張 昊，孫 元，王志剛，王換換

(1.徐州市口腔醫(yī)院 信息科，江蘇 徐州 2210022.徐州醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息與工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221000)

0 引言

社會(huì)的快速發(fā)展讓人們對(duì)自身健康狀況有了更高要求，而心血管疾病作為誘發(fā)患者死亡的主要原因[1]，對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)和防治是研究人員及公眾關(guān)注的重點(diǎn)。因此，如何提前預(yù)測(cè)心臟疾病并進(jìn)行有效防治成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外已存在多種類(lèi)型的心電信息檢測(cè)設(shè)備，如普通心電圖機(jī)、動(dòng)態(tài)心電圖機(jī)以及運(yùn)動(dòng)心電圖機(jī)。普通心電圖機(jī)作為應(yīng)用最廣泛的心電圖檢查設(shè)備，檢查成本低，能夠在患者心臟病發(fā)時(shí)診斷出病理情形，但無(wú)法預(yù)測(cè)突發(fā)疾病，且易發(fā)生檢測(cè)遺漏的問(wèn)題[2]；動(dòng)態(tài)心電圖機(jī)可不間斷地記錄患者所有ECG信號(hào)，但在臨床使用中，該類(lèi)設(shè)備限制了病人的活動(dòng)，且檢查成本高[3]；運(yùn)動(dòng)心電圖機(jī)需在被測(cè)者運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行檢查，該方式對(duì)檢測(cè)早期冠心病有顯著效果，但對(duì)身體薄弱者及老年人并不友好[4]。

針對(duì)上述問(wèn)題以及患者疾病檢測(cè)的需要，該文設(shè)計(jì)了一種基于Advanced RISC Machine(ARM)[5-6]和Wireless Fidelity(WIFI)技術(shù)的心電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)患者的心率數(shù)據(jù)、心電波形等信號(hào)進(jìn)行采集，利用LCD將信號(hào)實(shí)時(shí)顯示，MCU將處理過(guò)的心電信息通過(guò)Simple Wi-Fi[7-8]技術(shù)上傳至PC端，PC端軟件對(duì)心電信息實(shí)時(shí)顯示并對(duì)被測(cè)者的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而得出患者的心臟健康狀況，以改善現(xiàn)階段人們無(wú)法快速、準(zhǔn)確了解本人心臟健康狀況的問(wèn)題。相對(duì)于傳統(tǒng)的心電信息采集設(shè)備而言，該平臺(tái)及終端設(shè)備的設(shè)計(jì)能夠有效檢測(cè)出患者早期的心臟疾病，為患者盡早防治，降低死亡風(fēng)險(xiǎn)提供幫助。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)分析

為保證基于ARM和WIFI技術(shù)的心電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)以及終端設(shè)備能夠不間斷地收集、分析用戶的心臟數(shù)據(jù)，給出用戶當(dāng)前心臟健康狀況，系統(tǒng)及終端設(shè)備設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)目標(biāo)。

1)實(shí)時(shí)性：由于潛伏的或早期的心臟疾病不易被檢測(cè)，異常心電信號(hào)可能存在于某一不確定的時(shí)段。因此，智能終端對(duì)數(shù)據(jù)的收集傳輸以及平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的分析要具有實(shí)時(shí)性，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)用戶心臟異常，并提前防治提供保障。

2)合理性：作為醫(yī)療類(lèi)信息檢測(cè)分析設(shè)備，為降低用戶的患病風(fēng)險(xiǎn)，智能終端設(shè)備及平臺(tái)的設(shè)計(jì)要具有合理性，對(duì)數(shù)據(jù)的采集、傳輸及分析要嚴(yán)格按照國(guó)際規(guī)定，確保結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。

3)實(shí)用性：傳統(tǒng)心電信息檢測(cè)設(shè)備有多種類(lèi)型，但各類(lèi)設(shè)備均存在不足，不能廣泛適用于大眾。因此，智能終端設(shè)備及平臺(tái)的設(shè)計(jì)要具有實(shí)用性，確保該檢測(cè)裝置能夠廣泛適用于不同年齡段、不同身體健康狀況的人群。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能分析

為保證智能終端設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)收集的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，終端設(shè)備及平臺(tái)的設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)終端設(shè)備及平臺(tái)需具有自檢功能，當(dāng)設(shè)備或平臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)，并生成錯(cuò)誤分析報(bào)告。

(2)系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的用戶個(gè)人信息及心臟數(shù)據(jù)，自動(dòng)匹配不同年齡段的心臟健康標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)生成檢測(cè)報(bào)告。

(3)系統(tǒng)能夠根據(jù)智能終端設(shè)備傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成診斷報(bào)告。

1.3 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

為滿足不同年齡段人群對(duì)心臟信息實(shí)時(shí)檢測(cè)的需求，降低用戶患病風(fēng)險(xiǎn)，該文依據(jù)模塊化原則，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于ARM和WIFI技術(shù)的心電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主控模塊、心電心率采集模塊、LCD顯示模塊以及通信模塊組成，各模塊具體功能介紹如下。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1)主控模塊：該模塊作為系統(tǒng)的主要控制模塊，能夠有效控制智能終端設(shè)備，通過(guò)WIFI無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸功能，經(jīng)過(guò)分析診斷，通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送至LCD顯示模塊。

2)心電采集模塊：心電采集模塊提供生物電信號(hào)采集的功能，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量心臟的電活動(dòng)信息，并用于心電圖的繪制，幫助發(fā)現(xiàn)各類(lèi)心臟疾病。

3)心率采集模塊：該模塊提供心率采集的功能，通過(guò)將簡(jiǎn)單的光學(xué)心率傳感器與放大和噪聲消除電路結(jié)合，快速簡(jiǎn)便地獲取可靠的脈沖讀數(shù)。

4)LCD顯示模塊：該模塊具備顯示人體心電數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)生成的分析報(bào)告功能，通過(guò)無(wú)線通信協(xié)議連接主控模塊，獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

5)通信模塊：該模塊能夠?qū)в写诘那度胧皆O(shè)備連接到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，保證智能終端設(shè)備以及系統(tǒng)各模塊的有效連接，確保各類(lèi)數(shù)據(jù)的快速傳輸和顯示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

心電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)包括主控模塊、心電采集模塊、心率采集模塊、LCD顯示模塊以及通信模塊。主控模塊負(fù)責(zé)控制智能終端連接系統(tǒng)各模塊；心電心率采集模塊負(fù)責(zé)收集用戶的各類(lèi)心電信號(hào)；LCD顯示模塊負(fù)責(zé)顯示用戶心電數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)分析報(bào)告；通信模塊負(fù)責(zé)連接智能終端及各模塊的無(wú)線通信，保證數(shù)據(jù)的傳輸與顯示。系統(tǒng)總體硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

2.1 主控模塊

主控模塊由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成。為提高該心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的處理速度，增加更多外設(shè)，系統(tǒng)使用ARM處理器，MCU為ST公司的STM32F103VE芯片，Cortex-M3內(nèi)核，處理頻率為72MHz、USB連接器為Micro-B、具有64 kB/128 kB Flash、20 kB RAM、32 kHz實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶體，同時(shí)，電路板頂部帶有ST-LINK接頭，與傳統(tǒng)8位AVR單片機(jī)相比，其性能更加優(yōu)越、處理速度更快、外設(shè)(如ADC、GPIO、USB)數(shù)量更多、成本更低。

2.2 心電采集模塊

由于本系統(tǒng)用于非醫(yī)院場(chǎng)合，要求移動(dòng)性強(qiáng)、體積適當(dāng)，且成本合理，考慮上述因素，該模塊采用AD8232芯片。AD8232作為一款經(jīng)濟(jì)高效的電路板，將帶有一次性電極的ECG傳感器直接連接到用戶胸部，用于測(cè)量心臟的電氣活動(dòng)，把心跳模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，繪制心電圖，并作為模擬數(shù)據(jù)輸出。相比于同類(lèi)芯片，AD8232精巧準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。AD8232儀表放大器參數(shù)及運(yùn)算放大器參數(shù)如表1～2所示。

表1 儀表放大器參數(shù)

表2 運(yùn)算放大器參數(shù)

2.3 心率采集模塊

為提高心率檢測(cè)準(zhǔn)確性、方便用戶使用、降低心率測(cè)量難度，系統(tǒng)使用Pulse Sensor為心率采集模塊。Pulse Sensor上集成的脈搏傳感器Amped可將簡(jiǎn)單的光學(xué)心率傳感器與放大和噪聲消除電路相結(jié)合，以快速便捷地獲取可靠的脈沖讀數(shù)。

2.4 LCD顯示模塊

顯示模塊選用4.3寸的LCD觸摸顯示屏，顯示驅(qū)動(dòng)芯片為SSD1963，是1215k字節(jié)幀緩沖顯示控制器，支持864×480×24位圖形內(nèi)容，支持8位創(chuàng)興RGB接口，可進(jìn)行0,90,180的硬件旋轉(zhuǎn)，帶有背光控制，可與單片機(jī)相連，提供8至32位的單片機(jī)接口和4個(gè)GPIO引腳，內(nèi)置時(shí)鐘發(fā)生器，充分保證相關(guān)數(shù)據(jù)和報(bào)告的顯示效果。

2.5 通信模塊

通信模塊作為連接智能終端以及系統(tǒng)各模塊的主要工具，具有非常重要的作用。本系統(tǒng)使用Simple-Wi-Fi作為通信模塊，其是一種10pcs工業(yè)級(jí)可移動(dòng)串口Wi-Fi模塊。USART作為微芯片，用于控制計(jì)算機(jī)并為其提供RS-232C數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)接口，便于與調(diào)制解調(diào)器和其他串行設(shè)備“數(shù)據(jù)傳輸”并交換數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)傳輸、命令發(fā)送等流程的穩(wěn)定、快速進(jìn)行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

心電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)由上位機(jī)端軟件設(shè)計(jì)、下位機(jī)端軟件設(shè)計(jì)以及心率電波算法實(shí)現(xiàn)三部分組成，本節(jié)將具體介紹三部分內(nèi)容。

圖4 系統(tǒng)程序整體框架圖

3.1 下位機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

心電信號(hào)的采集主要靠STM32處理器處理，并將波形和數(shù)據(jù)在LCD上進(jìn)行顯示。下位機(jī)端軟件設(shè)計(jì)包括GPIO口初始化、LCD初始化以及串口初始化三部分，主要負(fù)責(zé)心電數(shù)據(jù)的采集、加工與顯示等工作。

3.1.1 GPIO口初始化

GPIO端口代表輸入、輸出，由于連接微控制器和其他電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口，允許提供外部電源、連接設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、廣播更多上下文數(shù)據(jù)或定義自定義藍(lán)牙數(shù)據(jù)包。I/O配置過(guò)程為選擇端口、選擇輸入輸出并設(shè)置輸入輸出模式、設(shè)置端口最高速率。

3.1.2 LCD初始化

LCD使用4.3寸高清顯示屏，SSD1963為驅(qū)動(dòng)芯片，支持觸摸功能，LCD控制是掛載在FSMC總線上的，初始化流程如圖5所示。

圖5 LCD初始化流程

3.1.3 串口初始化

串口通信是單片機(jī)與上位機(jī)交互的一種非常常見(jiàn)的方式，本系統(tǒng)使用RS-232串口用來(lái)發(fā)送心電信號(hào)給PC端，串口配置過(guò)程為設(shè)置串口波特率、設(shè)置傳輸位寬和停止位以及校驗(yàn)位、設(shè)置硬件流控制功能、設(shè)置工作方式為接收方式、初始化串行口、打開(kāi)接收和發(fā)送完成中斷。

3.2 上位機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)端軟件設(shè)計(jì)由平臺(tái)選擇以及程序設(shè)計(jì)兩部分組成，本節(jié)將具體介紹。

3.2.1 平臺(tái)選擇

上位機(jī)獲取下位機(jī)發(fā)送的心電信號(hào)必須使用某種數(shù)據(jù)傳輸方式，考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群驮O(shè)備的可擴(kuò)展性，使用USART串口更為合適。上位機(jī)端接收數(shù)據(jù)選擇.NET平臺(tái)，利用WINFORM的SERIALPORT控件，對(duì)USART進(jìn)行配置、打開(kāi)關(guān)閉、數(shù)據(jù)接收以及數(shù)據(jù)發(fā)送。

3.2.2 程序設(shè)計(jì)

該部分主要包括串口數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)和波形顯示程序設(shè)計(jì)兩部分，心電數(shù)據(jù)最直觀的顯示方式是心電圖，其可將人體心電信號(hào)的每個(gè)區(qū)域直觀的顯示出來(lái)，該控件將串口接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、濾波、放大，實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)端的顯示屏上。程序設(shè)計(jì)流程如圖6～7所示。

圖6 數(shù)據(jù)接收程序流程圖

圖7 波形顯示程序流程圖

3.3 心率電波算法實(shí)現(xiàn)

該部分要充分考慮ECG噪聲來(lái)源，并設(shè)計(jì)50HZ陷波濾波器，具體內(nèi)容如下。

ECG噪聲來(lái)源：

ECG信號(hào)由大約0.5 Hz至100 Hz的低頻信號(hào)組成(P波、QRS波群、T波)，此類(lèi)參數(shù)的任意偏差都表明心臟存在異常，因此必須避免如電極接觸噪聲、電源干擾以及肌電噪聲等對(duì)ECG信號(hào)噪聲的干擾，下面對(duì)幾種ECG噪聲進(jìn)行分析。

1)基線漂移：噪聲產(chǎn)生的原因通常為電極皮膚阻抗的變化以及患者運(yùn)動(dòng)、呼吸等活動(dòng)導(dǎo)致的基線漂移。去除該噪聲最簡(jiǎn)單快捷的方法是使用線性不變的高通濾波器并切斷較低頻率的分量。頻率截止的選擇應(yīng)保證ECG信號(hào)不失真，該頻率的選擇取決于最慢心率，在心動(dòng)過(guò)緩期間心率可降至4 bpm，此時(shí)截止頻率為0.67 Hz。由于心率不完全規(guī)律，截止頻率選擇0.5 Hz更為合適。

2)50 Hz陷波濾波器設(shè)計(jì):

ECG噪聲中對(duì)心電圖像干擾最大的是頻率為50 Hz的噪聲，因此需設(shè)計(jì)過(guò)濾50 Hz的濾波器進(jìn)行噪聲過(guò)濾。該濾波器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是使用線性相位濾波器，防止相位失真，進(jìn)而改變心動(dòng)周期的各種波特性。該文在考慮MCU功耗的情況下選用IIR濾波器，對(duì)50 Hz的噪聲進(jìn)行過(guò)濾。該設(shè)計(jì)使用matlab實(shí)現(xiàn)，具體方法為首先設(shè)置IIR濾波器采樣頻率fs=1 000 Hz。其次設(shè)置PHz的正弦信號(hào)f=50。再次設(shè)置時(shí)間長(zhǎng)度為4，采樣間隔為1/fs，ADC采樣頻率為250 Hz。然后使用FDATOOL工具中生成的IIR濾波系數(shù)得出傳遞函數(shù),其中Ni與Di為不同的濾波系數(shù)。最后通過(guò)代碼生成IIR濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)50 Hz噪聲的過(guò)濾。

(1)

響應(yīng)頻率為：

(2)

其中:

g-njw=cos(nw)-jsin(nw)

(3)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，為保證系統(tǒng)能在實(shí)際環(huán)境中應(yīng)用，該文對(duì)系統(tǒng)軟件及智能終端進(jìn)行嚴(yán)格地測(cè)試，以發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)中潛在的問(wèn)題。針對(duì)本系統(tǒng)的測(cè)試內(nèi)容主要為軟件和智能終端測(cè)試，即針對(duì)ECG噪聲濾波器、上位機(jī)以及下位機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

4.1濾波器測(cè)試

本節(jié)具體測(cè)試內(nèi)容是根據(jù)系統(tǒng)需求，生成IIR濾波器系數(shù)，根據(jù)所生成的濾波系數(shù)得到轉(zhuǎn)移函數(shù)，并進(jìn)一步翻譯成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言轉(zhuǎn)錄到主控MCU中運(yùn)行。

4.2 濾波結(jié)果測(cè)試

為保證濾波器具有良好的濾波效果，需設(shè)計(jì)算法提前實(shí)現(xiàn)50 Hz濾波器，用于了解濾波的實(shí)際效果。本次實(shí)驗(yàn)選擇采樣頻率為1 000 Hz，正弦信號(hào)為50，ADC采樣頻率為250 Hz，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，結(jié)果如圖8。

圖8 仿真結(jié)果

4.3 平臺(tái)測(cè)試

上位機(jī)端以Visual Studio2016位編譯環(huán)境，C#為編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)了串口接收數(shù)據(jù)程序和波形顯示程序，通過(guò)MATLAB仿真設(shè)計(jì)了50 Hz陷波濾波器，完成對(duì)心電信號(hào)的濾波處理。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，上位機(jī)可正常工作。

4.4 智能終端測(cè)試

下位機(jī)部分，采集模塊將采集到的心電信號(hào)進(jìn)行傳輸后轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)，通過(guò)算法將數(shù)字信號(hào)濾波、放大，并在LCD上顯示。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，下位機(jī)端可正常工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能化的便攜式醫(yī)療產(chǎn)品逐漸成為醫(yī)療器械領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，智能化心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)也愈加受到人們的青睞。該文根據(jù)當(dāng)前人們對(duì)心臟疾病的關(guān)注以及現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備存在的檢測(cè)數(shù)據(jù)易遺漏、易限制病患活動(dòng)范圍、檢測(cè)成本高及對(duì)部分人群不友好等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于ARM平臺(tái)和WIFI技術(shù)的心電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以模塊化、低功耗、高性能為設(shè)計(jì)原則，首先使用智能終端將所需的心電信號(hào)進(jìn)行采集作為模擬信號(hào)；其次將模擬信號(hào)上傳至平臺(tái)，使用ARM處理器進(jìn)行處理，以提高系統(tǒng)性能、降低能耗、減少開(kāi)發(fā)成本；最后通過(guò)WIFI無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至LCD上，減少通信成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)心電信號(hào)的采集、分析、數(shù)據(jù)傳輸以及波形顯示等功能，能夠適用于不同年齡段和不同身體健康狀況的人群，可有效檢測(cè)出用戶早期的心臟疾病，為用戶提前防治，降低患病率和死亡風(fēng)險(xiǎn)提供幫助。此外，該系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)于便攜式心電檢測(cè)儀的研究開(kāi)發(fā)具有一定借鑒意義。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究過(guò)程中仍存在不足，首先在硬件方面可增加一個(gè)存儲(chǔ)卡以保存用戶信息，便于對(duì)用戶心電信息的二次發(fā)掘；然后在軟件方面可繼續(xù)研究開(kāi)發(fā)一個(gè)智能移動(dòng)端app，便于用戶及時(shí)了解自身心臟健康狀況；最后在通信方面，可在智能終端上增設(shè)有線網(wǎng)口，便于更快地與PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。