基于STM32的心电记录分析系统设计

李世光，高正中，刘隆吉，毕博，徐坤山

山东科技大学 电信学院，山东青岛 266510

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课题/研究背景：本课题受山东科技大学2009~2010年度研究生科技创新基金项目（YCA090213）资助。主要为解决现有心电图机和动态心电图仪Holter的心电采集的频率范围（一般为0.5~300Hz，不能对大于300Hz心电信号及过低频信号实现捕捉）较窄问题。

心电信号是人类最早研究并应用于临床医学的生物电信号之一，是生物医学领域的重要研究对象[1]，是诊断心脏系统疾病十分重要的检测依据。

自第一台心电图机问世以来，心电图仪的发展经历了静态心电图仪和动态心电图仪两个重要阶段。静态心电图仪只能记录受检者处于静态时短暂的心电资料，不易发现一过性（偶发性）心率失常和心肌缺血等症状，当受检者在睡眠、体育运动、工作、劳累或情绪激动等状态下出现症状和变化时，无法及时记录当时的心电图形。为解决心电图的动态记录问题，国内外均开发了动态心电图仪（Holter），可以在病人正常工作、生活的情况下，提供心电数据记录，随时捕捉病人在紧张劳累或情绪激动等特殊情况下心脏发生的病变反应[2]。

本文介绍一种高性能、兼具心电图机与Holter功能的智能心电记录分析系统的设计与具体实现。

1 系统整体设计

智能心电记录分析系统包括心电信号实时记录分析装置与计算机软件分析处理系统。系统的结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

心电信号实时记录分析装置主要功能为：在高性能微处理器控制下，通过放置在人体标准导联位置的10个电极，高速实时采集人体心脏跳动时产生的心电信号，经对心电信号的采集、分析与处理，将心电数据存储在内部大容量存储器中；在心电异常情况时可以通过GPRS[3]将异常心电信号发送到监护中心；同时该装置还具有实时与PC机高速USB通讯的功能，通过软件分析系统实时监测12导联的心电信号，即作为一个多通道的实时心电图仪使用。计算机软件分析处理系统负责将通过USB传送来的心电数据进行分析、存储，并实时显示心电波形及异常报警信息。

2 系统设计阐述

智能心电记录分析系统包括：数据采集单元、Cortex-M3处理单元、存储器扩张单元、人机交互单元、数据处理单元、供电单元以及计算机分析系统。

2.1 数据采集单元

数据采集单元包括电极、导联线、过压保护及高频滤波、导联选择、基线调整、前置放大、后级放大等。主要作用是从人体体表提取心电信号，并按照标准导联形式组合，将某一选定导联的心电信号进行放大，同时调整基线位置，滤除干扰信号。

其具体实现电路如图2所示，共有10路独立的心电信号采集电路。

图2 心电信号采集电路图

J1为贴于相应的肢体和胸部位置的ECG电极，采集的心电信号经过双向瞬态抑制二极管Z1构成的TVS保护电路。注意在设计PCB板布局时，尽可能靠近电极的引线位置，以提高其保护的有效性。Z1与D1、D2组成对起搏器等设备产生的瞬时高压脉冲起限幅作用，保护信号处理电路不被损坏。

导联选择电路实现对12导联信号的逻辑组合，产生标准12导联的心电信号。通过电极采集到的10个心电信号，经过威尔逊网络后合成符合国际标准的12导联信号[4]。

放大电路采用微功耗、零漂移、轨对轨输出的仪用放大器。INA333[5]可消除两输入端的共模干扰，而源自肢体导联及胸导联心电信号的电位差通过医用放大器放大。同时，为了更好地抑制共模干扰信号，共模信号将通过运算放大器驱动到受检者的右腿。

基线调整通过微处理器的DAC输出完成，根据12导联的心电信号计算出其基线值，以调整输出信号合适的幅值。

2.2 Cortex-M3处理单元

对于电池供电的便携式仪器，一款功耗低、性能高、集成度高、接口丰富的处理器起着至关重要的作用。在处理器的选型上，系统采用ARM公司最新推出的ARM Cortex系列处理器[6]，它基于ARMv7构架，与ARM7TDMI相比运行速度最多可快35%且代码最大可节省45%。

控制器完成数字滤波等数字信号处理以及对心电信号采集、存储、传输、异常心电信号检测等控制。经过放大后的心电信号通过ARM处理器的模数转换器转换成数字信号，处理器完成对心电信号的数字滤波，滤除50Hz工频干扰、肌电干扰等杂波，并提取出实际心电信号[7]。处理对提取的心电信号进行QRS波群定位、心率计算以及初步的异常诊断。然后，通过USB口分别将各导联的数据发送给PC机。同时，通过实时调整DAC的输出，抵消基线漂移，将基线稳定在曲线可视范围内。高速、低功耗、接口丰富的ARM处理器为系统的高效运行提供了保证。

2.3 存储器扩展单元

系统设计有一片静态RAM存储器，型号为IS61V51216，其存储容量为512M×16位，用于动态心电信号的临时记录、数据处理，对处理后的数据存储在2G容量的NAND FLASH 存储器中，设计的存储器型号为HY27UG088，从而实现对心电信号的实时记录或异常记录功能。

2.4 人机交互单元

人机交互电路设计有按键控制电路与语音提示电路，按键电路采用简易按键结构，对其实施滤波处理，防止误判或动作。在佩戴者感到不适时，可随时按下事件按钮，记录当前时间，便于对异常信号提取和重点分析。

语音提示电路由语音芯片与扬声器构成，采用ISD1700系列语音芯片，完成对语音段的存储，根据不同的工作状态，由微处理器控制其放音，对心电信号异常提示或工作方式进行提示。例如，控制器判断到导联脱落时，系统能够发出语音提示：胸导联V5脱落，请检查导联。方便佩戴者的心电检测与医护工作者检查工作的进行。

2.5 数据通讯单元

通讯接口设计由USB2.0接口实现与PC机的数据通讯。USB接口实现了12Mbps的全速数据通讯，保证了大量数据的高速传输。USB接口不仅实现了数据的高速传输，而且接口简单、通用性强。隔离RS485的设计，满足了PC机与智能心电仪在电气上的隔离，确保受检者的安全。

由于系统采集频率范围宽且采样速度高，实验过程中产生大量的心电数据。每个标准心电信号的测量频率范围达到0.02~1.5kHz，为了实现对高频和超低频心电信号的采集，每秒钟需要传输的数据量达8Mb之多，传统的485通讯已经不能满足如此大数据量的实时传输。除下位机ARM处理系统与PC机处理软件的USB通讯协议[8]处理外，系统使用自行开发的USB设备驱动程序，实现了USB设备与PC机之间的数据传输。

在ARM处理器的基础上扩展GPRS模块，通过SIM卡实现与移动网络接入，以将采集的异常心电信号实时传递到医院监护中心，实现远程实时监控。智能心电记录仪在检测到异常心电时，可通过GPRS主动上传数据到医院的监护中心，便于专家做出及时有效地指导。

2.6 供电单元

智能心电仪主控模块和GPRS数据发送模块由分别由一块锂电池独立供电。通过多组稳压电路产生系统所需的电压。

2.7 计算机分析系统

数据分析部分承担着对心电数据的计算、分析、诊断等任务，实现完整的ST段分析、心率变异性分析以及各通道T波分析等功能。系统采用小波滤除工频干扰其他高频噪声，采用模式识别的方法，建立自适应神经系统，对心电信号进行对照、特征提取和识别分析，提高了分析系统对复杂心律失常的判定。

图3为使用本系统为受检者采集的部分心电信号的波形图。由于完整心电图显示区域较大，仅取肢体导联部分心电信号示意。

图3 ECG数据波形视图

3 结束语

本文根据现有心电图机和动态心电图仪Holter的许多局限性：功能单一，仅完成部分标准导联心电信号的采集；心电采集的频率范围较窄，一般为0.5~300Hz，不能对大于300Hz心电信号及过低频信号实现捕捉；采集和记录的心电信号数据与PC机之间进行回传时，速率较低，同时佩戴者在医院外与监控中心之间的通讯方式较单一等，设计了智能心电记录分析仪，其外形小巧、灵活；功能齐全、性能较高。

[1]李靖,刘知贵,彭桂力,等.心电检测技术及其在远程医疗中的应用[J].传感器与微系统,2008,27(1):1-4.

[2]唐艳,汤井田.应用移动通讯技术设计心电监护系统[J].生物医学工程学杂志,2006,23(5):1130-1133.

[3]王建华.远程医疗系统的研究与实现[J].测控技术,2006,25(11):59-62.

[4]余学飞.医学电子仪器原理与设计[M].广州:华南理工大学出版社,2000:76-100.

[5]Micro-Power (50uA), Zero-Drift, Rail-to-Rail out Instrumentation Amplifier INA333[R].Dallas:Texas Instruments,2008.

[6]ARM Cortex-M3 Processor,THE ARCHITECTURE FOR THE DIGITAL WORLD [EB/OL].(2006-01-01)[2010-03-20].http://www.arm.com/products/processors/cortex-m/cortex-m3.php.

[7]Willis J.Tompkins.生物医学数字信号处理[M].武汉:华中科技大学出版社,2001:36-77.

[8]萧世文,宋延清.USB2.0硬件设计[M].北京:清华大学出版社,2006:5-35.

[9]何史林,等.基于蓝牙技术的生理参数采集系统设计[J].中国医疗设备,2009(4):31-33.

[10]周亮.基于USB2.0的数据采集传输系统及其应用研究[D].重庆大学,2007.