【正文】 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 目 錄 1 引言 ???????????????????? ? 1 心電圖儀在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用 ????????? ? 1 便攜式心 電圖儀的發(fā)展?fàn)顩r ????? ????? ? 2 2 系統(tǒng)總體設(shè)計 ???????????????? ? 4 主要功能 ?????????????????? ? 4 系統(tǒng)設(shè)計方案 ???????????????? ? 5 3 便攜式心電圖儀的硬件設(shè)計 ??????????? 6 最小核心系統(tǒng)的設(shè)計 ?????????????? 7 處理器的選擇 ???????????????? 7 最小核心系統(tǒng)電路的設(shè)計 ??????????? 8 人機交互界面的設(shè)計 ????????? ????? 12 顯示界面設(shè)計 ???????????????? 12 按鍵設(shè)計 ?????????????????? 14 前置放大電路以及右腿驅(qū)動電路 ????????? 15 濾波電路以及陷波電路的設(shè)計 ?????????? 16 電源電路的設(shè)計 ???????????????? 18 4 便攜式心電圖儀的軟件設(shè)計 ??????????? 19 軟件開發(fā)平臺 ????????????????? 19 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計 ??????????????? 21 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 軟件總體分析 ??????????????? 21 STM32 軟件系統(tǒng)設(shè)計流程 ?????????? 21 軟件總體流程圖 ?????????????? 23 信號采集程序設(shè)計 ?????????????? 23 數(shù)字濾波程序設(shè)計 ?????????????? 25 液晶程序設(shè)計 ???????????????? 26 5 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果及誤差分析 ??????????? 27 調(diào)試手段 ?????????????????? 27 測量調(diào)試以及分析 ???????? ?????? 28 采集電路的測試 ?????????????? 28 濾波算法測試 ??????????????? 29 整體測試和結(jié)果分析 ???????????? 30 結(jié)束語 ???????????????????? ? 32 參考文獻 ???????????????????? 34 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 1 1 引言 隨著社會的進步、經(jīng)濟的發(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達 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?，這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 家庭化開始逐漸進入我 們的 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 2 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 體積小、 操作簡單的優(yōu)點 ， 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行心電圖信號的測量，并根據(jù)進一步 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)機構(gòu)做進一步的 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)通過遠程傳送的方式，提 交到專業(yè)機構(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。而便攜式監(jiān)護裝置可以在隨時隨地的進行 實時監(jiān)護，并把數(shù)據(jù)存儲起來。這樣 不僅可以節(jié)省時間，還可以 得到實時的監(jiān)護，所以研發(fā)便攜式心電監(jiān)護產(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 。 便攜式心電圖儀 的發(fā)展?fàn)顩r 1887 年英國生理學(xué) Einthoven通過對毛細(xì)管的靜電計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一步研究，并通過對德?阿森瓦爾氏的鏡影電流計的設(shè)計改進，提高了心電圖的質(zhì)量。 1903 年他成功的設(shè)計了弦線式電流計，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)計算等缺點。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) 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 3 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 貢獻。心電圖從此開始逐步走進協(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，另外機械、電子、計算機等技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶動 了醫(yī)療器械發(fā)生了革命性變化，極大的增強了心電圖機的功能。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機、微電子、機械電子在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，極大的促進了心電設(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、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)院計算機管理網(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 2020， 2020 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 隨著計算機科學(xué)、機械電子的迅猛發(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)心臟檢測的繁瑣程序。同時，能減輕病人的心里緊張程度，實現(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)計的目標(biāo)之一。 （ 5）遠程化 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 4 計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，為遠程醫(yī)療的實現(xiàn)提供了可能，將心電數(shù)據(jù)通過遠程傳輸，在遠端對心電數(shù)據(jù)加以分析處理并提出診斷結(jié)果，從而實現(xiàn)遠程醫(yī)療。如目前出現(xiàn)的基于 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)就是這個發(fā)展趨勢的體現(xiàn)。 總之，科技不斷進步，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會，我們相信，在未來幾年里，家庭化的監(jiān)護設(shè)備必將越來越普及 [6]。 2 系統(tǒng)總體設(shè)計 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)計提出了更高的要求。因此在設(shè)計前端硬件電路時，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到分析信號的要求，硬件濾波的一個缺點是，要想獲得更好的濾波效果， 必須設(shè)計更高的階數(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 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 5 統(tǒng)。主要研究工作如下