基于STM32的心电监测衬衫的研制

基于STM32的心电监测衬衫的研制

张棚1  ,王昊钧2  ,韩俊豪3

（成都信息工程大学电子工程学院  物理场生物效应及仪器四川省高校重点实验室  四川 成都 610225）

摘  要：心电作为医疗健康中反映人体健康状况的重要参数,是诊断心血管疾病的重要依据。对于有实时心电监测需求的人群来说，可穿戴心电监测设备将是很好的选择。基于此，本论文采用可穿戴式技术，设计了将心电监测与服装相结合的心电监测系统,能够实时采集使用者的心电信号，具有良好的便携性、准确性、舒适性。

关键词：心电信号；心率；衬衫

0 引言

如今心脏疾病病发率极高，但是民众对心脏医疗专业知识了解甚少，病发时更不易被发觉，导致猝死率较高。医院虽然有心电监测仪器，但是病人必须在医院才能够接受全程心电监护，而病人在不病发期间愿意住院的少，所以他们更希望有一种装置让他们可以随时随地让自己的心脏接受全程的监护，并且在心脏发生异样时及时发出警报，让他们停止活动并及时去医院接受治疗。

目前，心电监测仪已有很多团队在研究，但侧重点不一样。本文设计具有心电监护作用的衬衫，融合了医学理论知识、监护设备、信息技术和服装理论知识，是一个交叉领域研究，具有开拓性，能够有效提取穿戴者的心率及心电信号，有极大的医疗指导意义。

1 工作原理

该心电采集衬衫采用电极织物代替常规电极贴片采集心电信号，同时将织物与衬衫融为一体，更具舒适性。心电信号经过电极提取后，进入前端预处理电路，预处理电路主要是进行过压保护、抑制高频干扰等。再由前端预处理电路进入模拟前端芯片ADS1294进行模数转换，经过模数转换的心电信号以比特流的形式通过SPI（串行外设接口）传输至微控制器STM32。在微控制器中，接收到的数据按照ADS1294的通道和数据的对应关系进行解析，然后将数据进行打包后通过蓝牙串口传输至PC端，进行算法处理后提取心率及心电信号。心电监测衬衫工作原理框如图1所示：

图1 整体原理框架示意图

2 硬件设计

2∙1 采集电路设计

信号的采集主要通过TI公司研发的ADS1294芯片完成。通过ADS1294前段采集芯片搭建右腿驱动电路，考虑到心电信号的微弱性以及其它电磁干扰，如50/60Hz的家用电器干扰，会覆盖生物信号，影响监测的准确性。因此设计右腿驱动电路抑制人体承载的50Hz共模干扰，提高共模抑制比。其电路设计原理主要是提取人体左臂、右臂、左腿的导联信号，经过右腿驱动放大器倒相后再施加到右腿上，实现右腿驱动功能。

2∙2供电电路设计

本设计采用TP4054作为锂电池充电管理芯片，满足穿戴式设备小巧的特点，且内部采用了PMOSFET架构，可以在不连接外部检测电阻的情况下，防止反向充电。TP4054可通过充电电流的大小对芯片的温度进行控制，可在温度条件恶劣的环境下使用。

TP4054充电管理电路中放置了一个LED指示灯，在开始充电时，LED灯会常亮，而当充满电时，LED灯会熄灭，其中实现的是从5V电压充到3.7V设备中。

3 软件设计

3.1 心电信号特征参数的提取

心电信号的特征参数的准确提取是心电信号识别分类的关键。采用EMD滤除心电信号干扰，增强心电信号有用成分，使用连续小波变换实现R峰精确检测。利用小波变换和形态学滤波方法消除工频干扰、基线漂移等干扰，采用K-means 聚类算法提取心电信号的QRS波、T波、P波等主要特征点。采用ECG处理算法，其包括 Hear小波变换、模极大值检测(MMPD)和峰值位置修改(PPM)，利用HWT对心电信号分解得到HWT系数，引入 MMPD在HWT系数中定位ECG峰值，而PPM用于校正时移提高波峰检测的准确性。采用 QRS复合波检测方法，用于不同类型的心率失常特征提取。首先通过带通滤波器对ECG信号进行滤波，之后采用 Hilbert 变换和自适应阈值法对QRS波检测，最后实施主成分分析对ECG信号提取 QRS 波，采用MIT-BIH 数据库里的19个不同的心电样本测试该算法。心电信号特征的准确提取直接关系到下一步心电信号的识别分类，因此应注重提取心电特征，在提取心电特征时应当考虑到时频域特征，还有形态学等多方面的特征。

3.2 拟议框架

本设计提出的心率检测技术的方案主要包括两个阶段。

第一阶段：将每1min心电信号按注释文件分类为正常或呼吸暂停情况；然后提取 HRV，并清除异常值；最后基于ANO-VA及MRMR 的特征选择算法从81维特征中进行特征选择获得最佳特征矩阵。

第二阶段：采用五折交叉验证将特征向量划分训练集验证集测试集，采用随机森林作为分类器进行训练与预测。

4.实验测试及分析

目前设备已经完成样机调试，调试发现该设备可以准确采集到心电，可以将微弱的生理信号实现放大和上位机显示；医生可以通过上位机波形查看电极贴是否贴合以及患者心电是否正常。在对心电信号分析可得，其中QRS波细节清晰、信噪比高。为了进一步验证采集数据的准确性，我们把采集到的信号进行了简单滤波处理。如图

2所示拟合后的心率结果更靠近多普勒检测心率结果，表示拟合后的结果更好。通过本系统采集设备采集的心电信号，经过算法处理分析得到最后的拟合心率计算结果，要比单个采集方式的处理结果更优。

图2测试结果图

5.结论

本设计利用一款高增益、低噪声、多通道的的ADS1294设计了一款穿戴式的心电检测系统。该设备可以实现心率、心电信号的采集、滤波放大、储存。能够有效减少去医院使用心电检测仪的麻烦，让患者在家或者工作也能实时监测，掌握自身的身体状况。采集并存储的数据可用于后期的大数据分析，以便更好的了解一些高危并发症的病因及病种，这对临床提早预防和治疗疾病大有裨益。

.参考文献

[1]李珂.穿戴式心电监护设备的低功耗技术研究[D].[硕士学位论文]. 浙江: 浙江大学，2015

[2]Yang W, Yang K, Jiang H, et al. Fetal heart rate monitoring system with mobile internet[C]//2014 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). IEEE, 2014: 443-446.