基于Arduino的便携式心电监护仪的设计

发表时间:2019/5/13   来源:《知识-力量》2019年8月26期   作者:连厚鑫 李雪 洪雪成
[导读] 基于Arduino的便携式心电监护仪主要通过心电采集模块对人体的心电信号进行采集、滤波、放大并在相应处理后在屏幕上进行实时显示。也通过蓝牙通信模块与智能手机相连来进行实时显示。整体方案采用模块化设计,便于组装、调试、维修以及日后方案的更新。
(哈尔滨理工大学,山东省 威海市 264300)
摘要:基于Arduino的便携式心电监护仪主要通过心电采集模块对人体的心电信号进行采集、滤波、放大并在相应处理后在屏幕上进行实时显示。也通过蓝牙通信模块与智能手机相连来进行实时显示。整体方案采用模块化设计,便于组装、调试、维修以及日后方案的更新。
关键词:Arduino;便携式心电监护仪;AD8232

 
          引言
          随着我国快速步入老龄化社会,心血管疾病的发病率迅速上升。这类疾病往往具有不易根治,发病突然,高死亡率等特点,已经成为中老年人群的致命杀手。但此类疾病发作前,会引起心电信号的异常波动,如果能够在此时采取有效的治疗措施,患者将会有极大的概率能规避死亡风险。可是当今市场上的心电监护仪大多价格昂贵,体积巨大,操作繁琐。因此操作便利的家用心电监护仪的诞生刻不容缓。
          便携式心电监护仪(以下简称“监护仪”)能够对患者进行全天监护,显示心电实时波形,并且能够在检测到心电信号异常时发出警报,方便患者独自在家使用,在一些危急的情况下,能够起到重要的作用。
          1.监护仪的硬件设计
          监护仪由Arduino单片机、心电信号采集模块、液晶显示模块、蓝牙通信模块、电源处理电路等部分组成。Arduino单片机将采集模块到的模拟信号经 A/D转换、处理后送入液晶模块及蓝牙模块上进行实时的显示。由于该设计采用了Arduino mini单片机及AD8232心电信号采集模块,实现了监护仪的模块化设计,极大程度上减少了产品体积,降低了组装成本,符合便携式产品的设计要求。
          1.1心电采集模块
          心电信号实质上是肌电信号,其强度十分微弱,而且人体内生物电信号环境嘈杂。因此心电模块在采集信号的时候需要加入滤波,放大等环节,并且还应该尽可能削弱外界电信号的影响。AD8232心电采集芯片就是这样一款可以用于ECG及其他生物电测量应用的集成信号调理模块。该芯片用于在具有运动或远程电极放置产生的噪声的情况下提取、放大及过滤微弱的生物电信号。它使得超低功耗模数转换器(ADC)或嵌入式微控制器能够轻松地采集输出信号。它还内置了导联脱落判断功能(当心电极片脱落时,能够实现脱落检测)大大方便了监护仪的设计。
          1.2 电源处理电路
          考虑到监护仪的主要使用人群是中老年人,供电方式不能过于复杂。因此该设计采用7号电池供电,既能向监护仪提供稳定的工作电压也降低了老年人群的学习成本,并且该设计的采用的所用芯片都是低功耗芯片,续航时间也能得到很大的保证。
          1.3 信号处理模块
          Arduino Mini是Arduino的微型版本,体积小巧。处理器是ATmega328,主频20Mhz,同时具有14路数字输入/输出口(其中6路可作为PWM输出),8路模拟输入,自带10位模数转换器。因为它是开源的处理器,软硬件完全开放,技术上不做任何保留,还有专门的编程环境可以对其进行直接编程,许多常用的I/O 设备都已经带有库文件或者样例程序,大大缩短了监护仪的软件的开发时间。因此该设计的信号处理模块选择了Arduino mini。

主要负责心电信号的AD转换、处理、蓝牙数据接收等功能,由于还有其他许多功能还未被使用,因此给后续的升级提供了可能。
          1.4 液晶显示模块
          液晶显示模块主要显示心电波形以及其他相关数据等,出于对便携以及成本等原因的考虑,本设计采用了ST7920驱动芯片驱动的LCD12864液晶显示屏,它可以选择8 位并行传输方式或者是串行传输方式,其内部自带中文字库,显示分辨率为128*64。由于模块接口方式灵活,操作指令简单,LCD12864能够较为方便开发出操作简单,显示精准的交互界面。本设计采用Arduino mini 与LCD12864串行传输方式,在能保证传输速率的同时节约了单片机引脚资源,更为其他模块以及后续升级留出来足够的引脚。
          1.5 蓝牙通信模块
          考虑到心电波形过于复杂,一般人不能对其进行有效的分析,为此该设计加入蓝牙通信模块。使得监护仪可以与智能手机相连,再通过手机中的APP将心电波形与医院里的医生或者专业的理疗师共享,简化了心血管疾病的诊断过程。但是此项功能涉及知识跨度大,笔者个人精力有限,难度可想而知。因此这项功能仍在开发中。
          2.监护仪的软件设计
          该设计的软件部分主要由信号的AD转换、信号处理、显示输出等部分组成。
          2.1AD转换
          心电的频率是在5-100Hz之间,根据香农采样定理可知,单片机的采样频率应该大于200Hz。但是Arduino自带有AD转换语句完成一次数模转换的时间约为111ms,再加上信号的处理,波形绘制等步骤所需的时间。会导致心电采样的频率明显不足,引起心电图的失真。为此该设计并没有使用自带的AD转换语句,而是根据单片机的特点,直接读入AD转换寄存器的高8位,大大加快了模数转换的速度,避免了图像的失真。
          2.2信号的处理
          由于本设计选择lcd12864显示心电图形。其纵坐标64个点,横坐标128个点。因此需要将采集到的数据通过算法的相应放缩,才能进行有效显示。并且通过设置适当的阈值以及相关算法,可以测得较为准确的心率,心电幅值等信息进而实现监护仪监护报警功能。
          2.2显示输出
          监护仪一次采集20个信号储存起来,显示时将这些信号点对应连接起来。下次采集完后会在上一次的基础上继续连接。一旦超过128显示屏会刷屏重新绘制,从而实现了图像连续显示。
          3.结论
          基于Arduino的便携式心电监护仪具有体积小、功耗低和价格低等特点。一定程度上可以满足当今老龄化社会对便携医疗设施的需求。由于采用模块化设计方案,大大降低了开发的难度,降低了生产的成本。采用液晶显示心电波
          形以及心电异常报警方案,便于医生的诊断和病人日常的预警。既保证了患者的生命安全,也缓解了医院的压力。因此该设计有广阔的应用前景及实用价值。
 
 
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