【正文】 .... 27 致 謝 ....................................................................................................................... 28 附 錄 ....................................................................................................................... 29 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 研究的目的與意義 近年來(lái)， 隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們生活水平的逐步提高， 心血管疾病已成為威脅人類生命的主要疾病，世界上心臟病的死亡率仍占首位。由于心臟 病具有病情隱蔽 、 發(fā)展緩慢、發(fā)病危險(xiǎn)性高的特點(diǎn)，它對(duì)心臟病患者、特別是中老年患者的危害性極大，是威脅人類生命安全的 “ 第一殺手 ” [1]。 在我國(guó)，因心血管疾病而死亡的人數(shù)占總死亡人數(shù)的 44%， 根據(jù)《 2020 年中國(guó)慢性心臟病年報(bào)》顯示，國(guó)內(nèi)每年近 50%的死亡病例為冠心病，且該數(shù)字在逐年遞增 [2]。隨著我國(guó)社會(huì)老齡化趨勢(shì)的加劇， 心臟病己成為危害人類健康的多發(fā)病和常見(jiàn)病， 長(zhǎng)期慢性心血管疾病患者的監(jiān)護(hù)問(wèn)題目前已經(jīng)成為重要的社會(huì)問(wèn)題。 心電信號(hào)是人類較早研究并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床的生物電信號(hào)之一，它比其他生物電信號(hào)更易于檢測(cè)，并 具有一定的規(guī)律性。國(guó)際上醫(yī)學(xué)界人士已經(jīng)通過(guò)對(duì)心電信號(hào)的特征、規(guī)律的研究對(duì)部分相關(guān)病變做出早期預(yù)測(cè)和及時(shí)診斷。 由于心臟類疾病具有長(zhǎng)期性和突發(fā)性，要及時(shí)、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。常規(guī)心電圖檢查僅記錄 6100 個(gè)心動(dòng)周期，歷時(shí)僅 1 分鐘左右，所能獲取的心臟信息非常少；而一個(gè)常人一天 24 小時(shí)心跳次數(shù)達(dá) 10 萬(wàn)次以上，所以在有限的時(shí)間內(nèi) ， 記錄發(fā)生心率失常的概率相當(dāng)?shù)?， 尤其是一些陣發(fā)性心率失常 ， 即使病人有自覺(jué)癥狀 ， 但在做常規(guī)心電圖檢查時(shí)也往 往難以 捕獲 [3]。 因此， 長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 人 類心臟病的狀況，對(duì)于適時(shí)治療、預(yù)防心臟病突發(fā)死亡，具有十分重要的意義。 現(xiàn)有家用心電監(jiān)護(hù) 儀器 ， 雖然其 功能大致 可以 滿足患者使用的需要，但仍然存在許多問(wèn)題，如 某些 監(jiān)護(hù)儀器要求患者將紀(jì)錄的數(shù)據(jù)周期地送往診所進(jìn)行會(huì)診，實(shí)時(shí)性 較差 。 此外， 傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用的線纜連接 ， 體積和功耗往往 較大，限制了病人和醫(yī)護(hù)人員的行動(dòng)，造成很大的不便。加之現(xiàn)代醫(yī)學(xué)模式的轉(zhuǎn)變帶來(lái)了人們對(duì)健康的新要求， 因此， 有必要研制一種結(jié)合常規(guī)心電圖 (ECG)和動(dòng)態(tài)心電圖 (Holter)兩種系統(tǒng)的新的智能化、便攜式、操作方便、價(jià)格低廉的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備 [4]。 研究的現(xiàn)狀與前景 英國(guó)生理學(xué)家 Einthoven 在 1887年用毛細(xì)管靜電計(jì)記錄了心動(dòng)電流圖。其在1903年采用弦線電流計(jì)，第一次將體表心電圖記錄在感光膠片上 [5]。 該弦線式電流計(jì)采用了新的設(shè)計(jì)方法，利用極細(xì)的鍍銀石英絲代替動(dòng)圈，并通過(guò)反射鏡記錄長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 心動(dòng)電流，解決了以前測(cè)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)。 在 1912年他深入研究了正常心電圖的波動(dòng)范圍后，提出了著名的 “ 愛(ài)因托芬三角 ” 理論 [6]。 從此利用心電圖協(xié)助診斷疾病逐漸廣泛應(yīng)用于臨床。 美國(guó)科學(xué)家 Holter 于 1949年首 創(chuàng) 動(dòng)態(tài)心電圖 (Dynamic Electrocardiography DCG)，又稱 Holter 心電圖。 DCG 功能強(qiáng)大，能夠 在較長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)患者的心電狀況 ，能夠檢測(cè)出心律失常和心肌缺血等一些常規(guī) ECG 不易發(fā)現(xiàn)疾病。對(duì)臨床分析病情、確立診斷、判斷療效有重要參考價(jià)值 [7]。 1961年 ， 以德瑪公司的產(chǎn)品為代表 ， 美國(guó)最先將 DCG 技術(shù)應(yīng)用到臨床 ， 以后很快在發(fā)達(dá)國(guó)家得到普及。自 1978年我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)以來(lái) ， 臨床應(yīng)用逐步深入 ， 成為心血管疾病診斷領(lǐng)域中的實(shí)用、高效、無(wú)創(chuàng)、安全、準(zhǔn)確、可重復(fù)性強(qiáng)的重要檢查方法 [8]。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外各大醫(yī)療設(shè)備供應(yīng)商都投入巨資開(kāi)發(fā)功能更強(qiáng)、性能更優(yōu)的心電設(shè)備。如美國(guó)的 Heart Mirror 系列心電監(jiān)護(hù)設(shè)備，珠海中立電子集團(tuán)的心臟病集群監(jiān)護(hù)系統(tǒng)等。 但是面對(duì)居住地分散，數(shù)量龐大的院外人群時(shí)，上述方法便顯現(xiàn)出了不足：設(shè)備體積大，分量重，成本高，不利于普通人的日常性檢測(cè)。 隨著心電監(jiān)護(hù)和家庭健康技術(shù)的發(fā)展，心電監(jiān)護(hù)儀有向小型化、便攜化、家庭化發(fā)展的趨勢(shì) 。 近年來(lái) ，隨著 藍(lán)牙 無(wú)線傳輸 技術(shù) 的 重大發(fā)展 ， 藍(lán)牙技術(shù)成功地應(yīng)用在計(jì)算機(jī)與移動(dòng)電話之中 ， 可用于替代便攜或固定電子設(shè)備上使 用的電纜或連線 。 與其他無(wú)線傳輸方式相比，藍(lán)牙模塊具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、 體積小、功耗低等特點(diǎn)，已成為無(wú)線嵌入式醫(yī)療設(shè)備所考慮采用的基本無(wú)線通信技術(shù)之一。 將其應(yīng)用在醫(yī)療設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸當(dāng)中，可以極大增加患者的活動(dòng)空間，減少電線對(duì)病人活動(dòng)范圍的限制。 然而隨身攜帶的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀在我國(guó)并未能夠很好的普及，究其原因，有以下幾個(gè)方面： (1)記錄的心電信息極其有限，醫(yī)生從中難以得到患者全面的心電信息，從而降低了醫(yī)生對(duì)疾病診斷的正確率； (2)費(fèi)用較為昂貴，動(dòng)輒幾千乃至上萬(wàn)元，一般的患者難以承受； (3)實(shí)時(shí)性、體積、功耗、重量等都不盡如人意，給患者在使用過(guò)程中造成諸多不便 ； 綜上所述，低成本，低功耗的便攜式心電無(wú)線傳輸系統(tǒng)將是心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向。 主要研究工作及內(nèi)容 本文以 超低功耗微控制器 STM32L151C8和藍(lán)牙芯片 HC06為基礎(chǔ)， 結(jié)合目長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 前國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，研究 設(shè)計(jì) 了 單導(dǎo)聯(lián)心電采集模塊，并通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線透?jìng)鲗⒃紨?shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，采集模塊具備低功耗、便攜式特點(diǎn)。 本文研究?jī)?nèi)容如下： (1)首先 介紹了心電信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理及特征，并對(duì)藍(lán)牙無(wú)線通訊技術(shù)做簡(jiǎn)介分析，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)做了必要的鋪墊 。 (2)詳細(xì)闡述了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)心電信號(hào)的濾波、放大電路分別做了設(shè)計(jì)分析，對(duì)芯片選取和參數(shù)確定做了細(xì)致的說(shuō)明，并對(duì)硬件電路進(jìn)行了全面測(cè)試。 (3)詳細(xì)闡述了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程，給出了系統(tǒng)軟件流程圖，對(duì)系統(tǒng)初始化、 MCU 模數(shù)轉(zhuǎn)換及 UART 數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程進(jìn)行了 C 程序編寫，并對(duì)系統(tǒng)軟硬件做了聯(lián)合測(cè)試。 (4)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及測(cè)試結(jié)果做了分析與總結(jié)，并提出了系統(tǒng)今后的改進(jìn)方向。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第 2 章 人體心電信號(hào)產(chǎn)生與藍(lán)牙無(wú)線通訊技術(shù) 心電信號(hào)的產(chǎn)生及特征 心電信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理 心臟的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以把心臟看作一個(gè)水泵，能夠不斷地有規(guī)律性的發(fā)生興奮和收縮 [9]，從而推動(dòng)著整個(gè)血液的循環(huán)。心電信號(hào)就是由心肌激動(dòng)產(chǎn)生的微小電流，該電激動(dòng)是在心臟機(jī)械收縮之前產(chǎn)生的。圍繞在心臟周圍的組織和體液都具有導(dǎo)電性，這些微小電流總和就通過(guò)組織及體液傳導(dǎo)反映到體表上來(lái)。從而造成體表不同點(diǎn)之間的電位差不同，通過(guò)采集這些電位差就可以繪制出心電圖來(lái)。 心電圖是記錄心臟電活動(dòng)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(shí)對(duì)心臟病的診斷和治療也提供了確切的理論依據(jù) [10]。 心電信號(hào)的組成及特征 正常情況下，心電圖上的每個(gè)心動(dòng)周期中出現(xiàn)的波形曲線的改變是有規(guī)律的。通過(guò)電極對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行提取，可以畫(huà)出心電信號(hào)的電壓幅度隨著時(shí)間變化的圖形，如圖 21 所示，即為一個(gè)典型的正常心電波形 [11]。信號(hào)強(qiáng)度微弱，幅值一般為 10μV~4mV，典型值是 1mV。 圖 21 一個(gè)周期的 ECG 波形 心電圖的典型間期和典型段 [12]（其中“間期”指時(shí)間間隔，而“段”則指波形本身）論述如下： P 波：反映兩心房去極化過(guò)程的電位變化，左右心房除極波，前部代表右心房激動(dòng)，后部代表左心房激動(dòng)。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 PR 間期：是從 P 波起點(diǎn)到 QRS 波群起點(diǎn)的相隔時(shí)間。它代表從心房激動(dòng)開(kāi)始到心室開(kāi)始激動(dòng)的時(shí)間，正常為 ~。若超過(guò) ，一般表明 有房室傳導(dǎo)阻滯。這一期間隨著年齡的增長(zhǎng)而有加長(zhǎng)的趨勢(shì)。 QRS 間期：從 Q 波開(kāi)始至 S 波終了的時(shí)間間隔。它代表兩側(cè)心室?。òㄐ氖议g隔?。┑碾娂?dòng)過(guò)程。 QRS 波群的寬度即為 QRS 時(shí)限，代表全部心室肌激動(dòng)過(guò)程所需要的時(shí)間，正常人的時(shí)限最長(zhǎng)不超過(guò) 。 QRS 波的形態(tài)、振幅和時(shí)間所包含的心臟信息極為豐富，迄今仍有大量的有用信息尚未被認(rèn)識(shí)，有待進(jìn)一步探討。 ST 段：由 QRS 波群結(jié)束到 T 波開(kāi)始的平線， ST 段下降不應(yīng)低于 毫伏。偏高或降低超出上述范圍，便屬異常心電圖。 PR 段：從 P 波后半部分起始端至 QRS 波 群起點(diǎn)。同樣，正常人的這一段也是接近基線的。 心電信號(hào)是一個(gè)近似周期信號(hào)，它的特點(diǎn)是突變性很強(qiáng)，屬于一種非常典型的具有明顯時(shí)頻特性與時(shí)間 尺度特性的生物醫(yī)學(xué)信號(hào) [13]。其具有以下特點(diǎn)： (1)微弱性：心電信號(hào)的幅度一般只有 ～ 5mV，均值在 1μV，很容易受到干擾的影響。 (2)低頻特性：人體心電信號(hào)頻率比較低，有價(jià)值的頻率范圍一般為~100Hz，能量大部分集中在 ~40Hz。同時(shí)從功率譜上可以得出，心電信號(hào)的能量大部分集中在 QRS 期間，其頻率峰值一般為 10~20Hz， 在信號(hào)的中、高頻 率區(qū)。由于這個(gè)特征在整個(gè)心電信號(hào)圖中非常明顯，因此對(duì) QRS 波形的檢測(cè)變得非常容易識(shí)別。 (3)高阻抗：人體源阻抗一般可達(dá)幾 KΩ 至幾十 KΩ，呈高阻抗性，其作為心電信號(hào)的信號(hào)源，給心電信號(hào)的檢測(cè)帶來(lái)了不利，容易造成心電信號(hào)的誤差和失真。 (4)不穩(wěn)定性：人體內(nèi)部各個(gè)器官之間相互影響，又與外部密切關(guān)聯(lián)，所以，無(wú)論內(nèi)部的還是外部的影響，都能引起 ECG 的變化，引起心電信號(hào)的不穩(wěn)定。 (5)隨機(jī)性：人體由于周圍環(huán)境的影響，不可避免的會(huì)受到各種各樣的外界干擾而使心電信號(hào)發(fā)生變化，從而造成心電信號(hào)的隨機(jī)性。 心電信號(hào)的獲取 為了統(tǒng)一和便于比較所獲得的 ECG 波形，臨床上對(duì)測(cè)定 ECG 的電極位置和導(dǎo)聯(lián)線與放大器的連接方式有嚴(yán)格的統(tǒng)一規(guī)定，稱之為心電圖的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)。臨床上廣泛應(yīng)用的是標(biāo)準(zhǔn) 12 導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)。在本論文中，由于是為便攜式監(jiān)護(hù)儀所設(shè)計(jì)，不可能把標(biāo)準(zhǔn)的 12 導(dǎo)聯(lián)全部采集。所以這里采取測(cè)量其中比較有代表性的 3 電長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 極 標(biāo)準(zhǔn) I 導(dǎo)聯(lián)，表現(xiàn) 兩個(gè)電極測(cè)量點(diǎn)之間的電位差變化。 心電信號(hào)的干擾分析 心電信號(hào)作為心臟電活動(dòng)在人體體表的表現(xiàn)，幅度僅為 10μV~4mV，這導(dǎo)致其極易受到外界環(huán)境的干擾，引起 ECG 信號(hào)的異常。通過(guò)電極檢 測(cè)到的 ECG信號(hào)中含有幾種不同類型的干擾，主要為工頻干擾、基線漂移、電極接觸噪聲、肌電干擾等，其中 50Hz 及其倍頻附近的工頻干擾和 以下的極化電壓干擾是最重要的兩個(gè)干擾源。其中主要的干擾與噪聲介紹如下： (1)基線漂移 基線漂移一般是由極化電壓引起的，由于 兩電極之間極化電壓很難保持絕對(duì)的對(duì)稱性 ，心電信號(hào) 將會(huì) 隨著肢體稍微劇烈的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生改變，從而使心電信號(hào)的準(zhǔn)確性受到了破壞，基線漂移頻率約是 ~。 (2)工頻干擾 [14] 人體周圍 時(shí)時(shí)刻刻 都存在著工頻干擾，主要是 50Hz 電源干擾及其 高次諧波干擾。如果不采取一定的去噪手段，可以從心電信號(hào)的頻譜中發(fā)現(xiàn) 50Hz 的幅度極高，基本把心電信號(hào)淹沒(méi)掉，這是由于人體的天線效應(yīng)造成的。 (3)肌電干擾 [15] 肌電干擾是由人體活動(dòng) 、 肌肉緊張 等產(chǎn)生的 皮膚電勢(shì)引起的，經(jīng)研究證實(shí)，大約有 30mV 的電勢(shì)在人體內(nèi)外表皮層中存在， 其 隨著人體皮膚的運(yùn)動(dòng)發(fā)生波動(dòng)， 并會(huì) 隨著電極的采集進(jìn)入前置放大電路并進(jìn)行放大，從而造成心電信號(hào)存在噪聲 。肌電 干擾的頻率范圍很廣，一般在 5Hz~2KHz 之間 ， 頻譜特性接近白噪聲。 (4)電極接觸噪聲 電極與皮膚表面一般要涂抹導(dǎo)電膏并進(jìn)行適當(dāng)?shù)?固定，以防止電極與皮膚表面的接觸發(fā)生松動(dòng)或脫落，從而防止接觸阻抗的變化。 由以上分析可得： ECG 信號(hào)中的干擾和噪聲存在頻帶寬、幅度大的特點(diǎn)，在進(jìn)行心電信號(hào)采集時(shí)必須進(jìn)行預(yù)處理，否則采集出的心電數(shù)據(jù)將失去分析與處理的意義。 多參數(shù)病人模擬器 本系統(tǒng)選擇實(shí)驗(yàn)室的多參數(shù)病人模擬器作為心電信號(hào)源，其輸出信號(hào)穩(wěn)定，波形準(zhǔn)確，給系統(tǒng)測(cè)試帶來(lái)方便。多參數(shù)病人模擬器如圖 22 所示，其具有如下特點(diǎn)：長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 圖 22 多參數(shù)病人模擬器 (1)高性能，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧 (2)常用設(shè)定均有熱鍵標(biāo)記 (3)12 導(dǎo)聯(lián) ECG (4)呼吸以及溫度選擇 (5)有 創(chuàng)血壓模擬 (6)心輸出量選件 (7)成人及兒科正常竇性節(jié)律 (8)35 種心律失常 (9)ECG 性能測(cè)試波形 (10)ST 段電平輸出 (11)ECG 干擾