【正文】 ....................................................................195 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果及誤差分析..................................................................................................20 調(diào)試手段 ........................................................................................................................20 測量調(diào)試以及分析 ........................................................................................................21 采集電路的測試.....................................................................................................21 濾波算法測試.........................................................................................................22基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)III 整體測試和結(jié)果分析.............................................................................................22結(jié)束語......................................................................................................................................24參考文獻(xiàn)..................................................................................................................................25附錄..........................................................................................................................................26致謝..........................................................................................................................................28基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)11 引言隨著社會的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們生活水平的逐步提高，我國人口老齡化程度越來越嚴(yán)重，與此伴隨的心臟病一類的疾病的發(fā)病率也不斷攀升，人們的身體健康產(chǎn)生了巨大的威脅。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國因心腦血管疾病死亡的人數(shù)將近占總死亡人數(shù)的一半 [1]。根據(jù)相關(guān)部門的調(diào)查顯示，我國每年大約有近一半的死亡病例為冠心病，而且死亡率還在逐年遞增。每年約有 16 萬名患者接受支架植入手術(shù)，手術(shù)施行每年的增長率超過了五分之一。在我國因心腦血管疾病每年耗費(fèi)達(dá) 3000 億元，由于受測試手段的局限，預(yù)防率、治療率及控制率依然很低。預(yù)防率是有效防治心腦血管疾病的關(guān)鍵因素，而且有效的方便的心電監(jiān)測儀器是完成這一任務(wù)的有力工具。 心電圖儀在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用人類的心臟有規(guī)律性的膨脹和收縮，從而使血液的循環(huán)。在心臟肌肉每次收縮之前，都會產(chǎn)生一股微小的生物電流，加上人體的體液能夠?qū)щ姡@些微小電流可以通過體液的傳遞就會反映到人體的表面皮膚上。不過受限于身體各部分組織不同、距心臟的距離不同，會造成體表的不同部位的電位有所不同。通過捕捉這個現(xiàn)象，將心電圖顯示出來的心電檢測儀器，根據(jù)這些人體生物電信號，我們可以從不同角度觀察心臟的活動情況。這是我們對心臟基本功能及其病理研究，具有重要的參考價值 [2]。 心電圖能夠在一定程度上反映心律的運(yùn)行狀況，人的心肌受損的程度、發(fā)展過程以及心房、心室的功能結(jié)構(gòu)情況都能通過它表現(xiàn)出來。這些都可以在心臟手術(shù)和藥物的使用上提供重要的參考 [3]。常規(guī)心電監(jiān)護(hù)設(shè)備體積笨重、價格昂貴和不便于攜帶，但是隨著社會生活水平的提高，醫(yī)療器械家庭化開始逐漸進(jìn)入我們的日常生活，家庭化的心電圖儀器功能沒有專業(yè)的大型的醫(yī)療設(shè)備齊全，但是它具有具有體積小、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，同時可以在一定程度上滿足了人們的基本應(yīng)用。我們可以用它在家庭或則其他地方很方便的進(jìn)行心電圖信號的測量，并根據(jù)進(jìn)一步的處理，做基本的診斷，也可以把這些數(shù)據(jù)提交到專業(yè)機(jī)構(gòu)做進(jìn)一步的詳盡的診斷。這樣也可以避免那些行動不便的病人，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程傳送的方式，提交到專業(yè)機(jī)構(gòu)或指定的醫(yī)院驚醒專業(yè)診斷和分析。為了能夠在更多場合更方便的診斷，各種各樣的便攜式心電圖設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，常規(guī)心電圖儀由于笨重只能在病人靜臥的情況下記錄的心電活動，歷時時間短，獲取的信息量很少，所以在有限時間內(nèi)有些非正常的情況被發(fā)現(xiàn)的概率也是很低的。而便攜基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)2式監(jiān)護(hù)裝置可以在隨時隨地的進(jìn)行實(shí)時監(jiān)護(hù)，并把數(shù)據(jù)存儲起來。這樣不僅可以節(jié)省時間，還可以得到實(shí)時的監(jiān)護(hù)，所以研發(fā)便攜式心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品具有重要意義。本文主要研究的便攜式心電圖儀，即將普通心電圖設(shè)備小型化、家庭化，具有低價位、體積小、便于攜帶和使用方便等特點(diǎn)。 便攜式心電圖儀的發(fā)展?fàn)顩r1887 年英國生理學(xué) Einthoven 通過對毛細(xì)管的靜電計(jì)記錄了心動的電流圖 [4]。 1895 年他開始了對心臟動作電流的進(jìn)一步研究，并通過對德?阿森瓦爾氏的鏡影電流計(jì)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高了心電圖的質(zhì)量。1903 年他成功的設(shè)計(jì)了弦線式電流計(jì)，通過反射鏡記錄心動電流，解決了以前測量設(shè)備的惰性大，記錄誤差大以及需要繁瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算等缺點(diǎn)。同時，他又制定心電圖的影線在縱坐標(biāo)上波動 1cm，代表 1mV 的電位差，在橫坐標(biāo)上移動 1cm 為 秒的標(biāo)準(zhǔn)。這種方法簡單直觀，并采用 P、Q、R、S、T 等字母標(biāo)出心電圖上的各波，這種標(biāo)記方法一致沿用至今。1912 年在他深入研究了正常心電圖的波動范圍后，提出了著名的“愛因托芬三角”理論。1924 年 Einthoven 教授獲得了諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎 [5]?？傊@位被尊稱為“心電圖之父”的生理學(xué)家對心電圖的創(chuàng)立及發(fā)展有著巨大的的貢獻(xiàn)。心電圖從此開始逐步走進(jìn)協(xié)助診斷疾病，并通過發(fā)展被廣泛應(yīng)用于臨床。隨著社會的發(fā)展，心電圖檢測理論越來越成熟與完善，另外機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶動了醫(yī)療器械發(fā)生了革命性變化，極大的增強(qiáng)了心電圖機(jī)的功能。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)、微電子、機(jī)械電子在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，極大的促進(jìn)了心電設(shè)備的發(fā)展。目前各大醫(yī)療器械廠商都投入巨資開發(fā)性能更強(qiáng)、功能更加完善的心電設(shè)備，比如歐姆龍、北京超思、亞新、均在該領(lǐng)域的研究與生產(chǎn)上有所突破。綜觀當(dāng)前心電檢測儀器發(fā)展趨勢，主要向以下幾個方向發(fā)展： （1）系統(tǒng)化隨著醫(yī)院計(jì)算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)化、信息存儲介質(zhì)和 IC 卡等的應(yīng)用及 Inter 的全球化而產(chǎn)生的。電子病歷是信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的必然產(chǎn)物，我國衛(wèi)生部先后在 2022，2022 發(fā)布了關(guān)于電子病歷系統(tǒng)的規(guī)范和通知文件。而實(shí)時心電數(shù)據(jù)將在該系統(tǒng)中有著重要的作用。（2）數(shù)字化 隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械電子的迅猛發(fā)展，醫(yī)療器械的數(shù)字化程度越來越高，比如數(shù)字濾波器的使用，極大的降低了心電干擾，提高了心電判斷的準(zhǔn)確率。 （3）無線化 無線傳感技術(shù)的發(fā)展能夠促使心電檢測無線化，從而擺脫傳統(tǒng)心臟檢測的繁瑣程基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)3序。同時，能減輕病人的心里緊張程度，實(shí)現(xiàn)心電檢測的方便性。 （4）自動化 自動測量和分析是醫(yī)療儀器的發(fā)展方向，使醫(yī)療器械智能化是目前醫(yī)療器械設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一。 （5）遠(yuǎn)程化計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，為遠(yuǎn)程醫(yī)療的實(shí)現(xiàn)提供了可能，將心電數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程傳輸，在遠(yuǎn)端對心電數(shù)據(jù)加以分析處理并提出診斷結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。如目前出現(xiàn)的基于 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)就是這個發(fā)展趨勢的體現(xiàn)?？傊?，科技不斷進(jìn)步，人們的需求也在變化，心電圖是記錄心臟電活動狀態(tài)的記錄，包括心臟節(jié)律和頻率以及電壓的高低等信息，可用于診斷各種心律失常、心肌病變、心肌梗塞及心肌缺血等心血管疾病。同時對心臟病的診斷和治療也提供了確切的理論依據(jù)。設(shè)計(jì)符合市場需求的產(chǎn)品是企業(yè)生存的根本，利用高科技帶來的技術(shù)革命去更新醫(yī)療器械更是一個巨大的市場機(jī)會，我們相信，在未來幾年里，家庭化的監(jiān)護(hù)設(shè)備必將越來越普及 [6]。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)由于心電信號的微弱性，我們對心電信號的提取具有一定難度。另外受到 50Hz 及其倍頻干擾和極化電壓的影響，對前置放大器和信號濾波電路的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因此在設(shè)計(jì)前端硬件電路時，要根據(jù)信號的特征，選擇最佳的器件。同時便攜式設(shè)備必須是低功耗設(shè)備這限制了多數(shù)的微處理器，鋰電池供電對信號僅僅用硬件濾波還不能達(dá)到分析信號的要求，硬件濾波的一個缺點(diǎn)是，要想獲得更好的濾波效果，必須設(shè)計(jì)更高的階數(shù)，而這無疑會增加系統(tǒng)的體積。因此還有必要采用軟件濾波的方法，這就對處理器的速度和軟件的優(yōu)化提出了更高的要求 [7]。采取軟件濾波即設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波器有多種，這樣就必須尋找一種行之有效的濾波算法。 主要功能本文的目的是通過先進(jìn)微處理器的應(yīng)用研究的主要內(nèi)容是通過將嵌入式技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)和信號采集技術(shù)的結(jié)合，設(shè)計(jì)一個能夠完成信號提取和分析功能的嵌入式心電圖監(jiān)測系統(tǒng)。主要研究工作如下： (1) 心電圖儀的硬件設(shè)計(jì)： ? 采集電路：準(zhǔn)確提取生理信號，把信號處理為可供采集分析的有效信號； ? 處理電路：完成信號的采集、濾波、顯示、分析和傳輸?shù)取?(2) 心電圖儀的軟件設(shè)計(jì)： 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)4?STM32 芯片各模塊初始化程序； ?數(shù)字濾波處理程序； ?人機(jī)交互界面的程序設(shè)計(jì)； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。心電信號由電極獲取，送人心電采集電路，經(jīng)前置放大、主放大、高低通濾波，得到符合要求的心電信號，并送入到 STM32 的 ADC 進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換。為了更好地抑制干擾信號，在電路中還引入了右腿驅(qū)動電路。系統(tǒng)控制芯片采用 STM32，TFTLCD 的觸摸功能加上少量按鍵可以建立良好的人機(jī)交互環(huán)境，可以通過 LCD 實(shí)時顯示和回放，數(shù)據(jù)通過 USB 可靠地傳輸?shù)?PC 機(jī)，以便對心電數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析。系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)及電路系統(tǒng)主要劃分為三大部分：心電采集電路，主要完成心電信號的提?。粠V波及主放大電路，用于調(diào)理采集到的信號，使之符合處理要求；STM32 處理電路，完成心電信號的顯示和分析功能。信號采集電路信號調(diào)理電路處理器按鍵調(diào)節(jié)電路顯示電路模塊P C 通信圖 1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖整個系統(tǒng)有以下幾個部分組成： （1）采集電路：主要有前置放大電路、帶通濾波電路和主放大電路組成，心電信號由電極獲取后送入心電采集電路，經(jīng)處理后得到符合要求的心電信息。 （2）處理電路：主要完成對心電數(shù)據(jù)的濾波、陷波、放大、分析、顯示和傳輸控制。 （3）按鍵電路：完成良好的人機(jī)交互。 （4）顯示電路：實(shí)時顯示出心電波形和心電相關(guān)信息。 （5）上位機(jī)設(shè)計(jì)：在 PC 機(jī)上處理和顯示心電波形。 （6）電源電路：設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的電源電路，為整個系統(tǒng)提供電源，降低系統(tǒng)功耗?；?ST