便攜式心電采集分析系統設計

穆真++陳星星++王晶++梁雨

摘 要針對人體心電信號監護設備體積笨重、價格昂貴和不便攜等局限性，設計了一種基于STM32F429和MATLAB的便攜式心電采集分析系統。該系統軟件開發環境是基于μC/OS-II操作系統對心電信號進行實時采集，是一款具有實時監控、價格低、便攜、精度高等優點的心電信號采集分析系統。它能夠將24h心電數據存儲在SD卡里并可以通過藍牙模塊與PC機進行數據傳輸，使用PC機上的MATLAB軟件工具箱對采集的心電信號數據進行處理與分析。

【關鍵詞】心電信號 μC/OS-II STM32F429 MATLAB

1 引言

心臟疾病一直影響人類的身體健康甚至威脅人類的生命，因此對心臟疾病的預防和診治是極為重要的。目前，心電信號的研究的頻率主要是0.05～40Hz。心電信號具有頻率低、隨機性強和噪聲干擾強等特點。而心電圖則是檢查和治療此類疾病的主要依據，由于目前的心電采集設備普遍存在價格昂貴、不便攜、體積大和高功耗等問題，使得病人的病情得不到實時監控，這對預防與治療心臟疾病非常不利。

便攜式心電采集分析系統不但擴大了心電信號的應用范圍，而且可以讓心電信號醫療診斷不受區域的限制并具有實時性。通過內置大容量SD卡能夠對患者進行長時間的實時監護，并記錄患者的心電數據，再將心電信號數據通過藍牙模塊與PC機進行數據傳輸，使用PC機上的MATLAB軟件對心電信號進行處理與分析。

2 系統整體方案設計

便攜式心電采集分析系統總體框圖如圖1所示。心電信號預處理采集模塊由采集電極、濾波網絡、AD8232和ADS1278組成。ADS8232芯片內部集成了放大、濾波和右腿驅動電路可以更好地抑制干擾信號。系統采用SD卡可以存儲24h的心電數據并可以通過藍牙模塊與PC機進行數據傳輸，使用PC機上的MATLAB軟件對心電信號數據做進一步的處理與分析。

3 設計主要模塊

3.1 心電采集模塊

心電采集模塊由采集電路、濾波網絡、AD8232和ADS1278組成，是整個便攜式心電圖的核心，直接決定整個系統性能的好壞。濾波網絡由高通濾波電路和輸入緩沖電路組成。A/D轉換模塊選用ADS1278，其具有微功耗、高精度和24位高性能模數轉換器，達到0.5μV分辨率的精度要求。AD8232芯片一款用于提取、放大及過濾微弱的生物電信號的集成信號調理模塊。它體積小，縮小了系統的PCB尺寸，以達到系統的便攜化。

3.2 數據存儲模塊

SD卡有存儲容量大、成本低、讀寫速度快的優點，用于存儲采集到的心電信號數據，通過按鍵可以選擇任意時刻將數據上傳到PC機。它有SPI模式和SDIO模式兩種模式的接口，選用SPI模式。

便攜式心電采集分析系統在存儲設計上實現了兩個功能：

（1）將24h心電數據存儲在SD卡里；

（2）在數據存儲程序計上采用FatFs文件協議保存心電信號進行A/D轉換后的數據，把采集的心電數據存儲為TXT文件格式，如圖2所示。建立文件系統有兩點好處：

（1）便于心電數據管理，可以方便的把心電數據拷貝到PC機上并通過MATLAB對心電信號進行分析處理；

（2）回讀的時候可以方便的根據文件名找到需要回讀的數據。

4 測試結果分析

將心電信號三個采集電極分別接到人體的左右臂和右腿，然后采集的心電信號經過心電信號采集模塊，在模擬信號轉換成數據信號時將ADS1278芯片的采樣頻率設置為500Hz，將心電信號數據進行IIR數字帶通濾波器后如圖3所示。利用MATLAB選用Harmming窗實現Welch算法對心電信號數據做進一步的頻譜分析如圖4所示。

5 總結

基于STM32F429和MATLAB的便攜式心電采集分析系統具有實時性、便攜性、精度高和低功耗等優點，滿足本系統基本要求和預期效果。本STM32微處理器中添加了FIR數字濾波器對采集的心電信號進行了實時的處理已得到較為純凈的心電信號。本系統的藍牙模塊端口可以替換成一個無線模塊，把采集的數據和處理的結果以無線的方式傳送到服務器。

隨著心血管疾病的發病率不斷地逐年上升，這種便攜式心電采集分析系統具有很高的應用價值和良好的市場前景。本系統達到了有效采集心電信號的預期目標，同時也為心電研究的后續工作奠定了基礎。

參考文獻

[1]馬曉玉.基于STM32和藍牙4.1的便攜式心電采集分析系統研究[D].秦皇島：燕山大學，2016.

[2]王艷艷.便攜式心電圖檢測儀設計[D].杭州：浙江工業大學，2014.

作者簡介

穆真（1994-），女，現為江蘇師范大學電氣工程及自動化學院工程碩士。主要研究方向為Android軟件開發。

作者單位

江蘇師范大學 江蘇省徐州市 221116