黄一清
（苏州高等职业技术学校（江苏联合职业技术学院苏州分院）电子工程系，江苏苏州，215009）
心血管疾病为影响人类健康的常见疾病，相关研究表示其患病率会随年龄呈现递增。作为无创检查手段，目前心电图检测已成为心血管疾病诊断领域中首要的检测方式，对于常见心律失常、房室病变、心肌梗死等病症有着极为重要的医学参考价值[1]。随着研究的深入，现如今心电检测设备更多地往结构紧凑化、插件模块化、交互灵活化和产品网络化等方向发展[2]。其中产品网络化更是随着无线技术的快速提升步入发展快车道，为远程医疗服务提供可能[3]。本文设计了一款十二导联心电采集系统，在采集人体心电信号的同时能够实现无线传输，具有移动便巧、传输稳定等特点。
系统总体框架如图1 所示，主要涉及按键控制、信号采集、主控模块、通信模块和显示打印用于实现心电信号的采集、处理和显示等。本设计通过标准12 导心电导联线完成心电信号采集，由STM32F401RCT6 构成主控模块、USR-C210 作为无线WiFi 模块。根据信号流向，所采集的信号经导联选择、前置放大、定标设定、滤波处理、基线调整和灵敏选择后送至32 位微控制器，并通过液晶或预定协议组包由WiFi 传输至上位机两种方式进行显示。
图1 系统总体框图
■2.1 主控模块设计
基于微型化、低功耗考虑，本系统采用ST 公司基于ARM Cortex-M4 内核开发的32 位微控制器STM32F401RCT6作为硬件控制、数据处理及信号传输的核心部件。其工作电压为1.7～3.6V，内含基础时钟模块、12 位ADC、16 位/32位计时器以及通信接口外设等。如图2 所示，系统中心电信号由PA0/ADC0 管脚输入，采样率选择512Hz，PB3～PB8管脚用于键控扫描，PB12～PB15 管脚作为步进电机驱动，PC0～PC15 连接3.5 英寸TFT LCD 数据端。
图2 心电采集系统主控及相关电路
■2.2 采集模块设计
心电信号源于心脏活动过程中心肌与神经电活动的综合作用，其呈现信号频率低、随机性强、噪声背景大等特点。心电信号频率范围主要为0.05～100Hz，并多集中在0.05～40Hz 频段[4]。因此信号处理电路设计对于整个心电采集系统显得尤为重要。本系统支持十二导联心电图采集，能完整反映心脏水平面和额面状况。
2.2.1 输入缓冲电路
如图3 所示，所采集的心电信号首先经过输入缓冲电路，该电路由高压保护电路（A1～A9）、高频滤波电路（R1～R9、C1～C9）、低压保护电路（D1～D9）和电压跟随器（U1～U9）构成，其中高压低压保护分别在±75V、±0.7V 左右。
图3 信号处理电路
2.2.2 导联选择电路
导联选择电路主要由U10～U13 4 块CD4051 芯片构成，配合威尔逊网络实现心电导联切换。CD4051 为单端8 通道多路开关，其输出受通道选择输入端（C、B、A）和禁止输入端（INH）控制，前者连接单片机PB0～PB2，后者连接PB10 管脚，在单片机接受导联选择按键命令后通过上述管脚给出相应信号分别送至芯片通道控制端和禁止输入端。本系统中U10、U11 实现标准、加压肢体和V1 导联选择，U12、U13 则实现V2～V6 导联选择。
2.2.3 前置放大电路
本系统由INA118U 实现前置放大，该芯片为美国德州仪器公司生产的低功耗精密仪表放大器，共模抑制比可达110dB，增益，为避免工作于饱和或截止区G 设定为20。定标电路可用于整机增益校准，主要由9014 管、TL431ACD 和可调电阻构成，通过调节VR1 获得1mV 定标信号。
2.2.4 滤波处理电路
2.2.5 增益调节电路
2.2.6 灵敏选择电路
■2.3 通信模块设计
WiFi 是一种基于IEEE802.11 系列协议标准实现的无线通信技术，可实现个人电脑、手持设备等终端无线互联，相较蓝牙等技术具备覆盖范围广、传输距离长等优势[5]。本系统选用USR-C210 实现数据传输，该模块内置低功耗运行机制，支持WiFi@2.4GHz 802.11b/g/n 无线标准，可AP、STA 和AP+STA 三种方式配网，实现UART 转WiFi双向透传功能。系统采用STA 模式TCP-Client 通信，由STM32F401RCT6 单片机通过串口发送AT 指令完成通信模块初始化，其中USR-C210 芯片UART_TX、UART_RX 管脚与单片机PA2/U2_TX、PA3/U2_RX 管脚交叉连接。
■3.1 总体程序设计
心电采集下位机软件系统采用ARM 公司所推的Keil MDK 平台进行开发，主要实现心电数据的模数转换和数字滤波。软件总流程如图4 所示，初始化设备，开机工作后进行键盘扫描，然后采用TIME1 定时器周期启动ADC，每采集10s 开启中断进行滤波用以滤除肌电干扰和低频漂移等，最后将心电波形实时显示于液晶屏。上位机GUI 则使用C#平台编写，主要负责通信监听、协议解析、波形绘制、心率计算和数据存储等，具体流程如图5 所示。
图4 下位机软件流程图
图5 上位机软件流程图
■3.2 主要功能实现
这里重点介绍构建通信连接、波形绘制与心率计算的实现方式。
3.2.1 构建连接实现
首先由服务端开启套接字监听服务，然后根据服务器IP、端口进行连接。
3.2.2 波形绘制与心率计算实现
首先将接收到的原始数据解包并转换为坐标轴点，在C#平台定义画笔，然后循环结构下调用Draw_Graphics.DrawLine（myPen,PointX1,PointY1,PointX2,PointY2）语句完成所有点的图像绘制呈现出连续心电波形。
心率的计算一般选用基于极值的动态自适应阈值法，通过阈值提取进行R 波特征点的标注，根据两次R 波间隔实现心率换算[6]。本系统选择matlab 实现心率计算，利用matlab function 函数将相关代码封装并打包成dll，最后在C#中调用动态链接库。心率计算核心代码如下：
Threshold=(max(wavedata)-min(wavedata))＊0.4+m in(wavedata)；
//R 波峰值阈值设置
[pks,locs]=findpeaks(wavedata,500,"MinPeakDistan ce",0.5,"MinPeakHeight",Threshold);//捕获R 波波峰
Rwave_time=diff(locs);//计算两次R 波间隔时间差
Heart_rate=60/mean(Rwave_time);//计算心率
本系统直接采用220V 交流市电供电，为测试其是否能实时准确采集显示数据功能，选用珺淼JM-203 型心电信号模拟仪产生1mV、100Hz 标准正弦信号以十二导联方式接进心电采集系统，接入方式与心电采集系统ECG 测试点显示波形如图6 所示。按下本系统导联选择按键能正常进行不同导联间切换，灵敏度按下能在“1/2”、“1”、“2”之间转换，定标调节旋钮调节后也能正常产生1mV 标准脉冲波，其他走纸速度、显示方式及波形打印等功能均正常。性能测试方面，通过对输入阻抗、噪声电平、共模抑制比等项目检测，相关结果见表1 显示该心电采集系统性能方面完全达成预期设计目标。
表1 心电采集系统主要性能参数
图6 心电采集系统
将心电采集系统WiFi 端短路，远程接收端PC 搜索并连接到该WiFi，配置WiFi 参数设置WiFi 模式为STA，STA参数包括网络名和密码可通过路由器查询得到。设置完成后进行透传参数设置，将串口参数设定为115200、None、8、1，SocketA 协议选择TCP-Client，服务器地址查询无线网ivp4，设置完毕重启心电采集系统。打开远程接收端上位机软件，心电信号模拟仪输出标准心电信号，此时点击开始监听按键，上位机连接状态显示“服务器开始监听……”，波形绘制区域能实时显示采集端发送过来的心电信息，如图7所示。通过实测本系统心率显示信息和标准平均误差小于1次/分钟，功能上充分实现十二导联心电数据的采集与传输。
图7 上位机界面
近年来心血管疾病备受关注，作为该疾病的常规检查手段之一，心电图检测应用日益广泛。本研究设计了一种基于无线WiFi 的十二导联心电采集系统，综合设计信号采集处理模块、STM32F401RCT6 主控模块、USR-C210 通信模块和显示打印模块等，具有采集速度快、数据准确度高、电路性能稳定等优点，同时可将用户心电采集数据上传至远程接收端用于医学研究和辅助诊断，一定程度上为远程医疗奠定基础。
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