舒澤芳，王娟，彭曉珊

（1.貴陽學(xué)院機械工程學(xué)院，貴陽 550005；2.貴陽學(xué)院電子與通信工程學(xué)院，貴陽 550005）

0 引言

標準導(dǎo)聯(lián)ECG是醫(yī)學(xué)上常用的心電圖導(dǎo)聯(lián)，其相關(guān)信號如QRS波群、P波、R-R間期等信息是診斷心臟疾病的重要依據(jù)，傳統(tǒng)的心電圖機屬于機電式，不易于將心電信號數(shù)字化；現(xiàn)在主流的光電心電圖機其數(shù)據(jù)已經(jīng)成數(shù)字化，但不易于移植至MATLAB軟件進行數(shù)據(jù)分析和研究。本文提出面向ECG標準導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計，利用MATLAB平臺設(shè)計GUI采集界面，采集卡基于STM32F103微控制器設(shè)計，利用INA333儀表放大器進行心電信號的濾波和放大。同時實現(xiàn)了心電信號的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將其保存為TXT或者XLS格式，易于在相關(guān)分析軟件間進行數(shù)據(jù)交換，以發(fā)揮心電數(shù)據(jù)的潛在價值。

1 系統(tǒng)原理與組成

心電信號屬于生物電信號，是心房心室極化和復(fù)極化過程在電信號上的表象，其幅值微弱，在10μV～4mV之間；頻率范圍較低，范圍在0.05Hz～100Hz，大部分能量集中在0.05Hz～40Hz。其信噪比低，隨機性強，直流成分多[1]。本采集系統(tǒng)針對醫(yī)學(xué)上常用的標準導(dǎo)聯(lián)，即采集并顯示標準導(dǎo)聯(lián)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，標準導(dǎo)聯(lián)電極信號之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式如下：

Ⅰ=LA-RA

Ⅱ=LL-RA

Ⅲ=LL-LA

依據(jù)標準導(dǎo)聯(lián)與電極信號之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，系統(tǒng)需要采集 LA（左上肢）、RA（右上肢）、LL（左下肢）。根據(jù)以上分析，采集系統(tǒng)定義為兩部分，采集卡和上位機采集軟件。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

二階有源濾波電路利用INA333芯片完成對原始心電信號的二階帶通濾波放大，放大后由STM32F103微控制器進行ADC轉(zhuǎn)換。上位機采集軟件則基于MATLAB平臺設(shè)計，通過串行UART接口從STM32F103獲取各路心電數(shù)據(jù)。LA、RA和LL電極信號的測量參考點為RL（右下肢）。

2 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

采集系統(tǒng)硬件包括二階有源濾波電路和STM32F103微控制器電路構(gòu)成，二階有源濾波電路以INA333運放為核心設(shè)計，依據(jù)心電信號低頻（頻率范圍0.05Hz～100Hz）的特點，二階有源帶通濾波放大電路設(shè)計如圖2所示，R1和C1構(gòu)成低通濾波電路，取R1為 4.7kΩ，C1為 0.33μF，轉(zhuǎn)折頻率為 fH=1/(2πR1C1)≈100Hz；R2和C2構(gòu)成高通濾波電路，取R2為6.8 kΩ，C2 為 0.47μF，則其轉(zhuǎn)折頻率為 fL=1/(2πR2C2)≈0.05Hz。根據(jù)INA333運放單電阻配置放大倍數(shù)的特點，放大倍數(shù)為1+(100kΩ/RG)，考慮后續(xù)STM32F103RCT6芯片中ADC的參考電壓為3.3V，取心電信號最高值為5mV，則取RG為150Ω，即放大666倍。U2級采用射極跟隨器設(shè)計，擴大輸出電阻[2]。

圖2 二階有源帶通和陷波電路原理圖

STM32F103通過MAX232接口與PC上位機的UART串口連接，通過STM32F103內(nèi)部自帶12位ADC進行標準導(dǎo)聯(lián)心電信號轉(zhuǎn)換，STM32F103最小系統(tǒng)及外圍電路原理圖如圖3所示[3]。

圖3 STM32F103與PC機UART接口原理圖

3 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 采集卡軟件設(shè)計

采集系統(tǒng)的軟件部分為采集卡軟件和上位機軟件，采集卡軟件針對STM32F103微控制器設(shè)計，實現(xiàn)GPIO、UART和ADC的初始化，ADC轉(zhuǎn)換，UART數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘4]。采集系統(tǒng)整體大約以300Hz頻率對心電信號采樣，STM32F103以間隔3ms將3組標準導(dǎo)聯(lián)心電數(shù)據(jù)上傳至上位機軟件，上位機軟件不斷刷新其顯示狀態(tài)，采集卡軟件流程圖如圖4所示。

圖4 采集卡軟件流程圖

ADC轉(zhuǎn)換部分核心代碼如下：

u16 Get_Adc(u8 ch)

{

//設(shè)置轉(zhuǎn)換序列

ADC1->SQR3&=0XFFFFFFFE0;//規(guī)則序列1通道ch

ADC1->SQR3|=ch;

ADC1->CR2|=1<<22;//啟動規(guī)則轉(zhuǎn)換通道while(!(ADC1->SR&1<<1));//等待轉(zhuǎn)換結(jié)果Return ADC1->DR;

//返回ADC值

}

3.2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件采用MATLAB平臺GUI設(shè)計，其主界面設(shè)計如圖5所示。包括用戶信息區(qū)、導(dǎo)聯(lián)設(shè)定區(qū)、使用者操作區(qū)三個部分[5]。

用戶信息區(qū)采用靜態(tài)文本和編輯框控件，導(dǎo)聯(lián)設(shè)置區(qū)采用單選按鈕控件，使用者操作區(qū)采用按鈕控件，在啟動按鈕被按下后，即創(chuàng)建串口對象，完成串口屬性配置，同時利用相關(guān)串口回調(diào)函數(shù)接收、顯示和保存數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)可選擇TXT格式和XLS格式，其核心代碼設(shè)計如下：

Serial_obj=serial('COM2');

Serial_obj.BaudRate=9600;

Serial_obj.DataBits=8;

Serial_obj.Parity='none';

Serial_obj.StopBits=1;

fopen(Serial_obj);

sdata=fscanf(Serial_obj,'%d',128);

data_Ⅰ=sdata;

plot(stime,data_Ⅰ);

fprintf(FileID,'%d',data_Ⅰ);[6]

圖5 上位機主界面

4 系統(tǒng)測試

4.1 示波器檢測

在系統(tǒng)設(shè)計時，利用STM32F103自帶的DAC，將采集的數(shù)據(jù)進行了數(shù)模轉(zhuǎn)換，便于示波器進行測試，部分測試結(jié)果如下：圖6為被測試者的標準導(dǎo)聯(lián)Ⅰ的示波器顯示波形，圖7為被測試者的標準導(dǎo)聯(lián)Ⅱ的示波器顯示波形。

圖6 被測試者標準導(dǎo)聯(lián)Ⅰ示波器波形

圖7 被測試者標準導(dǎo)聯(lián)Ⅱ示波器波形

4.2 MATLAB顯示保存測試

采集系統(tǒng)對標準導(dǎo)聯(lián)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的心電信號進行了相關(guān)功能測試，包括數(shù)據(jù)采集顯示和保存等方面，在波形顯示測試方面，圖8為被測試者標準導(dǎo)聯(lián)Ⅰ和Ⅱ的上位機界面顯示波形，和示波器實際測試波形一致。

圖8 標準導(dǎo)聯(lián)Ⅰ和ⅡMATLAB顯示波形

標準導(dǎo)聯(lián)Ⅱ部分心電數(shù)據(jù)保存為TXT文本文件內(nèi)容如下。

Sampling timeII

hh:mm:ss.mmm(mV)

0:00.000-0.145

0:00.003-0.145

第一列代表采樣時間，第二列為II導(dǎo)聯(lián)信號電壓值，轉(zhuǎn)換函數(shù)代碼設(shè)計如下：

function[VarName1,VarName2,VarName3]=importfile

(filename,startRow,endRow)

if nargin<=2

startRow=1;

endRow=inf;

end

formatSpec='%9s%8s%s%[^ ]';

fileID=fopen(filename,'r');

5 結(jié)語

示波器測試環(huán)節(jié)顯示了采集卡部分運行情況，MATLAB GUI界面測試顯示了上位機軟件部分的運行情況，兩者結(jié)果一致。整體測試表明，采用MATLAB作為心電信號上位機軟件平臺是一種有效的方式，借助其強大的數(shù)據(jù)處理能力可為挖掘心電信號的各種臨床價值創(chuàng)造條件。

[1]宋勐翔，陳蘭嵐.基于ADS1298和STM32F407的心電采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015,13:141-142.

[2]李遠，蔣稼歡，章毅等.基于Java手機便攜式心電監(jiān)護分析儀的ECG信號采集模塊設(shè)計[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011,1:19-20.

[3]勾慧蘭，劉光超.基于STM32的最小系統(tǒng)及串口通信的實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2012,9:20.

[4]劉軍，張洋，嚴漢宇.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014：260-269.

[5]余勝威，吳婷，羅建橋.MATLAB GUI設(shè)計入門與實踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2016：351-368.

[6]溫正.MATLAB科學(xué)計算[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017：71-79.