基于STM32便携式心电图仪的设计

陈爽+姜帅臣+张晨

摘 要：心脏病已经成为危害人类健康常见的疾病之一。心电图是诊断心脏病的重要依据，而传统心电图仪体积较大，价格较高，需专业操作，不易于实时监测，便携式心电图仪逐渐成为医学界市场的主流。文中设计了一款以STM32微处理器为系统核心的居家便携式心电图仪。系统采用LCD触摸屏输入及显示，支持向量机算法对采集到的心电信号自动诊断，并带有SD卡存储模块及打印机模块，可将心电图数据存储并打印。对系统进行仿真测试，可实现文中要求的各项功能。

关键词：心电信号；便携式；自动诊断；触摸屏显示

中图分类号：TF325.69 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）09-00-03

0 引 言

心血管病作为危害人类健康的“杀手”，是全球医学界的难题[1，2]。因此，如何预防心血管疾病，并将其危害降到最小，是医学界和普通百姓普遍关注的问题，而心电图是检查心脏病的重要参考依据[3]。本文设计了一款家用便携式心电图仪，具有可靠性高、稳定性强、功耗低、操作简便等优点。

1 便携式心电图仪介绍

1.1 心电导联

人体体表与电极和心电图仪的连接称为导联。根据美国心脏联合会（American Heart Association，AHA）规定的心电图仪的国际标准十二导联体系，需于人体体表同时放置10个电极，分别为左臂（LA）、右臂（RA）、左腿（LL）、右腿（RL）以及胸部六个胸壁导联（从左至右分别为V1～V6）。

1.2 功能介绍

便携式心电图仪将心电信号的放大分为两级[4]，采用模拟滤波器与数字滤波器相结合的方法对心电信号进行去噪处理，去除了使用单一滤波器的局限性；将处理后的心电信号与自动诊断模块内的标准心电波形进行比对，得出结论，打印输出结果并自动存储到SD卡内，以做数据备份。便携式心电图仪的功能结构如图1所示。

2 便携式心电图仪的硬件选型设计

2.1 微处理器选型

本设计选用微处理器STM32F103[5]。该微处理器内部集成64 KB的RAM和512 KB的Flash，72 MHz的工作时钟处理速度快。支持JTAG和SWD下载调试，包含80个双向I/O端口、4个通用定时器、一个24位系统时间定时器以及两个12位ADC以及IIC、USART、USB、SPI等多个通信端口。生产厂家把芯片内核和外部设备封装成标准库函数，以提供便捷的开发固件库[6]，省掉底层硬件描述大大缩短了软件系统的开发时间。

图1 便携式心电图仪功能结构图

2.2 系统模拟电路设计

2.2.1 前置放大电路设计

前置放大电路采用放大倍数为10的AD623放大器[7]，完成对心电信号的第一级放大。心电信号的峰值为0.01mV～5mV，典型值为1 mV，十分微弱，但是输入电压最低为1 V，需要对心电信号放大1 000倍左右，还要将共模抑制比控制在80 dB以上，如果前置放大电路放大倍数过大，使得增益变高，则共模抑制比下降，因此对采集到的心电信号的放大采用分级放大的方法。AD623放大器电路图如图2所示。

图2 AD623放大器电路图

2.2.2 右腿驱动电路设计

右腿驱动电路设计相当于接地设计[8]，主要为了防止人体发生意外。选用OP07运算放大器。该放大器是一种低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，适用于高增益的测量设备。

2.2.3 后级放大电路设计

后级放大电路使用AD623放大器，采用两级放大方式，第一级放大6倍，第二级放大通过电路中的滑动变阻器调节以实现最佳增益输出。

2.2.4 带通滤波电路设计

带通滤波器主要去除心电信号中高于100 Hz的噪声，高通滤波器和低通滤波器相结合组成带通滤波电路。高通滤波器采用一阶巴特沃斯滤波器（RC有源）去除心电信号中的直流和低频分量、基线漂移和由呼吸电极移位所造成的电极移位接触噪声。低通滤波器采用MAX275模拟有源滤波器，去除心电信号中的部分50 Hz工频干扰以及肌电干扰[9]噪声。

2.2.5 提升电平电路设计

本设计采用差分输入放大电路，将输入信号反向后与正输入端电压相加，正输入端电压可通过滑动变阻器进行调节，最终提升心电信号电平。A/D转换的输入电压范围为0～3.3V，在前置放大电路和后级放大电路设计中已经对心电信号实现1000倍左右的放大，放大后的心电信号电压大概为-0.5V～1.5 V，而A/D转换模块要求全部为正电压，所以需要添加一个直流分量，使心电信号为正电压。

2.3 系统数字电路设计

2.3.1 数字滤波器设计

本文采用固定频率的数字滤波器[10]，在频带50 Hz附近形成阻带，阻带宽度根据要求精度而定。相对于模拟滤波器，数字滤波器对心电信号中基线漂移的低频成分低于0.5 Hz、50 Hz的工频干扰[11]以及其他谐波干扰有更好的消除效果。数字滤波器选用FIR滤波器，该滤波器具有严格的线性相位和稳定性，符合心电信号对数字滤波器的要求。

2.3.2 SD卡存储模块设计

便携式心电图仪采用SD卡[12]对处理后的心电信号进行存储。SD卡存储模式为SPI模式，接口简单通用。

2.3.3 电源模块设计

电源模块选用LM7803稳压器和Maxim公司生产的ICL7660s。LM7803相当于小功率电压源，可以实现5 V电压到3.3 V电压的转换；内部有限流和过热保护电路，不需要外接电阻和电容；输出电压比较稳定。ICL7660s是小功率极性反转电源转换器，主要为系统提供负电压。

2.3.4 LCD显示模块设计

LCD显示模块采用台湾AMT公司生产的AMT9502四线电阻式触摸屏[13]，显示效果佳、耗电量低，尺寸为5.7英寸，分辨率为1 024×768，显示颜色为全彩，同时显示12道心电波形，满足心电波形和用户基本情况的显示要求。

2.3.5 打印机模块设计

打印机模块采用高分辨热敏打印机对心电波形进行输出，将其与微处理器中的USART接口相连，以实现打印功能。

3 便携式心电图仪软件模块设计

本系统在软件设计部分使用Keil MDK-ARM软件。该软件为基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9处理器设备提供了一个完整的开发环境，具有灵活的窗口管理、允许自动设置启动等特点，且集成了强大的模拟仿真设备，能够满足大多数苛刻的嵌入式开发应用需求。

3.1 A/D模块软件设计

将A/D配置成序列通道重复转换模式，实现对心电信号的模数转换。由芯片内部的定时器决定对心电信号的采样频率，A/D转换后，通过设置标志位表示A/D转换完成。

3.2 自动诊断模块软件设计

自动诊断模块以美国麻省理工学院提供的研究心律失常的MIT-BIH数据库为基础，采用与诊断算法相结合的方法实现。

MIT-BIH数据库具有节省文件长度和存储空间的优点。本设计将建立在统计学理论基础上的支持向量机（SVM）算法运用到心脏病的辅助诊断中。首先对原始心电信号进行预处理和特征提取，选取径向基核函数的分类器进行分类，通过网络法寻优得到最优的核函数和惩罚因子，使分类器达到最高的分类准确率。这种方法适用于小样本心脏病检查。

4 仿真测试

通过对硬件部分的设计以及对该硬件电路进行仿真测试，该电路输出的心电信号符合心电图仪对于心电信号的要求。对两级放大器进行测试，测试结果如表1所列。

5 结 语

本文以STM32作为微处理器，采用模块化设计、汇编语言与C语言交叉编程相结合的方法，完成了对便携式心电图仪的硬件设计、软件设计及测试，该便携式心电图仪符合医药行业中关于心电监护仪的基本要求。与市面上同类产品相比，文中设计的心电图仪具有价格低廉、精确度高以及体积较小易于携带的优势。

参考文献

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