噪音已基本去除;圖4（c）為QRS波檢測的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)實(shí)際測試，該原理樣機(jī)主要性能指標(biāo)如下:1）輸入?yún)⒖荚胍粲行е敌∮? μV，采集板單邊尺寸小于3 cm;2）12 bit-AD采樣率360;3）連續(xù)無線采集（含數(shù)據(jù)分析）功耗小于20 mA（3．3 V），工作時(shí)間大于24 h（560 mAh）。

圖3 三導(dǎo)聯(lián)無線ECG測試Fig 3 Test of wireless 3 lead ECG

4 結(jié)論

本文著重介紹了一種新型三導(dǎo)聯(lián)無線ECG設(shè)計(jì)方法，及其基于差分運(yùn)算QRS波檢測的實(shí)現(xiàn)。采用集成度高、性能卓越的用于生物電勢測量單通道24位模擬前端，大大縮減了三導(dǎo)聯(lián)無線ECG的尺寸、功耗和總體成本。配合FIR數(shù)字低通濾波和50 Hz限波，可進(jìn)一步去除干擾得到分辨率較高的心電信號(hào)。相比現(xiàn)有方法，所述的基于差分運(yùn)算QRS波檢測在保證高準(zhǔn)確率的前提下，具有較低的運(yùn)算量，可應(yīng)用于未來各種便攜式且需要低功耗ECG中。

圖4 QRS波識(shí)別過程Fig 4 Recognition process of QRS wave

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