一种单导联心电检测前端设计

一种单导联心电检测前端设计

蔡玉金、张博、焦继岚、赵喆、王慧泉

天津工业大学电气与电子工程学院

摘要
随着人们对健康的重视，智能化医疗设备作为一种辅助检测工具，有助于对老人、小孩、军人等各类人群的生理参数进行实时检测和分析。本单导联心电检测前端设计通过结合单导心电及WIFI传输技术，将采集的心电信号和心率信号实时传输到云平台或手机APP，供医生及时查看和辅助诊断，从而进一步实现心血管疾病预防和诊断的家庭化、便携化，降低医疗诊断、治疗和监护的成本。其设计在保留传统心电检测功能的基础上增加了心电数据传输功能，并可根据心电图计算出心率，对患者进行高质量的实时心脏监护，未来还可以通过心电大数据的深度学习来实现智能诊断功能。

关键词：心电检测、单导联、无线传输、心脏监护、可穿戴设备、实时检测

中图分类号：TN806

引言

受新冠疫情的启发，为了便于医生快速获取患者的心电、心率信息，也方便人们家用检测，本项目通过单导心电和WIFI传输技术，采用FFT滤波、中值滤波去除基线，得到准确可靠的心电波形数据，并将心电信号实时传输到云平台或手机APP，供医生即刻查看和辅助诊断，对患者进行高质量的实时心脏监护，从而降低疾病突发风险，提高病情管控效率。本设计在保留传统心电检测功能的基础上增加了心电数据传输功能，并可根据心电图计算出准确的心率，同时保存心电数据文件，可以对心电检测历史进行回放以及后期的诊断处理。

1系统硬件设计

一种单导联心电检测前端包括心电采集模块、WIFI模块、电源模块、单片机处理模块。心电采集模块用到的芯片为ADS1292，和单片机之间采用SPI进行通信。WIFI模块和单片机之间采用串口通信。整体硬件设计图如图1所示。

图1 整体硬件框图

1.1心电采集模块设计

本系统采用TI公司生产的用于生物电势测量的模拟前端ADS1292，该芯片低功耗，具有24位双通道采集，32引脚，TQFP封装。ADS1292每通道功率仅335W,内置有右腿驱动放大器、持续断线检测和测试信号，并且拥有非常灵活的断电以及待机模式。主要应用在医疗仪器测量和高精度、同步、多通道信号采集，符合本系统对心电信号采集的要求。传统的通信协议包括UART、I2C、SPI等等。心电采集模块和单片机模块之间采用SPI通信的方式，原因在于全双工的SPI通信协议比比I2C通信传输速度更快，相比于需要使用上拉电阻的I2C，SPI通信的抗干扰能力更强。

心电采集模块电路如图2所示。

图2 心电采集模块电路图

1.2电源模块设计

本系统采用的电源管理模块采用LM27761 低噪声稳压开关电容器电压逆变器，该芯片可针对2.7V-5.5V范围内的输入电压，使用四个低成本电容器，可以提供高达250mA的输出电流，提供可调节的超低噪声输出，该性能可以很好的应用到心电采集电路中。LM27761的工作电流仅为 370µA，并且关断电流典型值为7µA，因此在驱动功率放大器、DAC偏置电源轨以及其他大电流、低噪声电压应用时，可提供理想的性能，适用于各种便携式的智能设备，符合本系统单导设计。电源模块的具体电路图3所示。

图3 电源模块电路图

1.3主控芯片设计

本系统采用的是意法半导体公司高性能的32位STM32F413VHT6单片机，其工作电源电压为1.7V-3.6V，拥有高达1.5 MB Flash以及320 KB的SRAM。具有I2C、SPI、USART、USB等高达17种数据接口，方便使用，同时也满足与心电采集模块和WIFI模块的通信，符合该系统的设计需求。单片机的具体引脚连接如图4所示。

图4 STM32F413VHT6电路原理图

1.4 WIFI模块

ESP8266是一款超低功耗的UART-WIFI透传模块，支持无线B/G/N标准、内置TCP/IP协议栈，支持STA/AP/STA+AP三种工作模式和多路TCP Client连接，并且具有丰富的AT指令、UART/GPI0数据通信接口以及内置32位MCU，可兼作应用处理器。ESP8266封装方式多样，天线可支持板载PCB天线，因此ESP8266可广泛应用于智能交通、智能家具、手持设备等领域，符合便携式设备的需求。WIFI模块具体引脚连接如图5所示。

图5 WIFI模块原理图

2系统软件设计

本系统软件设计分为两大部分：主控制器和WIFI芯片各自的软件设计。软件框图如图6所示。本系统程序采用 C 语言编写，系统软件工作顺序为：从单导联电极采集到的心电信号经单导心电检测电路处理后由WIFI模块将结果传至手机 APP，就此完成心电的采集、处理和低功耗WIFI传输。

如图7所示，单导联心电检测前端系统的软件流程如下。

图6 系统软件流程图

WIFI模块在接收到 STM32使用 USART 接口发送的心电、心率数据后，通过低功耗WIFI协议将信号无线传输到终端设备，实现患者心电的实时监听。在本系统中，WIFI模块应工作在从模式，基于TCP协议与手机建立通讯连接，WIFI设备之间的数据传输主要分为五个步骤：打开WIFI，搜索网络，建立连接，数据传输，断开连接，其流程图如图7所示。

图7 WIFI无线传输设计

2.1采集信号噪声的处理

在心电信号采集的过程中，受到的干扰主要为：由人体肌肉收缩引起的肌电干扰，该干扰是心电信号峰值的10%左右，其频率在10-1000Hz内波动，一般是为无规则波形；由呼吸引起的心电基线漂移和幅值的变化，基线漂移能够引起心电信号幅值产生15% 左右的变化，频率范围是0.15Hz-0.3Hz，波形类似于正弦曲线；测量电极接触和电极晃动噪声；工频干扰以及电子设备引起的噪声。

本设计利用傅立叶变换进行滤波，主要去除肌电干扰、电极晃动噪声和工频干扰等噪声。傅立叶变换将信号从时域变换到频域的, 在信号处理、语音处理和图像处理等领域极为重要重要。快速傅立叶变换又称FFT，是实现普通离散傅立叶变换的一种快速算法，它也是DSP领域中一项重大的突破。利用FFT快速算法对输入信号进行离散傅立叶变换,分析输入信号的频谱,然后根据所期望的频率特性进行滤波,再利用傅立叶反变换恢复出原始的时域信号。为了抑制对心电信号影响较大的工频干扰和基线漂移,我们需要滤除50Hz的工频干扰和0.5Hz以下的低频。同时为抑制高频噪声和50Hz的倍频造成的干扰，又滤除了100Hz以上的频率。

本设计利用中值滤波去除基线漂移，心电信号的基线漂移成分主要在1Hz以下。中值滤波法是最常见的去除基线漂移的方法之一，其优点为算法简单、实现灵活。中值滤波是对一段信号，选取一段长度为N的数据，对此段数据进行大小排序，随后取中间一点的值作为这一点的值，对整段信号都进行以上相同的处理方法，就得到了心电信号的漂移成分，最后用原始信号减去漂移成分就是去除基线漂移后的信号。

2.2 心率测定算法

经过上文中FFT滤波、去基线后的心电数据基本符合正常的心电波形数据，以此可以进行心率的计算。

心率是即心脏跳动的次数，在得到的心电图中最容易计算出心率的就是R波，每出现一次R波，就认为心跳一次。据此，在具体算法中，在R波的上升期位置放置一个Flag，以记录一次心跳的到来，在R波的峰值之后即R波下降期再放置一个Flag，两个Flag之间即为一次心跳，此时记录一次。当已有两个Flag时，就清除掉所有的Flag，并且立刻等下一个R波上升期的到来。限定一段短时间的间隔，按此方法循环，就可以得到小时间间隔内的心跳次数，即可得到心率：

3实验结果及分析

单导联心电检测设备属于医疗器械产品范围，所以在测试过程中需要按照《医用电气设备的通用安全要求》对本系统进行测试。《医用电气设备的通用安全要求》对于环境参数的具体要求和针对本单导联心电检测设备的测试要求如表1所示。对单导联心电检测设备的测试分为两个部分，分别是单导联心电检测设备性能测试和单导联心电检测设备波形测试。

表1 医用电气设备通用安全要求规定参数及实验参数对照表

环境要求均满足《医用电气设备的通用安全要求》规定参数，可以对单导联心电检测设备进行下一步测试。

标准心电波形如图8所示，人体正常心率范围为50bpm~90pm之间，该单导联心电检测设备的心率检测范围为40bpm~250bpm，结果符合心率的检测范围要求。对导联电流的大小进行测试,导联电流最大值小于1A,满足医疗设备的安全电流要求。在导联上施加l V的工频电压，持续时间1.5s，当去除此过载电压以后,波形轨迹恢复到显示记录宽度内的时间小于3秒，符合测试要求。

图8 标准心电波形

将单导联心电检测设备于导联电极进行连接，成功运行并开始采集数据，通过WIFI连接输出发送到手机端。

手机APP对心电波形进行显示。最终得到心电波形如图9所示。

图9 实验检测心电波形

通过对比图8和图9可以看出，实验测试得到的心电波形周期以及各特征点能很好的对应,说明该单导心电电路所采集的心电是初步有效的,可以满足临时、突发性心电信号采集的需求。

4总结

本文阐述了一种基于ADS1292的单导联心电检测系统前端设计及实现的方法和过程。该系统采集的心电信号几个特征波较为明显，并且干扰小，相比其他便携式心电监护系统，也不容易发生基线漂移的现象。采用FFT滤波、中值滤波去除基线的办法，得到的波形更加稳定平滑，检测正确率高。另外，电路集成化后体积对比同类型产品更加小巧，同时检测系统功耗非常小，对心电监测的应用环境拓展和相关产品便携化有良好的促进作用。

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