手持心率变异性采集分析系统的设计

李开元，王步青，王卫东

解放军总医院医学工程中心，北京市，100853

0 引言

心率变异性（Heart Rate Variability，HRV），有时也称心率振荡或心律波动，是指连续心跳间R-R间期的微小涨落。产生这种微小涨落的因素包括脑的高级神经活动、中枢神经系统的自发性节律活动、呼吸活动以及由压力、化学感受器传入的心血管反射活动等。影响心率波动的最后通道在于，上述各种因素对心交感神经和迷走神经的综合调节作用的结果。对HRV进行频谱分析得到的高频成分（HF）和低频成分（LF），分别反映了自主神经系统中的副交感神经和交感神经的活性，反映了心脏交感神经和迷走神经活动的紧张性和均衡性，是一种检测自主神经性活动的非侵入性指标[1]。近年来的大量研究已充分肯定了自主神经活动与多种疾病有关系，特别是与某些心血管疾病的死亡率，尤其是猝死率有关。通过ECG变换和处理，来获得心血管系统、自主神经系统等有关信息的内在规律，用以说明人体的生理或病理变化，是HRV分析的实质。目前市场上涉及的心电信号采集或分析处理设备基本包含了心电图机、监护仪、心电记录仪、远程心电监护和便携心电检测仪等，主要功能均为采集并显示（含记录）患者心电信号，并进行波形的病理分析。因此，便携式心电设备也成为目前研究的热点，以超思公司为代表的手持式单导联心电检测仪的面世，将心电测量带入了超小型化和简易化的时代；而国际知名芯片商AD公司和TI公司也相继推出了无需右腿驱动的单导联手持心电测量方案，供研究人员使用。

心率变异性分析产品主要集中在时域参数，如SDNN、r-MMSD等，针对频域特性甚至反映功率谱的较为稀少。在硬件方面，心率变异性分析有的作为心电holter等心电监测系统的附属功能，也有部分专用设备，但体积庞大。在数据采集方式上，大体分为心电信号和血氧饱和度信号。随着心率变异性研究的逐渐深入与临床的紧密结合，心率变异性参数越来越受到研究人员和医生的关注。基于此，本文提出了一种低成本、超便携的心率变异性数据采集装置和上位机软件的设计，具体要求如下：

●心电信号采集装置超小型化；

●计算心率变异性参数，尤其是频域参数，相应具备数据库存储，有出具数据报告等功能；

●超低功耗，低成本，便于临床科室大量配备，用于身体、精神压力的评估，自主神经系统活动性和平衡性的量化，以及临床药物反映的监测等。

1 系统设计

1.1 硬件电路设计

如图1所示，硬件系统为一套依靠双手拇指按触电极进行心电信号采集的微型单导联心电采集装置。双手电极采集的信号经仪表放大器、次级放大及滤波电路调理后[2]，被单片机内集成的模拟数字转换器采样，采样率靠定时器精确控制，本系统设计为250 Hz。仪表放大器选用TI公司的INA332，单片机选用TI公司的MSP430超低功耗系列单片机MSP430F5438，其内部自带FLASH达256KB，足可以存储5-10分钟心电数据，不但简化了电路，也因无需外挂存储器而增加不必要的成本。当患者心电数据采集结束后，可将此设备通过COM-USB芯片SPCP825A连接计算机计算USB口[3]，启动心率变异性计算软件进行数据分析和计算。由于心率变异性参数的计算，尤其是频谱参数计算相对复杂，暂时无法实现单片机内硬件计算，我们将进一步研究使用DSP芯片实现心率变异性的片上计算，并实时在检测仪的液晶屏上显示。出于成本考虑，本文实现的系统仅限于心率变异性分析仪采集数据，上传到电脑分析并显示。

图1 硬件系统框图Fig.1 Block diagram of hardware system

系统采用可充电锂电池作为电源。充电芯片采用ADI公司的ADP2291[4]，输入电压为5 V，可通过开关电源或计算机的USB口取电。电池的输出通过电源管理芯片TPS76033转换为3.3 V，为单片机及模拟电路供电，确保了系统的通用电气安全。

1.2 单片机程序设计

图2 单片机程序设计流程图Fig.2 Flowchart of firmware

图2为拟设定的本课题单片机程序简要流程图，分为两个模块。一为信号采样模块，通过依靠人体阻抗与电路设定的阻抗网络对比来检测是否电极被按触，从而唤醒单片机，启动定时器并按设定采样率（本系统采用250 Hz采样率）进行信号采样。将采样的数据存入片内FLASH，达到5 min数据量[5]或患者手指离开则视为检测结束。FLASH内存储数据的空间前四位留作存储数据长度值。依靠指示灯作为信息反馈的指示。二为与上位机通信模块，依靠UART中断来唤醒单片机，响应上位机发送的指令将数据传递到上位机，由上位机进行HRV计算。

2 软件设计

2.1 HRV计算组件

由于对HRV序列的基于自回归的AR模型的现代谱估计(阶数为11) 要优于基于FFT的周期图法，本系统对提取的5分钟的HRV序列做基于自回归的AR模型的现代谱估计。选用MATLAB中的polyfit多项式拟合函数用最小二乘的曲线拟合算法，拟合各个频段的功率谱曲线，然后用quad8函数实现自适应法的积分运算，得到VLF、LF和HF三个频段的功率。各频段计算参数[6]如下：

将计算函数在MATLAB R2006b(MATLAB 7.3.0)中打包生成com组件，供LabVIEW软件调用。其函数原型为function [TP_5, LF_5, HF_5, SDNN_5,SDNN_51, SDNN_53, HI_RATE_5, LO_RATE_5,MEAN_RATE_5]=HRV(FileName)，其中，函数的输入值为心电数据的路径（文件存储格式为无符号8位二进制数据格式）；函数的返回值（格式：双精度浮点数，8字节）分别为：

5minHRV数据的总功率：TP_5

5minHRV数据的低频功率：LF_5

5minHRV数据的高频功率：HF_5

5minHRV数据的标准差：SDNN_5

5min的前、后1/3HRV数据的标准差：SDNN_51 SDNN_53

5min的平均心率：MEAN_RATE_5

5min的最大心率：HI_RATE_5

5min的最小心率：LO_RATE_5

2.2 上位机软件

测试版上位机软件，采用LabViEW8.2软件编写，图3为程序流程。通过USB口与采集系统通信，发送读取数据命令字“0x01”，获取存储的心电数据。其中前四字节为系统存储的数据长度，根据数据长度显示心电波形，并调用计算组件进行计算相应心率变异性参数值。

图3 上位机软件程序Fig.3 Program for PC

3 结论

低成本、低功耗、便携的心率变异性采集分析系统，为临床诊断、医学研究提供了方便，可以大量配备、大样本采集和集中分析。本文实现的采集系统能够使用少量的芯片采集并存储5 min心电数据。通过自主编写的计算软件，计算并显示心率变异性的各类参数，尤其是频域的参数。目前已完成原理样机的开发和测试软件的设计(图4)。出于成本考虑，没有增加采集装置的显示设备。下一步的开发重点在于增加小型显示屏，并将算法通过单片机或DSP芯片实现。

图4 测试版软件界面Fig.4 Interface of beta software

[1]王步青, 王卫东, 心率变异性分析方法的研究进展[J].北京生物医学工程, 2007, 26(5): 551-554.

[2]Abhishek Joshi, Sourabh Ravindran, Austin Miller.EKG-Based Heart-Rate Monitor Implementation on the LaunchPad Value Line Development Kit Using the MSP430G2452 MCU[EB/OL].www.ti.com, 2011-03

[3]李开元, 胡敏露, 王卫东, 等.USB心电信号采集卡的研制[J].医疗卫生装备, 2006.27(3):25-26.

[4]Analog Devices, Inc.ADP2291 Compact, 1.5 A Linear Charger for Single-Cell Li+ Battery Data Sheet (Rev.A)[EB/OL]. www.analog.com, 2011-05

[5]王步青, 王卫东.心率变异性的研究方法及其对于短时睡眠数据的应用[J].科学技术与工程, 2007, 7(6): 1161-1163, 1179.

[6]王步青.心率变异性及R波奇异性的研究[D].中国人民解放军军医进修学院, 2007