基于ARM的心电检测模块

目录
中文摘要 (1)
英文摘要 (2)
1绪论 (3)
1.1课题背景 (3)
1.2国内外研究动态及发展趋势 (3)
1.3课题研究的意义 (4)
1.4课题主要研究内容 (5)
2心电信号医学基础 (6)
2.1心电信号波形介绍 (6)
2.2心电信号形成原理 (7)
2.3心电信号干扰和噪声分析 (8)
2.3.1生理干扰 (8)
2.3.2技术干扰 (9)
2.4心电信号干扰和噪声抑制 (10)
3心电检测系统硬件设计 (12)
3.1电极和导联 (12)
3.1.1电极 (12)
3.1.2导联 (14)
3.2缓冲放大电路设计 (15)
3.3右腿驱动电路设计 (15)
3.4屏蔽层驱动设计 (16)
3.5前置放大电路设计 (16)
3.6低通和高通滤波电路设计 (19)
3.7主放大电路设计 (21)
3.850H Z陷波电路设计 (21)
3.9ADUC7020 (22)
4心电检测系统软件设计 (23)
4.1ECG算法背景介绍 (23)
4.1.1句法方法的算法 (23)
4.1.2非句法方法的算法 (24)
4.2ADUC7020程序 (28)
5结论 (30)
5.1结论 (30)
5.2展望 (30)
6谢辞 (31)
参考文献 (32)
附录 (33)
基于ARM的心电检测模块
摘要：心脏病是威胁人类健康的主要疾病之一，而心电图是其诊断的重要依据。

临床医学实践表明，对于心脏病的防治，最有效的手段是预防和保健，其中家庭保健环节尤为重要。

因此，设计适合家庭使用的便携心电检测系统对心脏病的预防有非常重要的意义。

本文设计了基于ARM的心电便携式检测模块，模块由心电信号采集部分和心电信号处理部分组成。

心电信号采集部分主要由缓冲放大电路、右腿驱动电路、屏蔽层驱动电路、前置放大电路、低通与高通滤波电路、主放大器电路以及50Hz陷波电路等组成。

其功能是将弱小的心电信号经过放大滤波，得到具有诊断价值的心电信号，然后由模数转换电路转换为数字信号，再经串口发送到PC机做进一步处理。

心电信号软件处理部分主要实现QRS波检测和心率计算等功能。

课题作为便携式心电检测系统
的前期研究，设计了便携式心电检测模块的硬件和软件。

实现了心电信号数据采集、QRS波检测及心率计算等功能，达到了预期的目标，为下一步研究
做了充分的准备。

关键词：心电信号；数据采集；ECG滤波；QRS检测
Abstract: Cardiopathy is one of the most prevalent diseases in endangering people’s health.And ECG is an important diagnostic tool for assessing heart
function.The clinic iatrology practices have shown the most effective way for
treating heart disease is to prevent and to protect,especially by home health
care.So it is valuable to design a portable domestic ECG detecting system to
prevent heart diseases.This subject has designed a portable detection module
which is based on ARM of ECG .The module is composed of the acquisition
part of ECG signal and the processing part of ECG signal. The collection part
of ECG signal is mainly made up of Buffer amplifier circuit,RL drive
circuit,shield drive circuit, Pre-amplifier circuit, Low-pass Filter Circuit and
High-pass Filter Circuit, main amplifier circuit, and 50Hz notch filter circuit.
Its function is to adjust the lower signal to acquire the valuable analog ECG
signal and convert it to digital signal，which is sent to the PC process by serial
communcation.The main function of the processing part of ECG signal are
QRS detecting and calculation of the heart rate.As a preceding study of the
module of portable ECG detecting system, the software and hardware are
designed in this paper.This module has achieved the goals such as ECG singal
acquisition,QRS detecting and the calculation of heart.Therefore,this
groundwork will greatly facilitate the following researches.
Keyword: ECG Signal Data Acquisition ECG Filter QRS Detecting
1 绪论
随着我国人口老龄化的加剧，心脏疾病的患病率也越来越高。

据统计，目前有1亿以上的人患有高血压，每年大约有75万人死于心脏疾病，心血管疾病的患病率仍在逐年上升，而且呈低龄化趋势[1]。

临床医学实践表明，对于心脏疾病的防治，最有效的手段就是预防和保健，在对心脏病患者进行经常性监测的基础上，尽早发现异常病变情况，及时进行治疗，以控制病情的进一步发展。

当前市面上心电检测设备在设计时都侧重于供医院和社区医疗使用，而对适合家庭使用的便携式心电检测设备存在的问题研究较少。

现有心电检测设备对家庭使用来说还存在较多问题，例如价格昂贵、专业性强、用户操作不便、智能化比较低等缺点。

因此，研究开发适合预防保健的便携式心电检测系统有着重要的意义。

1.1 课题背景
近些年来，随着社会的发展、科技的进步、生活水平的不断提高，人们的健康观念及保护健康的方式和途径都发生了深刻的变化，家庭医疗就是适应当前社会发展需要，将当代高新技术与临床医疗相结合的产物，并已成为当今世界医疗领域的研究热点。

家庭医疗实现医疗进入家庭，可以在家中对病人实施诊断、治疗、康复和保健。

家庭医疗符合现代社会日益老龄化、医疗费用日益高涨以及人们对身体健康标准不断提高的趋势，同时家庭医疗网络化可以提高边远地区的医疗水平。

因此，家庭医疗的发展具有强大的生命力。

心电图作为一种无创伤检查手段，经过大量的临床研究，证明对心脏肥大、心肌梗塞及其梗塞部位具有决定性的诊断价值，对某些心脏疾病，如心肌炎、心包炎、药物中毒等引起的心脏病变具有辅助诊断意义[2]。

1.2 国内外研究动态及发展趋势
目前，国外一些发达国家己经在家庭式心电检测系统研究方面取得了卓越成就，并且还在以更高的速度进行改进和提高，例如SHAHAL公司的电话传输心电图监护系统、Card Guard公司的Card Guard 系列心电监护系统、TIE公司的Aerotel电话传输心电系统、美国的HeartFAx、HeartMiror、HeartView系列心电监护系统、瑞典的
caliberTrigger Monito系统，这些设备己经投入市场使用多年。

我国在这个领域的研究是在90年代中期才刚开始起步，但经过近二十年的发展，在这方面的研究也已取得了很大进步，如珠海中立电子集团研究开发的院外心脏病集群监护系统、“护心神”电话传输心脏监护系统，以及卡迪欧公司的“爱心”袖珍心电监护系统。

其中“爱心”袖珍心电监护系统还荣获第二届全国发明展览会金奖和第十五届日内瓦国际发明金奖和特别奖，并通过了ISO9002和欧洲CE等质量体系认证[2]。

综观当前心电检测仪器发展趋势，主要向以下几个方向发展[3][4]：
(1)数字化技术及其它先进技术的运用
运用先进的数字信号处理技术，使心电信号的处理速度及准确率得到充分保证。

(2)多导同步记录
多导同步记录心电检测设备，可以同步整体观察和测量多个导联在同一个心动周期的波形，从而提高分析各种测量参数的准确性，便于进行早搏定位，心律失常分析，预激综合症的分型、定位，宽QRS波心动过速的鉴别诊断。

现在真正同步12导联及正交变换18导联动态心电图机已应用于临床。

(3)自动测量和分析诊断功能的完善
目前市场上的心电图机种类较多，其中部分机型具有自动检测和分析诊断功能，但功能不是很完善。

因此，未来心电图机自动检测的内容将更详细、自动分析诊断功能也会更强大。

如邦健自动分析心电图机的自动诊断功能可以达到对200多种病例的自动判别。

(4)远程医疗
以计算机技术和网络通信技术为基础，将心电数据进行远程传输，在远端对心电数据加以分析处理并提出诊断结果，从而实现远程医疗。

1.3 课题研究的意义
心脏病作为一种常见多发慢性疾病，由于其病情隐蔽、发展缓慢、发病危险性高的特点，长期以来一直威胁着人类的健康，尤其对中老年患者的危害性极大，及时发现和预防在减少心血管疾病危害及病人治疗与康复中极为重要。

而心电图检查是发现心脏病变的重要手段。

传统的心脏病检查都是在医院或社区完成的，这样就存在两个问题，第一，由于心电图检查费用较高，因此有些患者不可能随时进行心电图检查；第二，因患者在医院就诊时容易产生心理压力造成心电图不正常，导致误诊。

因此，研究开发一种价格低廉且操作简单的家庭式心电检测系统对家庭患者
的心电检查有着重要的意义。

课题所研究的家庭式心电检测系统可以使患者在家中完成传统心电图检查，同时可以实现QRS波参数检测及心率测量。

1.4 课题主要研究内容
本课题研究的家庭便携式心电检测系统是家庭便携式网络心电检测系统的前期研究。

系统在设计时本着为后续研究服务的思想，研究了心电信号数据采集部分的软硬件设计、QRS波检测算法。

课题在设计时采用先硬件、软件分开设计，再进行联机调试的思路。

硬件电路主要内容有缓冲放大电路、右腿驱动电路、前置放大电路、带通滤波电路、主放大电路、50Hz陷波电路。

软件设计分主要包括，单片机主程序设计、A/D转换子程序设计及串口通信子程序设计。

2 心电信号医学基础
心脏是循环系统中重要的器官，由于心脏不断地进行有节奏的收缩和舒张活动，血液才能在闭锁的循环系统中不停地流动。

心脏在机械性收缩之前，首先由心肌产生电激动，激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表，使体表不同部位产生不同的电位。

如果在体表放置两个电极，分别用导线连接到心电图机(即精密的电流计)的两端，那么就会按照心脏激动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成一条连续的曲线，这就是心电信号波形[5]。

2.1 心电信号波形介绍
图2.1为正常心电图波形组成及测量示意图。

由图可见，在心电图纸上的每个小方格中，横格每小格代表0.04s ，纵格每小格代表0.lmV 。

基本测量参数包括心率(RR 间期)、P 波时限、PR(PQ)间期、QRS 时限、QT 间期、平均心电轴等。

除特殊要求外，振幅测量单位统一用毫伏(mV)表示，时间测量单位用毫秒(ms)或者秒(s)表示。

正常心电波形按顺序出现的是P 波、QRS 波及T 波，其各波形间的间期有P-R 间期、R-R 间期、Q-T 间期，分析各个波的幅值及各波形间间期的变化可为诊断各种心脏疾病或全身疾病提供依据。

P 波：最初产生的偏离基线的波被命名为P 波，它反映心房除极过程的电位变化，代表了两个心房的去极；
QRS 波：是心室激活产生的最大的波，它反映心室肌除极过程的电位变化，其正常间隔是0.08s-0.12s 。

典型的QRS 波群是指三个紧密相连的波：第一个为向下的
Q 图2.1 正常心电图波形组成及测量示意图
波(这个波不一定总是出现)，第二个为向上的R波，第三个为向下的S波。

QRS是广义的代表心室肌的除极波，并不是每一个QRS波群都具有Q、R、S三个波，一个单相的负QRS复合波被称为QS波；
P-R间期：从P波开始到QRS复合波开始。

它反映心房肌开始除极到心室肌开始除极的时限，正常间期是0.12s-0.20s。

测量是从P波的起点到QRS复合波的起点，P-R 间期是房室传导时间的一种度量，因此在临床诊断上很有价值；
S-T段：出现在QRS波群以后T波以前的一段平线，是左、右心室全部除极完毕到复极开始以前的一段时间。

其在诊断心肌梗塞(升高)和局部缺血(降低)方面的作用是非常重要的，在正常情况下，S-T段可用作测量其它波形幅值的等电势线；
T波：代表心室肌复极过程引起的电位变化，正常时T波的电压不超过0.4mV，临床上可根据其高度来诊断有无心室后壁心肌梗塞[6]。

2.2 心电信号形成原理
心脏是由大量心肌细胞组成的一块心肌，整个心脏的退极化与复极化是许多心肌细胞退极化和复极化的结果。

心肌细胞除极和复极的电生理现象是心脏运动的基础，由于心脏内部产生的一系列非常协调的电刺激脉冲，分别使心房、心室的肌肉细胞兴奋，令其有节律的舒张和收缩，这些运动导致在体表的不同部位呈现不同的电位差，通常从体表检测到的心电信号就是这种电位差信号。

正常情况下，窦房结自律细胞的节律性兴奋活动是心肌电兴奋的源头，任意时刻心肌兴奋传导到达的面(任意时刻发生去极的心肌构成的面)称为去极面，兴奋的传导就是去极面在心肌中的推进。

因此，常把兴奋的传导过程称为去极波的传导过程，任意时刻的去极面就是去极波的波前。

心脏是一个不规则的空间体，且心肌纤维传导兴奋的能力差异很大，特别是在心肌中存在一系列由特殊心肌细胞组成的传导系统，所以兴奋传导过程中去极面的大小和空间方位是时刻变换的。

为了理解心电活动规律，必须对心脏的传导系统有一个概括的了解。

人体心脏的原发性起搏兴奋点—窦房结位于上腔静脉和右心房的交界处，如图2.2所示。

在正常情况下，由窦房结的起搏细胞每分钟自发地产生50-100次可传导的电兴奋，这种电兴奋以有序方式通过心房内的传导束，首先激活右心房，然后是左心房。

兴奋通过房室结时，稍有延迟，然后进入希氏束，左、右束支到达普金野(Purkinje)氏网。

普金野氏网是个大的细胞传导系统，其分布在两个心室内膜下，电兴奋通过普金野氏网迅速激动心室壁的普通工作性心肌细胞，这样可使电兴奋波传播到整个
心脏，从而完成一次正常的心脏搏动。

这种生物电的电位变化通过心脏周围的导电组织和体液反映到身体表面，在身体各部位呈现随心动周期有规律的电位变化[7]。

为了研究方便和简化分析，可将心脏等效为处在容积导积中一个大小和方向都随时间变化的电极偶子，简称心电偶。

心电偶在某一个时刻的电矩就是所有心肌细胞在该时刻的电矩的矢量和，称为瞬时综合心电向量，简称心电向量。

人体内大小和方向不断改变的心电向量在体表各点均形成随时间变化的电势，这种变化的电势就是心电，其幅值范围是10uV-4mV ，典型值是lmV 。

图2.2非常清楚的描述了心电信号的产生及其在心脏的传导活动。

心电信号从宏观上记录心脏细胞的除极和复极过程，
从一定程度上反映了心脏各部位的生理
状况。

心脏的病变会使心电信号在周期
和形杏上发生畸变，因而心电图的检查
在临床诊断上有重要意义。

临床上为了
统一和便于比较心电图波形，对心电电
极的安放位置及引线与放大器的连接方
式有统一规定，采用这些标准的连线方
式称为心电图的导联系统。

2.3 心电信号干扰和噪声分析
心电信号是心脏活动过程中心脏的肌肉和神经电活动的综合，属于直接信号又称为主动信号，信源为心脏。

由于人体自身的机理以及信号源的不可触及性，检测心电信号时，必须在体表测量。

心电信号与人体其它系统产生的信号一样，具有以下几个主要特点：一是随机性较强，即信号无法用确定的函数式来描述；二是噪声背景强，待测的有用信号往往淹没在许多无用信号中；三是信号频率低。

心电信号基本上是周期信号，同时又有着非平稳的性质，心电信号随时都处于微小的变动之中，而不是固定不变的，即使从群体中同一对象取得的心电信号，在不同时刻也是不同的。

2.3.1 生理干扰
(1)由呼吸引起的基线漂移和心电幅值改变
图2.2 心电传导图
呼吸引起的基线漂移可以看成是将一个呼吸频率的窦性成分(正弦曲线)加入到心电信号中，这个正弦成分的幅值和频率是变化的，其心电图表现如图2.3所示。

呼吸干扰引起的心电信号幅值变化可以达到
15%，引起的基线漂移频率约是
0.015Hz-0.03Hz 。

(2)肌电干扰
肌肉伸缩会产生微伏级的电势，该信号
来自于肌肉的收缩，其幅值大约是心电波形
峰峰值的10%，维持时间大约是50ms ，频带
范围可以在0Hz-1000Hz 。

图2.4是存在肌电
干扰的心电波形。

2.3.2 技术干扰
(1)工频50Hz 及其各次谐波
无处不在的50Hz 交流电系统对检测系统会产生50Hz 干扰，如照明设备、各种电子仪器设备等都是这一类型的干扰源。

该干扰的幅值最大可达到心电幅值峰峰值的50%，工频干扰的表现如图2.5所示。

导线的移动也会在心电图上产生一些峰值，还有在干燥气候下，干燥的皮肤、衣服、
电极和导线彼此摩擦时会产生静电，这
种静电放电也会产生一些干扰。

(2)电极接触噪声 电极接触噪声是由于电极和皮肤接触不良或是被测人体和检测系统脱离引起的瞬间干扰，电极接触噪声的表现如图2.6所示。

电极接触噪声可以认为是一个随机发生的快速基线改变，这种改变可能只发生
一次，产生一个阶跃干扰，也可能快速发
生好几次。

该噪声信号维持时间大约1s ，
幅值可使放大器输出饱和。

(3)电极移位干扰
电极移位干扰是由于电极与皮肤间的阻抗随着电极移动发生了改变，引起源阻
抗变化，该阻抗将与放大器输入阻抗分压。

因为放大器输入电压依赖于源阻抗，而图2.3 呼吸干扰 图2.4 肌电干扰
图2.5 工频干扰
图2.6 电极接触噪声
源阻抗是随电极位置改变而变化的，所以在这种情况下信号就会发生变异。

电极移位干扰的维持时间大约是
l00ms-500ms ，幅值可达心电峰峰值
的50%，其心电图表现如图2.7所示。

(4)设备产生的高频仪器噪声
外科手术器械的高频电流会完
全改变心电信号。

采样频率在250Hz-1000Hz 之间，它的频率大约在100KHz 到1MHz 之间，它的幅值约是心电峰峰值的200倍，维持时间为1s-10s [8][9]。

2.4 心电信号干扰和噪声抑制
心电信号干扰和噪声抑制可以通过模拟硬件滤波和数字滤波加以解决。

(1)基线漂移抑制
① 硬件滤波设计，采用模拟高通滤波器对低频的基线漂移有一定的抑制作用； ② 软件滤波设计，采用滤波法、分段三次函数纠正法、分段抛物线纠正法、IIR 线性相位滤波器法和小波变换等方法可以有效抑制基线漂移。

本系统采用硬件滤波设计，用0.05Hz 的模拟高通滤波电路来实现。

(2)肌电干扰
肌电干扰的抑制措施一般采用四点平滑数字滤波算法实现。

(3)心电信号中工频干扰抑制
① 右腿驱动电路，临床实践证明可以将工频干扰衰减到1%以下；
② 带阻陷波器电路，将带阻陷波器的中心频率设置为50Hz ；
③ 数字平滑滤波算法。

④ 另外对工频干扰的抑制还可以采用Levkov 滤波、NOrcll 滤波、多阻带陷波器、零相位滤波和自适应滤波等数字滤波器。

在本系统采用右腿驱动电路和50Hz 陷波电路。

(4)电极接触噪声和电极移位干扰
对于电极接触噪声和电极移位干扰，从其形成原理来看，只要在检测前清洁肌肤，然后使用一次性心电电极就可以消除，不需要增加额外电路和算法来处理这些噪声和干扰，尤其对于便携式家庭心电检测系统，只要给予正确放置电极的指导就可以避免。

(5)电子设备产生的高频仪器噪声
图2.7 电极移位干扰
家庭式心电检测系统不同于医院使用的心电设备，不会受到诸如高频电刀等高频仪器的干扰。

家庭使用时高频干扰源相对较少，最有可能的高频干扰为手机等通讯设备，对于此干扰只需在使用手册中提出要求，使用本设备检测时禁止在周围拨打或接听手机，这一点不难做到。

3 心电检测系统硬件设计
便携式心电检测系统的硬件设计目的是现实心电信号数据采集。

其功能主要是将心电电极采集到的弱小心电信号通过逐步调理，在尽可能不失真的情况下将其调理为符合A/D转换输入允许范围的信号，然后通过模数转换，将模拟心电信号转换为数字心电信号，并由单片机将这些转换结果做一些简单处理后，通过串口通信，发送到PC机做进一步处理。

硬件部分的任务是完成心电信号的采集。

主要由缓冲放大电路、右腿驱动电路、前置放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、主放大电路以及50Hz陷波电路等构成，硬件部分结构如图3.1所示。

3.1.1 电极
电极是来摄取人体内各种生物电现象的金属导体，也称作导引电极。

它的阻抗，极化特性、稳定性等对测量的精确度影响很大。

作心电图时选用的电极是表皮电极。

表皮电极的种类很多，有金属平板电极，吸附电极，圆盘电极，悬浮电极，软电极和干电极。

按其材料又分为有铜合金镀银电极，镍银合金电极、锌银铜合金电极，不锈钢电极和银-氯化银电极等。

(1)金属平板电极
金属平板电极是测量心电图时常用的一种肢体电极，它是一块镍银合金或铜质镀银制成的凹形金属板，这种电极虽然比较简单，但其抗腐蚀性能、抗干扰和抗噪声能力较差，在微电流通过时容易产生极化，而且电位不稳定和电位随时间漂移严重，信号失真也较大缺点。

日前已较少使用。

肢体电极的固定方法，通常采用的是橡皮扣带、尼龙丝扣带和电极夹子三种。

(2) 吸附电极
吸附电极是用镀银金属或镍银合制而成，呈圆筒形，其背部有一个通气孔，与橡皮吸球相通，它是测量心电时作为胸部电极的一种常用电极。

(3)圆盘电极
圆盘电极多数采用银质材料，其背面有一根导线。

有的电极为了减轻基线漂移及移位伪差在其凹面处镀上一层氯化银。

值得注意的是，该电极在使用一段时间后必须重新镀上氯化银。

(4)悬浮电极
悬浮电极分为永久性和一次性使用的二种。

其中永久性悬浮电极又叫帽式电极，其结构是把镀氯化银或烧结的Ag-AgCl电极安装在凹槽内，它与皮肤表面有一空隙。

使用时，应在凹槽内涂满导电膏，用中空的双面胶布把电极贴在皮肤上。

由于导电膏的性质柔软，它粘附着皮肤，也粘附着电极，当肌肉运动时，电极导电膏和皮肤接触处不易发生变化，起到接触稳定的作用。

(5)软电极
为了克服由于各种硬质电极与皮肤贴附不紧密而当人体有所活动时，电极与体表之问的接触可能会改变原来的状态而引起意外的移位伪差，而生产出了软电极。

(6)干电极
干电极是利用固态技术，将放大器与电极组装在一起所示。

使用时不必涂上导电膏而波形又不失真，但必须要一个输入阻抗很高(10KΩ)的前置放大器相匹配。

除上述六种电极外，还有体内电极和胎儿电极等等。

为了准确、方便地记录心电信号，要求心电电极(用传感器)用必须具有以下功能：
①响应时间快，易于达到平衡。

②阻抗低，信号衰减小，制造电极材料的电阻率低。

③电位小而稳定，重现性好，漂移小，不易对生物电信号产生干扰，没有噪声
和非线性。

④交换电流密度大，极化电压值小。

⑤机械性能良好，不易擦伤和磨损，使用寿命长，见光时不易分解老化，光电
效应小。

⑥电极和电解液对人体无害。

根据以上要求，目前国内外供临床广泛使用的电极为银-氯化银电极。

它是用银。