曹璐瑩 張艷敏 朱淑芳 郭冰艷

（新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

0 引言

隨著科技的不斷創(chuàng)新， 現(xiàn)代電子測量儀器也快速地向數(shù)字化、自動化的方向發(fā)展。 人們的生活水平逐漸提高的同時,人口老齡化逐漸加劇，青年人所面臨的壓力也日益增大。早在2013 年就由中國疾病死亡人數(shù)統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示， 我國每年發(fā)生心源性猝死的人數(shù)約為54.4 萬人， 相當(dāng)于每分鐘就有1 人發(fā)生心源性猝死?，F(xiàn)如今，發(fā)生心源性猝死的病例每年都在遞增，人數(shù)更為龐大， 而且有心肌梗死繼發(fā)史的高齡老人也急需有效的實(shí)時監(jiān)測及預(yù)警設(shè)備。 如今心率測量技術(shù)也在不停地更新?lián)Q代， 然而這些產(chǎn)品具有較高的成本以及檢測費(fèi)用，且檢測功能相對有限，患者的需求不一定能夠被滿足。大多數(shù)心率計(jì)具有檢測心率、血氧等其他的功能， 但是對這些信號的診斷還需要一些有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生進(jìn)行分析后才能確認(rèn)結(jié)果， 且對于心肌梗死就突發(fā)性、緊急性、嚴(yán)重性、惡性程度而言，能夠及時地監(jiān)測和預(yù)防是非常重要的。因此本文在原有基礎(chǔ)上，融合磁性免疫層析技術(shù)原理和圖像識別技術(shù)， 能夠及時地對心肌梗死做出分析判斷， 該設(shè)計(jì)作為現(xiàn)代電子儀器與醫(yī)學(xué)相結(jié)合的一個重要應(yīng)用課題，具有深遠(yuǎn)意義。

本文以STM32L476 單片機(jī)為控制核心，該系統(tǒng)通過生理信號采集、放大、濾波、A/D 轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)心率的實(shí)時監(jiān)測， 運(yùn)用外觸發(fā)電路啟動采血針的自動彈射功能， 利用圖像識別技術(shù)對磁性免疫層析試紙條的識別，實(shí)現(xiàn)對肌鈣蛋白Ⅰ、肌酸激酶同工酶（CK-MB）和肌紅蛋白三種心臟標(biāo)志物的檢測。 若識別結(jié)果為陽性，則通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，并利用藍(lán)牙將圖像識別結(jié)果傳輸?shù)浇K端。 總體結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分包括生理信號采集、 放大電路、濾波電路、A/D 轉(zhuǎn)換、外觸發(fā)電路、中央處理器等。通過信號采集模塊可對佩戴者的心率、血壓等生理信號進(jìn)行實(shí)時采集，采集的生理信號通過放大電路進(jìn)行放大；濾波電路可以有效提取出人體生理信號，濾除干擾信號；通過A/D 轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)街醒胩幚韱卧?考慮到心梗疾病大多在夜間復(fù)發(fā)，患者無法第一時間選擇是否采用免疫層析試紙條進(jìn)行預(yù)判，本硬件部分加入了外觸發(fā)電路，若用戶5 秒內(nèi)無選擇， 便通過外觸發(fā)電路自動化啟動采血裝置，針頭受傳感器控制從手環(huán)彈出，刺破外層與用戶身體接觸的保護(hù)膜， 采集1~3 mL 微靜脈血液并隨針頭歸位并上流至免疫層析試紙。 系統(tǒng)硬件框見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

圖3 內(nèi)部管腳圖

1.1 微處理器

考慮到本設(shè)備是一種可穿戴式心梗檢測及甄別預(yù)警設(shè)備，而市面上的大部分可穿戴型檢測及甄別預(yù)警設(shè)備都普遍存在著電池容量大、 容納困難的問題，并且需要達(dá)到讀取多種芯片并對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理與傳輸?shù)墓δ堋?為使采集裝置小型輕便，不影響佩戴者的正?；顒?，本文采用STM32L476（芯片的選?。┬酒?，與其他芯片相比，該芯片具有較強(qiáng)的實(shí)時性以及嚴(yán)格的功耗控制，一方面能夠滿足系統(tǒng)低功耗、高性能的要求，另一方面也解決了使用者佩戴不適的問題，滿足了佩戴者對于長時間連續(xù)監(jiān)測以及不影響日?；顒拥男枨蟆?內(nèi)部管腳圖見圖3。

1.2 生理信號采集模塊

由于人體的大多數(shù)生理信號都是非電量信號，例如，體溫、血壓等，這些生理信號非常微弱，其電壓幅值多數(shù)都是微伏級的。 若要采集較完善的生理信息，則要求采集時要有較高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。 本模塊通過利用傳感器，將生理信號轉(zhuǎn)換成可用的輸出電信號。 信號引入電路見圖4。

1.3 放大電路模塊

考慮到大多數(shù)的傳感器所接收到的信號較微弱，并且時常發(fā)生信號被淹沒的現(xiàn)象，因此，將采集的生理信號通過放大電路對信號進(jìn)行放大。 本模塊采用AD797 來進(jìn)行設(shè)計(jì)， 此運(yùn)算放大器具有極低噪聲、低失真的特點(diǎn)，在音頻帶寬上具有低噪聲（0.9 n V/Hz）和低總諧波失真（-120 d B）特性，此外還具有出色的壓擺率（20 V/μs）和增益帶寬（110 MHz），低失真和16位建立時間特性。 放大電路結(jié)構(gòu)見圖5。

圖4 信號引入電路

圖5 放大電路

1.4 濾波電路模塊

對生物醫(yī)學(xué)信號提取的過程中要求該系統(tǒng)具有較高的靈敏度，而提高系統(tǒng)靈敏度的同時，對干擾的靈敏度也間接地進(jìn)行了提高，為解決以上問題，在此模塊中對信號進(jìn)行進(jìn)一步的濾波處理。 本模塊采用八階帶通濾波電路，LTC1562 是一款具有軌至軌輸入和輸出的低噪聲、低失真、連續(xù)時間濾波器，其專為10～150 kHz 的中心頻率而優(yōu)化。 與市面上大多數(shù)的單片式濾波器不同的一點(diǎn)是，該器件不再需要外部時鐘信號。4 個二階濾波器部件是互相獨(dú)立的，它們能夠以任意組合進(jìn)行級聯(lián)。 另外，此濾波器還具有小體積、低成本、重量輕、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，通過八階帶通濾波電路能夠使0.05~100Hz 信號通過，阻礙高頻信號。 濾波電路結(jié)構(gòu)見圖6。

1.5 A/D 轉(zhuǎn)換模塊

生理信號通過信號采集、放大、濾波，此時的信號是模擬量， 而傳輸?shù)接?jì)算機(jī)里的信號必須是數(shù)字量。 通過A/D 轉(zhuǎn)換，可以將模擬的生理信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可讀的數(shù)字信號。 本模塊將濾波后的生理信號經(jīng)N120B 緩沖放大器，送到A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的生理信號通過高速數(shù)字光電耦合器傳送到微處理器。 A/D 轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)見圖7。

1.6 外觸發(fā)電路

當(dāng)患者結(jié)合自身情況發(fā)現(xiàn)有所不適時，本電路可自動觸發(fā)采血裝置。 通過對輸出信號進(jìn)行二極管包絡(luò)檢波，當(dāng)有脈沖信號到來并能過門限時，通過電壓比較器輸出一個TTL 觸發(fā)信號。外觸發(fā)電路進(jìn)行信號采集，針頭受傳感器控制從手環(huán)彈出，刺破外層與用戶身體接觸的保護(hù)膜， 采集1~3 mL 微靜脈血液并隨針頭歸位并上流至磁性免疫層析試紙。 外觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)見圖8。

圖6 濾波電路

圖7 A/D 轉(zhuǎn)換電路

圖8 外觸發(fā)電路

2 圖像識別的實(shí)現(xiàn)

2.1 檢測急性心肌梗死的磁性免疫層析試紙條的介紹

急性心肌梗死是冠狀動脈急性、持續(xù)性缺血缺氧所引起的心肌壞死。 臨床上主要根據(jù)發(fā)生衍變的特征性心電圖以及血清中生物標(biāo)志物的動態(tài)變化來作出正確診斷。目前，除心電圖外，也可采用肌紅蛋白/肌酸激酶同工酶（CK-MB）/心肌鈣蛋白I 的快速診斷試劑，作為快速的輔助診斷，此種方法也廣泛地應(yīng)用于早期的患者自主甄別中。 本文采用MNBs 與捕獲單克隆抗體偶聯(lián)構(gòu)建針對肌鈣蛋白Ⅰ、 肌酸激酶同工酶（CKMB）和肌紅蛋白三種心臟標(biāo)志物的免疫磁性探針，并將包被單克隆抗體固定于硝酸纖維膜上，制備相應(yīng)標(biāo)記物的免疫層析試紙條，最終實(shí)現(xiàn)臨床標(biāo)本心梗三項(xiàng)標(biāo)記物的快速、精確、定量檢測的目的。

2.2 基于深度學(xué)習(xí)的圖像識別技術(shù)介紹

圖像識別技術(shù)就是讓機(jī)器本身能夠像人類一樣具有對圖像表示的內(nèi)容，圖像中物體之間的關(guān)系等要素的理解能力。 傳統(tǒng)的圖像識別主要是用人工的方式對樣本進(jìn)行采集，它通過用人工設(shè)計(jì)提取器來進(jìn)行圖像中特征的提取，還需要具有專業(yè)知識及復(fù)雜的調(diào)參過程,主觀性強(qiáng)，判斷較為復(fù)雜，而且其泛化能力及魯棒性均較差。 與傳統(tǒng)人工設(shè)計(jì)的提取器相比，深度學(xué)習(xí)技術(shù)主要是以數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式來進(jìn)行特征提取的。它通過對大量樣本的學(xué)習(xí)來得到深層的、 數(shù)據(jù)集特定的特征表示，以此改善傳統(tǒng)的圖像識別需要專業(yè)知識和復(fù)雜技術(shù)的問題，也提升了泛化能力,解決了魯棒性差的問題。

2.3 圖像識別的實(shí)現(xiàn)流程

圖像識別的實(shí)現(xiàn)可分為圖像處理和圖像識別兩部分。 圖像預(yù)處理的目的是去除圖像中的無關(guān)信息，突出關(guān)鍵有用信息，主要處理方法有圖像校正、圖像去噪、圖像增強(qiáng)、圖像分割等。 圖像識別則是將圖像處理所得到的圖像來進(jìn)行特征提取和分類。 圖像識別流程如圖9 所示。

2.3.1 數(shù)據(jù)集的采集

筆者隨機(jī)對陰性、陽性及無效性試紙條進(jìn)行多角度的拍攝，以圖片格式為100×100 像素共計(jì)360 張為數(shù)據(jù)集。將數(shù)據(jù)集以9:1 的比例分為訓(xùn)練集和測試集。

2.3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對訓(xùn)練集的數(shù)據(jù)進(jìn)行縮減尺寸， 灰度圖，sobel 算子補(bǔ)全形態(tài)，增加對比度，去噪和二值化等預(yù)處理操作，主要是為了增強(qiáng)檢測目標(biāo)圖像信息，消除數(shù)據(jù)中的無用信息干擾及最大限度地簡化數(shù)據(jù)，以此來提高后期圖像特征提取的精確度，匹配和識別的可靠性。

2.3.3 特征提取

圖9 圖像識別流程框圖

模型的選取會直接影響到識別的效果，因?yàn)樵诖搜芯恐兄恍璺譃殛幮浴㈥栃约盁o效性三類，較為簡單。筆者選擇能夠進(jìn)行自動提取特征且分類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型設(shè)計(jì)有兩個卷積層,兩個池化層，一個全連接層， 最后通過一個softmax 層進(jìn)行結(jié)果的輸出。卷積層對輸入圖像進(jìn)行卷積來提取局部特征。在卷積層進(jìn)行特征提取后， 輸出的特征圖會被傳遞至池化層進(jìn)行對提取的特征進(jìn)行綜合和信息過濾。 最后全連接層等同于傳統(tǒng)黨前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的隱含層，用來對所有的局部特征進(jìn)行匯總。 模型設(shè)計(jì)圖見圖10。 然后將訓(xùn)練集數(shù)據(jù)導(dǎo)入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行調(diào)參、訓(xùn)練及測試。

圖10 特征提取模型設(shè)計(jì)框圖

2.3.4 特征匹配

將訓(xùn)練集數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行模型的評估，后將驗(yàn)證集導(dǎo)入來進(jìn)行精確度的驗(yàn)證，部分模型評估代碼如下。

3 結(jié)語

基于以上研究，本文在結(jié)合磁性免疫試紙快速檢測技術(shù)下，設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)及圖像識別技術(shù)的心肌梗死監(jiān)測及甄別預(yù)警系統(tǒng)，解決了市場上無法精確的檢測發(fā)病問題。 通過對血液中的三項(xiàng)檢測，有效地對心源性猝死及心肌梗死發(fā)作做出預(yù)警， 具有精確、快速等特點(diǎn)。 可廣泛運(yùn)用到臨床醫(yī)學(xué)中，為醫(yī)生及家屬提供病人的準(zhǔn)確心臟信息，有較好的推廣意義。