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心电信号采集系统的设计与实现毕业论文

 2020-02-17 09:02  

摘 要

随着当下人们的生活节奏的加快和生活方式的改变,大多数人都处于一种过度消耗自己身体的状态之下,人们普遍的健康水平正在下降。各种新型疾病的出现以及部分中老年疾病患病年龄的提前正威胁着当下人们的生活。因此,对于突发病的检测与预防变得尤为重要,同样也得到人们的高度重视。人体的各种突发病况都会引起心脏运作的异常,而心电图信号(Electrocardiograph,ECG)作为与人体体征直接相关的信号可以反映出心脏的活动信息,携带丰富的生理信息。对人体心电信号的便携监测是监控和预防突发疾病的重要手段。

本文旨在设计一套基于ARM处理器的便携式的心电采集系统,便于用户实时便捷的测量自己的心电情况。可以做到初步采集到患者的心电图信号,并计算出心率和ECG中R波的间隔等心电参数,便于心血管疾病患者及时发现病情异样,能够提醒使用者心电异常,能在最佳的治疗时间内就医;也可以实现串口与上位机的数据发送,将使用者的心电信号在上位机上显示和保存,便于后期对信号的专业分析,给就诊医生提供临时参考。

本课题的主要工作集中在信号的采集、数据处理和屏上显示、串口数据发送和上位机信号显示三部分。其中原始信号的采集主要是以AD8232为核心的放大电路和滤波电路的设计,数据处理是利用STM32F103VET6处理器对信号进行AD转换、数字滤波处理和参数计算,最后驱动OLED液晶屏实现心电波形的显示以及通过串口将数据发送到上位机。本课题讲嵌入式控制技术应用到医疗领域,设计便携的医疗监护产品,迎合当下的市场需求,在医疗保健领域具有一定的应用前景。

关键词:心电信号;采集电路;ARM;数字滤波;心率

Abstract

With the acceleration of people's life rhythm and the change of life style, most people are in a state of excessive consumption of their own bodies, and the general health level of people is declining. The emergence of various new diseases and the advance of the age of illness for some middle-aged and elderly patients are threatening people's life at present. Therefore, the detection and prevention of sudden illness have become particularly important, and people have also attached great importance to it. Various sudden conditions of human body can cause abnormal heart operation, and Electrocardiograph (ECG) signal, as a signal directly related to human body signs, can reflect the activity information of the heart and carry abundant physiological information. Portable monitoring of human ECG signals is an important means to monitor and prevent sudden diseases.

This paper aims to design a portable ECG acquisition system based on ARM processor, which is convenient for users to measure their ECG in real time and conveniently. The ECG signal of the patient can be preliminarily collected, and ECG parameters such as heart rate and interval of R wave in ECG can be calculated, which is convenient for patients with cardiovascular diseases to discover abnormalities in time, can remind users of ECG abnormalities, and can seek medical treatment within the optimal treatment time. It can also realize the data transmission between serial port and upper computer, and display and store the ECG signals of users on the upper computer, which is convenient for professional analysis of signals in the later period and provides temporary reference for doctors.

The main work of this topic focuses on three parts: signal acquisition, data processing and on-screen display, serial port data transmission and host computer signal display. Among them, the acquisition of the original signal is mainly the design of amplification circuit and filter circuit with the core of AD8232. the data processing is to use STM32F103VET6 processor to carry out AD conversion, digital filter processing and parameter calculation on the signal. finally, OLED LCD is driven to realize ECG waveform display and data is sent to upper computer through serial port.

Key Words:Electrocardiogram signal; Acquisition circuit; ARM; Digital filtering; Heart rate

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本课题研究的主要内容 2

1.4 本文各章节安排 2

第2章 设计的相关原理 4

2.1 心电信号的医学基础 4

2.1.1 心电信号的产生和特点 4

2.1.2 心电图波形特征 4

2.1.3 电极和导联 5

2.2 基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103系列微控制器 6

2.2.1 STM32F103系列概况 6

2.2.2 嵌入式软件集成开发工具KEIL MDK 7

第3章 系统硬件的设计与实现 9

3.1 设计需求与系统方案设计 9

3.2 心电采集模块 10

3.2.1 高通滤波电路 12

3.2.2 低通滤波电路 12

3.2.3 放大电路 13

3.3 主控模块 14

3.4 OLED显示模块 15

3.5 稳压电源模块和按键控制 16

3.6 电路整体结构 17

第4章 系统软件的设计与实现 18

4.1 下位机软件设计流程 18

4.2 单片机子程序算法分析 19

4.2.1初始化配置和心电数据采集程序设计 19

4.2.2 数字滤波设计 21

4.2.3 R波间隔算法 23

4.2.4 模式切换和OLED屏上显示设计 23

4.3 上位机设计分析 25

第5章 总结与展望 26

5.1 系统结果与分析 26

5.2 研究展望 26

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

经济的逐步发展改善了人们的生活水平,同时也加大了人们的工作压力,使得现在人们的生活习惯变得越发没有规律,高脂肪高热量食物的过多摄入,导致年轻人的健康水平普遍下降。又加上我国人口老年化越来越严重,心血管疾病的发病率和死亡率占比巨大且不断攀升,成为严重威胁我国国民健康的第一要素。根据《中国心血管病报告2018》的统计,推算心血管现患病人数2.9亿, 心血管疾病死亡率居首位,并且农村的死亡率持续高于城市[1]。心血管疾病具有突发性和隐蔽性等特点,尤其在交通和通信闭塞的农村,病发后的救援工作难以做到及时有效,常常会出现耽误患者最佳救治时间的事件发生。

心脏是人体血液循环的中枢结构,通过有规律的收缩和扩张运动,迫使血液在身体中循环,为肌体组织带来营养和氧气,同时带走生理活动产生的废物,实现机体的物质循环。心脏的活动规律可以大致反映出机体的健康状况,尤其对于心血管疾病的诊断具有很高的参考意义。

现阶段,主流的心电测量途径还是主要通过医院的心电设备,不仅价格昂贵而且效率不高,无法做到便携实时的测量。因此,研发高性能的便携式心电仪变得尤为必要,是实现心血管疾病病发早期发现的有力工具。

1.2 国内外研究现状

1887年英国著名生理学家沃勒(A.Waller)在圣玛丽医院用汞毛细管静电计为人们演示了心电信号的记录过程,这是人类医学史上第一幅心电图。后来他将采集到的这种心脏引起的皮肤电流变化的曲线命名为心电图信号(Electrocardiograph,ECG)。1903年被誉为“心电图之父”的荷兰著名生理学家改进了汞毛细管静电计成为弦线式电流计,采集到了更为精细的心电信号图,并正式将心电波命名为P.Q.R.S.T波。直到1957年,美国生物物理学家Norman J.Holter研发出了动态心电图设备,首次实现了心电信号的长时间测量和观察,丰富了临床的诊断和对患者情况的长期监控[2]。到八十年代,美国推出数字心电信号处理设备。

心电图设备经过长期的发展,其技术已经趋于完善,测量方式和种类也更加多样化。从心电的导联方式来看,常规的有单导联、三导联、五导联和十二导联等方式,现代医院的大型心电设备多采用十二导联的方式,可以提高测量的准确度和稳定性。心电图机的种类也更加丰富,从功能上可分为模拟式心电图机和数字式智能心电图机;从应用场合上可分为大型医用心电图机和便携式心电采集设备。

21世纪以来,电子行业蓬勃发展,微电子、计算机等领域在医疗器械方面的大量应用使得国内外不乏兴起了一大批生产高质量医疗电子设备的厂家。其中心电图机的生产技术已经日趋成熟,国内和国外的生产品牌虽有差别,但是在关键的核心技术上面差别已经不大。国外的主要以瑞士席勒、德国西门子、日本光电和飞思卡尔等巨型企业为代表;在国内,心电图生产厂家也多达两三百家,主要分为医用和家用两种,比较著名的有中瑞奇、迈腾、新华医疗等。随着心电技术的成熟,对心电设备的发展也更加趋于数字化,未来对于心电设备的要求也必然更高。互联网时代的来临也会对医疗器械领域带来冲击,以腾讯、阿里和百度为首的互联网公司也打出了“互联网 医疗”的旗号,正逐步改变传统的医疗模式[3]

1.3 本课题研究的主要内容

查阅相关文献和技术文档,对心电信号首先有一个大致的认知,包括时域频域特性以及采集的要点;然后学习使用相关的硬件平台、了解使用芯片的技术参数,大致搭建出系统的解决方案;最后熟悉嵌入式开发环境,学习开发语言,系统的完成硬件的搭建和软件的编程。

本课题主要设计完成了一套心电采集系统,可以实现人体心电信号的便携式采集,系统功能包括心电波形的显示和心电基础参数的计算,呈现良好的人机交互界面,同时可以实现串口的上位机发送,便于后续的处理与分析。主要完成的工作如下:

  1. 硬件部分:结合心电信号微弱的特点设计以AD8232为核心的前端放大电路、电源电路和以基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103VET6为主控模块,实现对放大信号的处理,添加OLED屏和按键等外设,呈现良好的人机界面。
  2. 软件部分:主要分为STM32的编程和上位机接收信号的编程两部分。其中STM32的编程实现信号的AD转换、滤波处理、参数计算、屏上显示以及串口发送;上位机部分是利用串口调试助手对下位机发送信号进行接受和保存,可以利用Matlab绘制出图形。

1.4 本文各章节安排

本文共分为五个章节来阐述实现原理和具体的实现方法,章节主要安排如下:

第一章:绪论。主要介绍了课题研究的背景和意义,阐述了课题的主要内容、研究目标以及全文的章节安排。

第二章:设计相关原理。主要介绍了心电信号的基础知识以及基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103系列微控制器的功能原理。

第三章:硬件的设计与实现。给出了心电采集系统的整体硬件电路设计,详细介绍了各模块的设计方案,包括前端采集模块、STM32F103VET6主控模块、OLED显示模块和电源模块。

第四章:软件的设计与实现。本章主要介绍了下位机程序算法流程和上位机数据的接受与显示。其中下位机是利用STM32的模块化程序设计来实现信号的AD转换、数字滤波、参数计算、屏上显示和串口发送;上位机则利用串口调试助手来接收串口数据,并在Matlab上绘图,实现心电信号的PC端显示和数据保存。

第五章:总结与展望。本章主要对全文进行了系统性的总结,对设计不足的地方进行了分析,以及对后续研究的展望。

第2章 设计的相关原理

2.1 心电信号的医学基础

2.1.1 心电信号的产生和特点

人体的血液循环是通过心脏节律性的搏动完成。心脏在跳动前,首先会发生心肌的兴奋,兴奋会引起心肌细胞细胞膜内外离子的极化和数量的变化,产生负电荷而形成微弱的电流,由于人体可以导电,因此电流能通过血液向其他组织器官传导[4]。由于人体各组织结构不同且与心脏距离不同,所以在人体皮肤表面会产生微弱的电位差。通过专用的心电电极可以收集到这些电位差,通过一系列放大和滤波处理后便可以得到清晰的动态心电图曲线。

人体的心肌的电冲动表现在人体表皮上产生了心电信号,具有以下几个特点[5]

  • 微弱性:人体表面的心电信号很微弱,一般在毫伏级别,大致位于10uV~5mV之间。
  • 低频性:人体心电信号的频谱主要在0.05~100Hz范围内。
  • 高阻抗:心电信号的信号源是人体,而人体的阻抗一般在1KΩ~100KΩ。
  • 随机性:由于人体机能构成的复杂性已经遗产的多样性,导致人体在不同的环境下心电信号的不确定性,也无法用确定的函数来对心电信号进行拟合。

2.1.2 心电图波形特征

典型的ECG信号主要由五种类型的波组成,即P波,T波,Q波,R波和S波,如图2-1所示。

图2-1 标准的ECG信号

这些波的间隔通常用于诊断各种心脏病[6]。在这些波的所有特征中,有四种最常用于医学诊断,即:

  • RR间期:作为最显着的特征之一,R波通常用于识别ECG信号的周期。RR间期表示两个相邻R波之间的时间间隔,在某些心脏疾病(例如心律失常)的情况下可能变得不规则;
  • PR间隔:PR间隔测量P波开始与QRS波群开始之间的时间。它表示脉冲从窦房结到达心室的时间;
  • QT间期:QT间期代表Q波开始和T波结束之间的时间,这与心室去极化和复极化有关。如果QT间期超过正常值,则心室颤动或甚至心源性猝死的风险增加;
  • QRS波群:QRS波群主要与心室去极化有关,后者由三个重要波组成,即Q波,R波和S波。通过分析QRS复合体的形态和持续时间,可能检测到某些疾病,例如电解质紊乱或药物毒性。

2.1.3 电极和导联

  1. 心电电极

心电电极可以捕捉到人体表面微弱的生物电信号,通过导联线传送到测量模块,从而实现心电信号的采集。因此心电电极是人体和心电测量系统之间的纽带,是心电信号采集的最前端。[7]目前市场上存在的医用电极有AgCl电极、泡沫结构电极、纺织柔性电极、微针电极和绝缘干电极等。

在心电采集系统中,要求电极具有噪声小、灵敏度高、材料电阻率低等特点。本设计选用一次性的AgCl电极片,这种类型的电极片在国内外应用最为广泛。其组成主要包括三个部分:金属导电电芯、可粘贴无纺布和Ag/AgCl固态凝胶。

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图2-2 AgCl电极片

这种AgCl电极片是一次性使用的,因为其导电凝胶在开封使用后极易脱水干燥而失去导电性。心电信号是通过人体离子浓度变化而产生的离子电流,而导联线中实现的是电子电流的传输,正是电极片中的Ag/AgCl固态凝胶实现了离子电流到电子电流的转化。导电凝胶粘贴在皮肤表面,导致贴片处离子浓度发生变化形成电偶层,因而产生电势差,通过金属导电电芯传送到导联线,完成离子电流到电子电流的转化。

  1. 导联线和导联方式

导联线是用来实现电极采集到的信号到放大模块之间的传送,需要具有抗干扰、稳定性高的特点,本设计采用专用的三导联导联线,可以实现三导联心电采集的信号传输。

导联是指心电采集过程中电极的放置位置以及电极与放大器的接线方式。人体表面任何地方都可以采集到心电信号,根据实际采集效果,共分有十二种不同的导联方式。传统的导联方式包括标准双极肢体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联、以中心电端为标准的 V1~V6单极胸导联方式以及改良以往中心电端的aVR、aVL、aVF单极加压肢体导联的方式[7]

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