無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 周 明 潘 健 黃 越

基于Arduino設(shè)計(jì)一套心電檢測(cè)系統(tǒng)。采用ADS1292模塊采集人體心電信號(hào)，采集的信號(hào)經(jīng)卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。利用Q波、R波、S波的波群特征進(jìn)行計(jì)算，以此為依據(jù)對(duì)心律異常進(jìn)行判斷，心律異常蜂鳴器報(bào)警提醒。心電圖和心律檢測(cè)結(jié)果通過(guò)WIFI模塊發(fā)送到手機(jī)APP上顯示，心律異常狀態(tài)APP會(huì)對(duì)用戶(hù)進(jìn)行提醒，整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)θ梭w心電狀況進(jìn)行監(jiān)護(hù)。

隨著我國(guó)人口老齡化以及快節(jié)奏的生活方式，心血管疾病患者人數(shù)居高不下，我國(guó)每年猝死的人中有五分之四的心源性猝死與心律失常有關(guān)。心電圖是心臟周期性變化所產(chǎn)生的電流變化，通過(guò)連續(xù)曲線的形式記錄下來(lái)，是診斷心血管疾病的一個(gè)重要依據(jù)。本文采用ADS1292模塊，結(jié)合Arduino開(kāi)發(fā)板和WIFI模塊設(shè)計(jì)一款心電檢測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要有主控模塊、心電檢測(cè)模塊、WIFI模塊、安卓APP和顯示模塊組成，心電檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

主控模塊：主控模塊主要由Arduino開(kāi)發(fā)板構(gòu)成，負(fù)責(zé)心電信息采集，并對(duì)心電數(shù)據(jù)進(jìn)行解析分析和計(jì)算得到心電圖數(shù)據(jù)，主控模塊負(fù)責(zé)通過(guò)串口將這些信息發(fā)送給本地的OLED液晶屏顯示，同時(shí)通過(guò)WIFI模塊傳給手機(jī)端顯示，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)不正常，例如發(fā)現(xiàn)心律不齊等情況，蜂鳴器將會(huì)報(bào)警提醒。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 心電檢測(cè)位置示意圖

心電檢測(cè)模塊：采用ADS1292模塊獲取人體的心電數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)傳送給主控模塊處理。

WIFI模塊：將主控模塊處理后的心電數(shù)據(jù)上傳手機(jī)app顯示。WIFI模塊需要燒錄對(duì)應(yīng)版本的固件后，就可以通過(guò)Arduino開(kāi)發(fā)板串口輸出建立網(wǎng)絡(luò)的AT指令，從而建立網(wǎng)絡(luò)，與手機(jī)建立通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)APP。

手機(jī)APP接收到心電數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后，顯示出心電圖和診斷結(jié)果，用戶(hù)可以查看歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自己的心電狀態(tài)。

2 數(shù)據(jù)采集

心電檢測(cè)選用的ADS1292模塊，是采用德州儀器（TI）的ADS1292R芯片設(shè)計(jì)的，是多通道同步采樣24位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它具有內(nèi)置可編程增益放大器(PGA)、內(nèi)部基準(zhǔn)與板載振蕩器，低功耗，成本低，使用方便。

正常人的心電圖一般有5個(gè)波，分別為P、Q、R、S、T波。P波：指的是心房開(kāi)始收縮，即第0s；Q波：指的是心室開(kāi)始收縮，即第0.1s；R波：指的是心室收縮到了最大，即大約第0.25s；S波：指的是心室結(jié)束收縮，即第0.4s結(jié)束；T波：指的是心室開(kāi)始舒張，即第0.5s開(kāi)始。

如圖2所示，心電測(cè)量位置可以三點(diǎn)靠近貼在左胸，也可以參照全導(dǎo)聯(lián)心電圖LA：左鎖骨下；RA：右鎖骨下；RL：右腹部下。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 心電檢測(cè)模塊數(shù)據(jù)處理

心電圖是呈周期性的，其中Q波、R波、S波的特征最顯著，是心律異常診斷的重要依據(jù)。通過(guò)對(duì)Q波、R波、S波的“寬與窄”、“快與慢”等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以對(duì)一些常見(jiàn)的心律異常進(jìn)行診斷。

先把所有心電信號(hào)值存入數(shù)組bo[110]，再分析數(shù)組每一個(gè)值的變化，得到變化波動(dòng)較大且異于平均波動(dòng)的一次波動(dòng)，記為R波，使用while()循環(huán)來(lái)獲取遞增和遞減的第一個(gè)值和最后一個(gè)值，記為Q波和S波。同時(shí)函數(shù)millis()記錄每次R波和S波出現(xiàn)的時(shí)間，相減即可獲取R、S兩點(diǎn)的時(shí)間間隔。之后在心電圖上標(biāo)注Q、R、S三點(diǎn)，得到R、S兩點(diǎn)的時(shí)間間隔。心電檢測(cè)模塊還可以分析計(jì)算使用者的心律，且心律測(cè)量相對(duì)精準(zhǔn)，其誤差不大于5%。該模塊在心律不齊時(shí)蜂鳴器會(huì)報(bào)警提醒。心電檢測(cè)流程圖如圖3所示。

圖3 心電檢測(cè)流程圖

圖4 卡爾曼濾波算法流程圖

3.2 波形優(yōu)化處理

在采集心電信號(hào)期間，會(huì)受到多種噪音干擾，心電信號(hào)采集過(guò)程中產(chǎn)生的主要影響是工頻干擾和基線漂移，為了確保后面對(duì)心電信號(hào)特征點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)的準(zhǔn)確性，需要將檢測(cè)到的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，去掉工頻干擾和基線漂移的影響，使檢測(cè)效果達(dá)到最優(yōu)。

將心電檢測(cè)模塊得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到OLED顯示屏上進(jìn)行顯示，發(fā)現(xiàn)工頻干擾表現(xiàn)在心電圖像上的“毛刺”，基線漂移表現(xiàn)為整個(gè)心電曲線呈現(xiàn)出似正弦曲線的波動(dòng)曲線，使心電圖中等電位線的幅值產(chǎn)生誤差，本文采用卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使心電信號(hào)更加平滑，心電波形保持在同一基線上，處理后的波形顯示如圖4所示。

3.3 卡爾曼濾波算法

卡爾曼濾波器是一個(gè)最優(yōu)化回歸數(shù)據(jù)處理算法?？柭鼮V波器處理的是隨機(jī)信號(hào)，其算法的核心思想是先建立信號(hào)與噪聲的狀態(tài)空間模型，然后根據(jù)此刻的“檢測(cè)值”與上一刻的“預(yù)測(cè)值”和“誤差”，計(jì)算出當(dāng)前的最優(yōu)值和下一刻的“預(yù)測(cè)值”。其中的“誤差”是獨(dú)立存在的，分為預(yù)測(cè)誤差和測(cè)量誤差，不受測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

濾波就是在諸多信號(hào)中提取出需要的信號(hào)，這個(gè)過(guò)程既可以通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，卡爾曼濾波屬于軟件濾波。

運(yùn)用卡爾曼濾波算法，首先建立離散控制過(guò)程的系統(tǒng)模型。由K-1時(shí)刻到K時(shí)刻的系統(tǒng)預(yù)測(cè)方程為：X(k)=AX(k-1)+B U(k)+W(k)

系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)方程：Z(k)=H X(k)+V(k)

在上述兩式子中，X(k)是k時(shí)刻該系統(tǒng)的狀態(tài)，U(k)是k時(shí)刻系統(tǒng)輸入量。A是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，B是輸入增益矩陣。Z(k)是k時(shí)刻的測(cè)量值，H是系統(tǒng)的測(cè)量矩陣，W(k)均值為0，協(xié)方差矩陣為Q，且服從正態(tài)分布的過(guò)程噪聲，V(k)均值為0，協(xié)方差矩陣為R，且服從正態(tài)分布的測(cè)量噪聲。滿(mǎn)足上面的條件，卡爾曼濾波器是最佳的信息處理器。

4 心電檢測(cè)系統(tǒng)功能測(cè)試

心電檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作完成，心電檢測(cè)使用ADS1292心電模塊，耳機(jī)口導(dǎo)聯(lián)線線序按照紅色RL，黃色LA，綠色RA連接于SKX-2000心電信號(hào)模擬儀器。首先獲取心電信號(hào)值，計(jì)算心率，分析獲取其中Q,R,S波，計(jì)算R,S波之間的時(shí)間，記錄R波出現(xiàn)時(shí)間，捕獲出現(xiàn)心率不齊現(xiàn)象，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。手機(jī)APP上可以實(shí)時(shí)顯示心電信號(hào)。將心電檢測(cè)系統(tǒng)連接上位機(jī)測(cè)試，顯示效果如圖5所示。

結(jié)束語(yǔ)：本文系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人體心電信號(hào)的檢測(cè)及顯示，可以根據(jù)心電圖分析被測(cè)者的心律是否正常，異常進(jìn)行報(bào)警提醒，具有響應(yīng)速度快、使用方便、成本低等特點(diǎn)，可以為用戶(hù)心電檢測(cè)或醫(yī)療機(jī)構(gòu)心電監(jiān)護(hù)提供幫助。隨著心血管疾病發(fā)病率的不斷上升，心電圖檢測(cè)儀器也正向多通道、新型記錄方式、數(shù)字智能型、網(wǎng)絡(luò)共享型等方向發(fā)展，我國(guó)新型的心電圖機(jī)也將運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)不斷提高工作效率并加快描記時(shí)效性，這都將明顯提高心血管疾病診斷的準(zhǔn)確性。

圖5 上位機(jī)心電信號(hào)顯示