陳穎昭 ，高躍明 ，甘振華 ，李仁貴 ，李秀翔 ，杜 民

（1.福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350000；2.福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350000；3.福建省醫(yī)療器械和醫(yī)藥技術(shù)重點實驗室，福建 福州 350000)

心電信號反映心臟興奮的電活動過程，它對心臟基本功能及其病理研究具有重要的參考價值。由于心臟類疾病具有長期性和突發(fā)性，要及時、準(zhǔn)確掌握患者的第一手資料僅靠患者到醫(yī)院做一次或幾次心電圖是不夠的[1]。因此，家用心電檢測儀對心臟類疾病的自我預(yù)警和輔助治療具有重要的臨床價值和廣闊的市場前景[2]。

目前，臨床上廣泛使用的 Holter（動態(tài)心電圖機）成本高，不適合在家庭長期使用?，F(xiàn)有家用心電檢測儀大多采用普通單片機，只能實現(xiàn)對心電信號的采集和顯示，進而通過上位機對心電信號進行分析[3]，難以對心電信號進行實時的處理和分析，因此研發(fā)一種可實時處理、適用于社區(qū)醫(yī)院和家庭保健的便攜式心電檢測儀具有重要的現(xiàn)實意義。

本心電檢測儀以意法半導(dǎo)體公司的STM32作為控制核心，系統(tǒng)硬件電路由預(yù)處理模塊和核心處理器模塊組成，能準(zhǔn)確提取人體體表的心電信號。在程序設(shè)計上采用了模塊化方法，實現(xiàn)了良好的移植性，可實現(xiàn)對心電信號動態(tài)顯示并進行數(shù)據(jù)分析。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想，由預(yù)處理模塊、數(shù)字處理及分析模塊和存儲模塊3部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 預(yù)處理模塊設(shè)計

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

心電信號的特點主要有：(1)微弱性，幅值一般只有0.01 mV～5 mV；(2)低頻特性，其頻譜范圍一般為 0.05 Hz～100 Hz；(3)高阻抗特性；(4)易受干擾，這些干擾主要有低頻的基線干擾、高頻的肌電干擾和50 Hz的工頻干擾[4]。根據(jù)心電信號以上特點，要求預(yù)處理模塊具備以下幾個特性：(1)高增益，增益一般為 800～1 000倍。為了抑制零點漂移和提高共模抑制比，電路分兩級實現(xiàn)，前置放大器的增益不能太高；(2)高輸入阻抗；(3)高共模抑制比；⑷低噪聲電平。

預(yù)處理模塊電路部分包括心電電極、右腿驅(qū)動電路、前置放大電路、高通濾波電路、主放大電路、低頻濾波電路、50 Hz陷波電路以及電平抬升電路等幾部分。預(yù)處理模塊框圖如圖2所示。

預(yù)處理模塊的性能參數(shù)如表1所示。

1.2 數(shù)字處理及分析模塊設(shè)計

數(shù)字處理及分析模塊的主要功能是對預(yù)處理模塊送進來的模擬信號依次進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、心電信號特征點的檢測以及心電信號的分析和顯示。

圖2 預(yù)處理模塊框圖

1.2.1 心率計算

系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)緩存區(qū)內(nèi)的心電數(shù)據(jù)進行分析，計算出檢測者的實時心率和平均心率。通過6 s的心電數(shù)據(jù)即可計算出實時心率，再對10組實時心率取平均值，就可得到平均心率。實時心率由下式得到：

表1 預(yù)處理模塊的性能參數(shù)

其中，F(xiàn)s表示采樣頻率(為 200 Hz)，meanR_R為 6 s內(nèi)的平均R-R間距。

由實時心率的計算式(1)可知，要得到準(zhǔn)確的心率值，就必須得到準(zhǔn)確的R-R間距，即R波的檢出率要高。閾值分為固定閾值和動態(tài)閾值[5]。固定閾值可能會由于高P、T波的存在而產(chǎn)生誤判；動態(tài)閾值法克服了這些缺點，提高了特征點的檢出率，避免了漏檢或者多檢的情況。本文對已有的差分閾值法進行改進，采用動態(tài)差分-斜率閾值，并根據(jù)心電信號生理原理加入漏檢和過檢判斷[6]，提高了 QRS波的檢出率，在心律失常和 QRS波幅值較小等復(fù)雜情況下，也能有較高的檢出率，為下一步心率失常分析和HRV時域參數(shù)分析打下基礎(chǔ)。

1.2.2 心率失常分析

本儀器能實現(xiàn)對4種常見心律失常進行分析，包括漏搏、停搏、心動過速、心動過緩。其實現(xiàn)方法如表2所示。根據(jù)表2的判別條件，當(dāng)檢測到上述4種心率失常中的1種時，儀器連續(xù)發(fā)出2 s的報警聲，并且在屏幕上顯示出相應(yīng)的心率失常類型。

表2 常見4種心率失常判別表

1.2.3 HRV分析

心率變異性HRV(Heart Rate Variability)是指心臟搏動周期存在的微小變異現(xiàn)象。HRV可作為反映心臟交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)活動緊張性和均衡性的一種非侵入性指標(biāo)，也是心電自動分析系統(tǒng)重要的組成部分[7]?；谇度胧较到y(tǒng)實時性的考慮，本儀器采用時域分析法對HRV進行分析。HRV時域分析常用指標(biāo)及對應(yīng)的生理意義[8]如表 3所示。

2 實驗結(jié)果及分析

(1)動態(tài)斜率-差分閾值算法有效性的驗證

本文采用MIT-BIH部分心率失常數(shù)據(jù)對本算法進行測試，如表4所示。在誤檢比較多的幾個文件中，由于存在嚴(yán)重的肌電噪聲或者QRS波變化太劇烈，導(dǎo)致動態(tài)閾值跟不上信號變化所致。總體正確率達到了98%以上，說明算法對于R波的檢測是有效的。

表3 HRV常見時域參數(shù)及對應(yīng)的生理意義

表4 MIT-BIH部分文件R波的檢測結(jié)果

(2)4種常見心律失常的驗證

用MPS450多參數(shù)模擬儀產(chǎn)生4種常見心率失常信號，本檢測儀可準(zhǔn)確分析心率失常的類型。由表5可看出，儀器在分析停搏、心動過速和心動過緩時，正確率都達到了100%，在分析漏搏時達到了95%。實驗表明，本儀器對4種常見心率失常的分析具有很高的可靠性。

表5 4種常見心律失常分析的驗證

本心電檢測儀實現(xiàn)了心電信號的采集和顯示、心率的計算、4種常見異常心率分析和HRV時域分析的功能。采用動態(tài)差分-斜率閾值法，提高了在干擾下或者QRS波幅度較小的情況下對心電信號特征點的檢出率，對4種常見心率失常分析具有很高正確率，還可以根據(jù)HRV時域參數(shù)來提示受測者是否需要加強鍛煉。本儀器還設(shè)有GRPS模塊接口和SD卡接口，將來還可進一步擴展，進而實現(xiàn)遠程通信的功能。因此，本檢測儀在社區(qū)醫(yī)院和家庭保健中的應(yīng)用將對心臟疾病的預(yù)防和診斷做出重要貢獻。

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