基于STM32的便携式心电仪的设计与实现Word下载.docx

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一、

绪论

（一）研究背景及意义

随着社会的进步和经济的发展，生活水平的改善以及社会老龄化加剧，心血管疾病的发病率不断攀升，这严重影响了人们的身体健康，成为威胁人类健康的第一因素。

根据国家心血管病中心发布的《中国心血管病报告2013》显示，由于心血管病一些不良因素的流行，我国心血管病的发病人数一直在持续增加，相当于每5个成年人中就有1个心血管病患者。

其中，高血压是冠心病和脑卒中发病的主要因素。

而目前超过50%的心血管病发病与高血压有关。

根据几何级数法估算，2012年，全国高血压患病人数为2.7亿，每10个成年人中至少有两个患高血压。

但高血压的知晓率仅为42.6%，而且只有三分之一的人去治疗，血压能控制的人也不足10%【1】。

也就是说，如果我们能及时发现心血管疾病，并及时去治疗控制它，我们就可以有效防治心血管疾病。

不过有效的便携式心电仪是实现初期发现疾病的最有效途径。

常规监测心血管疾病的心电仪都是体积庞大，不易随身携带，而且每次检测都需要去医院有一定的手续才能实现，价格昂贵，也不适宜家庭使用。

随着社会的发展和医疗水平的提供，一些便携式医疗器械逐渐走入人们的生活。

这些便携式医疗器械具有体积小，便于携带，操作简单的优点，虽然它们不具备常规医疗器械的一些特殊功能，但是也基本满足了人们的日常需求。

便携式心电仪也是如此，它能够随时随地为人们进行心电图的测量，并经过一定处理，显示出波形，如有必要可将数据交给专业人士做进一步的诊断。

另外对于一些行动不便的病人，还可将波形存储下来，通过互联网上传给专业机构。

同样，在医生急诊或者查房时，便携式心电仪也有利于医生方便快速的诊断出病情并给出治疗方案。

常规的心电图是病人静卧在床上，短时间测量出来的，只能反映当时的状态，难以监测出太多的信息。

然而便携式心电仪可以在家里进行长时间的实时监测，并存储数据，为诊断病情提供了不少的信息，这样病人就可以不用经常去医院或者长时间住院进行常规检查，在家里也能同样得到实时的监护，所以研究一个便携式心电仪系统是具有非常重要的意义。

（二）国内外研究现状和发展趋势

1842年法国科学家Mattencci首先发现了有关心脏的电活动【2】；

并且后来经仔细研究记录到了心脏跳动的电信号。

1885年荷兰生理学家W.Einthoven首次用毛细静电计从体表记录到心电波形，后来该设计改进成弦线电流计。

由此开创了心电图记录的历史。

1924年Einthoven获诺贝尔医学生物学奖【3】。

随着现代科技的快速发展，心电设备已经得到了极大的发展，功能也更加完备，性能更强，功耗更低。

纵观现代医疗器械的发展趋势，当前的心电设备主要向以下这几个方向发展：

（1）无线化

随着无线传感技术的发展，它在心电设备的应用显得更加重要。

心电设备无线化可以让被测人摆脱各种导线的束缚，减轻导线连接的繁琐程度，同时也降低心理压力，使心电设备具有方便的优点。

（2）数字化

随着现代数字信号处理技术的发展以及心电设备的数字化程度越来越高，对心电图信号的数字处理降低了噪声信号的干扰，提高了心电信号测量的准确性和真实性，也方便数据存储。

（3）微型化

常规监测心血管疾病的心电仪都是体积庞大，不易随身携带，而心电仪微型化具有体积小，便于携带，操作简单的优点。

它能够随时随地为人们进行心电图的测量，并经过一定处理，显示出波形，如有必要可将数据交给专业人士做进一步的诊断。

（4）智能化

心电仪自动测量和分析心电图，自动警报不正常的心电波形可能会是现代医疗技术不断发展的方向。

在未来的几年，高度智能心电仪可实现实时监测和诊断，高度有效地预防心脏疾病。

总之，随着科技的不断进步以及人们生活水平的不断提高，人们对这些电子医疗仪器的需求也会不断的增加，那么未来便携式心电仪的功能也会不断完备，在人们的日常生活也越来越普及。

（三）论文研究内容

本文主要介绍了通过STM32与信号采集技术结合，研究开发一个可以监测并分析心电信号的心电仪系统。

主要研究工作：

（1）心电信号的监测方法

传统对心电检测方法有导联线测量法，胸部测量法，腿部测量法等，结合各种方法的优缺点和系统需要，本文采用三级导联线测量法。

（2）心电仪系统的硬件设计

心电仪系统的硬件设计主要有心电信号采集电路和心电信号处理电路。

心电信号的采集电路主要实现采集心电信号，把心电信号转化为可处理的模拟信号的功能。

心电信号处理电路主要完成对采集的信号进行滤波，放大，把模拟信号转化为STM32可以处理的信号。

（3）心电仪系统的软件设计

心电仪系统的软件设计主要是对心电信号的分析和显示两大模块程序。

心电信号分析程序是对心电信号的处理分析，经过一定的算法，得出心电波形的频率，即心率。

心电信号显示程序是提取心电信号，将心电信号在LCD显示屏上显示出来。

二、人体心电信号的理论基础

（一）心脏电信号传导过程分析

心电生理学资料表明，心脏会有规律地进行收缩运动和舒张运动【4】。

心脏运动则需要有神经信号不断刺激，然而传递神经信号的本质是细胞膜内外阴阳离子的交换，从而产生电信号。

同时，这一电变化是会通过组织和体液传递到身体表面上来，使身体表面也随着心脏跳动同样发生电信号变化的活动。

这种电传递变化十分复杂，但是会有序的通过周围组织传遍身体各个部位，使身体表面电势出现有规律的变化。

将这种有规律的变化通过一定的科学手段记录成变化曲线，就是目前医学认可的心电图（ECG）。

（二）心电信号的分析

图1典型的心电信号

如图1所示，一般的心电图是由一系列的波群组成的【5】，各段波群的变化反映了不同阶段的心电信号的变化。

下面对每段波群作详细的介绍：

（1）P波：

是最初产生幅度波动的波，它表示心房去极化过程的通道电位变化。

（2）QRS波群：

是整个过程波动最大的波，它表示了心室去极过程的通道电位变化。

一般时间为0.08-0.12秒。

（3）PR波群：

是P波开始到PRS波开始的时间。

它表示了心房去极到心室去极中间的传递，用于度量房室传导时间。

一般时间为0.12-2.0秒。

（4）ST波群：

是QRS波群结束到T波开始的一段时间，它反映了除极过程结束到复极开始以前的一段时间。

（5）T波：

是整个波群结束的一段时间，它反映了心室肌复极过程引起的电位变化。

（6）QT波群：

是整个除极过程开始到复极过程结束的一段时间，它反映了心室肌肉兴奋到恢复的过程。

心电信号是一个近似周期的模拟信号。

心电信号的基本特征主要体现在以下几个方面：

（1）微弱性：

人体心电信号的幅值范围只有几微伏到几毫伏，均值一般为1mV。

因此信号的检测还是有一定难度的。

（2）不稳定性：

人体的心电信号总体看起来近似周期，但又时刻处于不停的变化。

（3）低频：

人体的心电信号的频率范围一般在0.05-100Hz之间。

（4）随机性：

人体心电信号代表了人体心脏跳动的情况。

由于前几条特征，心电信号容易受到干扰，所以具有一定的随机性。

（三）心电信号的可能干扰

由于心电信号有微弱性，不稳定性等几个特征，这意味着心电信号容易受到外界噪声等其他随机信号的干扰。

因此心电信号可能受到的干扰可分为两类：

生理干扰和技术干扰。

（1）生理干扰

生理干扰又可分为肌电干扰和基线漂移。

肌电干扰是由于人体皮肤表面具有微弱的电势，这个干扰可近似为白噪声，能量主要在30-300Hz范围之间【6】。

基线漂移是由于人体与测试电极接触不好所造成的接触电阻存在，频谱主要在5Hz以下。

（2）技术干扰

技术干扰主要有工频干扰，电极接触噪声和设备干扰。

工频干扰【7】是指50Hz电源干扰以及其高次谐波干扰。

该干扰相对心电信号来说是相当强的，所以必须采用一定的技术手段消除这个干扰。

电极接触噪声是瞬时干扰，可能来源于被测人员的运动或振动，电极与皮肤接触不良等原因。

心电信号是一个极其精细，有规律的复杂的信号，周围环境设备的噪声都是会影响心电信号的提取和处理，这就是设备干扰。

三、心电仪硬件设计

（一）系统设计方框图

图2系统总体原理框图

系统原理框图是用图2表示，整个系统是可分为模拟部分和数字部分。

模拟电路主要是信号采集，包括了对心电信号的提取，放大和滤波。

数字部分主要是STM32处理器对采集到信号进行数字处理，然后显示到LCD显示屏上。

由于心电信号是极其微弱的低频的模拟信号，它很容易受到外界干扰，提取较难，因此信号采集是整个系统的难点，也是整个系统的关键，信号采集工作是否成功，对实现整个系统具有重大意义。

（二）心电电极和导联体系的选择

（1）心电电极的选择

上文讲过心电信号极其微弱，容易受到各种干扰，比如基线漂移。

这是由于存在人体与测试电极接触不好所造成的接触电阻。

因此系统采用表面镀有Ag-AgCl的一次性电极，如图3所示，并在电极上均匀地涂上导电膏，这样可以有效地抵消一些干扰。

（2）导联体系的选择【8】

在心电图学中有三种基本的导联系统：

第一种导联系统是使用最广泛的12导联。

第二种导联系统是用来规定记录VCG的电极的位置。

第三种导联系统用