陈嘉绪;周颖
【摘 要】为了方便对患者心电信号进行实时监测,实现对心脏疾病的及时预防及诊断,利用一款基于ATmega328p微控制器的Ardui-no开发板、一块心电监测前端模块AD8232及上位机软件LabVIEW开发出一套心电实时监测系统,并利用LabVIEW设计出多种软件滤波方法来抑制心电信号中的噪声;由于心电信号的时频特性能提供反映患者心脏活动动态行为的信息,该系统还包括基于LabVIEW设计出的多种用于心电信号实时分析的程序,使被试心电信号所包含的生理特性能够及时地被分析出来;利用所开发的心电实时监测分析系统对被试的心电信号进行采集和分析,发现系统能够非常灵敏、准确地检测心电信号,并对信号噪声有着很好的抑制能力;此外系统能够对信号进行各式的实时分析,且分析结果可靠,能够运用于临床诊断;利用该系统对心电信号进行实时采集和分析,其测量结果准确、去噪效果良好、分析结果可靠,为今后心电实时监测分析系统的设计提供了借鉴. 【期刊名称】pvc安全阀《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2017(025)002
【总页数】6页(P26-31)
网络安全控制技术
【关键词】心电信号;实时监测;实时分析;软件滤波
【作 者】陈嘉绪;周颖
【作者单位】上海理工大学医疗器械与食品学院,上海 200093;上海理工大学医疗器械与食品学院,上海 200093
【正文语种】中 文
【中图分类】TH776
人体心肌细胞产生的心电活动可以通过周围的导电组织传导到体表的任何部位，因此将电极片放置于体表某个部位，就可以检测到该处的电位变化。通过记录每个心动周期内由心脏生物电位变化引起的两个电极间的电位差随时间变化的波形，就可以绘制出心电图 [1]。心电信号可以反映心肌受损的程度以及心房、心室的功能结构情况，也对各种心律失常、心室肥大、心肌梗死、心肌缺血等病症检查具有重要的参考价值。例如，心电图是临床诊
断心血管疾病的重要依据[2]，而心电信号又是早期应用于医学研究的人体生物电，其研究发展较为成熟，因而医生专家已经可以通过研究分析心电信号的特征以及规律来准确地预测和诊断心脏病变。通常来说，猝发性心室颤动和窦性停搏等的患者在病发后的长达6分钟的时间内，若有医生对其及时实行心肺复苏救治，其中70%～80%的患者可以脱离死亡。然而心血管系统的异常生理变化经常在患者本人没有自觉症状的情况下发生[3]，即异常心电信号的出现具有偶然性和不确定性。所以，针对心脏电位变化的实时监测，无疑是一种用于确诊心肌梗死和各种心律失常的疾病的重要手段[4]。在这一背景下，心电实时监护仪应运而出。本次研究的主要内容就是为今后的心电实时监测，设计出一款基于AD8232模块、 Arduino开发板、虚拟仪器LabVIEW的心电实时监测和分析系统。 1.1 心电检测模块的设计
AD8232是一款用于心电信号及其他生物电信号测量应用的集成信号调理模块，具有尺寸小和功耗低的优点。AD8232的功能和引脚如图1和2所示。
如图3所示，AD8232内置的电路包括：运算放大器(A1)、仪表放大器(IA)、右腿驱动放大器(A2)、中间电源电压基准电压缓冲器(A3)、导联脱落检测电路以及快速恢复电路。除了
放大心电信号，AD8232同时具有通过间接电流反馈架构来抑制电极半电池电位的功能。AD8232的各部分放大器及电路原理如图3所示。
1.2 Arduino的设计及工作原理
Arduino UNO开发板是一款内置有ATmega328p微控制器的开发平台。ATmega328是一款基于Atmel 8字节AVR RISC的高性能、低功耗的微控制器。Arduino UNO具有14个数字输入、输出引脚、6个模拟输入引脚、一个16 MHz的陶瓷谐振器、一个USB接口、一个电源、一个在线串行编程和一个复位按钮。Arduino可以通过向开发板上的微控制器发送计算机代码来实现命令。Arduino开发套件包括Arduino Uno开发板和基于C++语言编程实现控制开发板的软件开发环境IDE。整个Arduino硬件开发电路板的结构和实物图如图4所示。
1.3 硬件部分的整体设计
硬件部分总共由一块心电测量模拟前端AD8232、Arduino UNO开发板、心电测量导联线(如图5(a)所示)、心电电极片(如图5(b)所示)、跳线、面包板和USB线组成。测量时，Arduino开发板的3.3 V和GND接口分别和AD8232的VCC和GND引脚相连，并且将AD8232
的OUTPUT和Arduino开发板的模拟输入端(A0～A5)相连，用于采集AD8232模块测量到的心电信号。随后将心电导联线的总插头插入AD8232的插口，并将导联线与电极片安装在一起，根据想要测量的不同导联将电极片粘贴在被试者身上。一切配置完成后，用USB线将Arduino开发板接入计算机，之后开始上位机部分的操作。
2.1 Arduino开发环境的设计
2.1.1 Arduino开发环境与下位机之间的通信
建立开发环境IDE和下位机Arduino开发板之间的通讯需要在IDE的“工具”栏里的“开发板”以及“端口”里选择当前通过USB连接至计算机的正确开发板型号以及串行端口COM的编号。在检验通讯是否架构成功时，通常采用烧写检验程序至开发板的方式来检查开发板是否有相应的回应，从而判断上、下位机是否可以正常通信。在使用开发环境IDE将程序烧写至开发板的过程中，RX指示灯会变红一段时间，烧写成功后RX指示灯会开始闪烁。若无以上现象，则表明烧写失败，而开发环境IDE也会出现程序烧写失败的指示。
2.1.2 Arduino开发环境下的数据采集
利用Arduino开发环境IDE，编写出读取模拟输入口的信号的程序，可由IDE自带的串口监视器和串口绘图器分别读取和显示出心电信号的电压幅值和心电图曲线。其中，Arduino读取串口模拟信号的代码如下：
/*
AnalogReadSerial
Reads an analog input on pin 0, prints the result to the serial monitor.
Graphical representation is available using serial plotter (Tools > Serial Plotter menu)
Attach the center pin of a potentiometer to pin A0, and the outside pins to +5V and ground.
This example code is in the public domain.
秸秆人造板*/
// the setup routine runs once when you press reset:
void setup() {
// initialize serial communication at 9600 bits per second:
Serial.begin(9600);
}
// the loop routine runs over and over again forever:
void loop() {
// read the input on analog pin 0:ome 103
int sensorValue = analogRead(A0);
// print out the value you read:
Serial.println(sensorValue);
delay(1); // delay in between reads for stability
}
雨水回用
纸绳手挽烧写以上程序至Arduino开发板后，可以在串口绘图器里观测到开发板模拟端A0接收到的心电模拟信号。在串口监视器里可以观测到具体的心电信号电压幅值。但开发环境很难对信号进行复杂的处理和分析，此时需要运用虚拟仪器开发环境LabVIEW来完成对于心电信号完整的采集、处理和分析程序的编写。
2.1.3 Arduino开发环境下的心电采集效果评价
如图6(a)和(b)所示，分别是在外部供电设备较多和外部供电设备较少的环境下利用AD8232所得的心电数据。从中可以清楚地看出，当外部工频干扰过于密集时，仅仅利用AD8232内部的滤波电路对心电信号进行预处理是远远不够的。同时，用户在使用心电实时监测设备时所处的环境各式各样，因而必须要求设备具备优秀的滤波去噪能力，才能使得无论在什么样的环境下使用，系统都能够将清晰的心电信号呈现出来。且Arduino开发环境只能通过串口绘图器观察模拟信号波形，无法对其进行复杂处理，故要使用的功能更为强大的上位机软件(如LabVIEW等)对心电信号进行进一步的软件滤波去噪或是其他处理。
2.2 LabVIEW实现与Arduino通信和控制的方法
LabVIEW实现与外部设备建立通信并进行数据采集的方式包括：1)基于VISA函数库及驱动的实现软硬件通讯、控制的数据采集；2)基于NI-DAQmx的数据采集；3)基于LabVIEW专门针对不同硬件开发的接口的采集方式，例如专门实现LabVIEW和Arduino通讯和控制的LabVIEW Interface for Arduino、LabVIEW Interface for Arduino Toolkit(LIAT)工具包，以及LVH开发的LabVIEW Hacker LINX Toolkit(LINX)等。本系统采用LabVIEW Interface for Arduino(LIFA)在上位机LabVIEW和下位机部分(包括Arduino开发板和AD8232)之间建立通信，进行数据采集。
