一种基于ARM的心电监护系统的设计及相关研究

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摘  要： 心电图（ECG）作为心脏监护的手段和方法，在心电监护中受到重视。在此提出了一种基于ARM的心电监护系统的设计，其中心电数据处理单元采用ARM7TDMI⁃S内核的LPC2400系列32位处理器进行设计，采用无线连接和无线收发的通信手段，及多样化的接口实现系统网络设计，同时对近年来心电监护系统的现状进行了研究。实验结果表明该设计成本低，易扩展，具有较高的可行性，现实性和操作灵活性。

关键词： 心电图; ARM; 心电监护系统; ARM7TDMI⁃S; LPC2400

中图分类号： TN710⁃34                   文献标识码： A                            文章编号： 1004⁃373X（2015）06⁃0122⁃04

Design and correlational research of ECG monitoring system based on ARM

MENG Xun

（College of Electronic & Information Engineering， Xi’an Technological University， Xi’an 710032， China）

Abstract： Electrocardiogram （ECG） as a means of heart care monitoring is paid attention. A design of  electrocardiograph monitoring system based on ARM is proposed. The 32⁃bit processor in ARM7TDMI⁃S kenel LPC2400 series is adopted in design of ECG data processing unit. The wireless connectivity and wireless transceiver are used to realize convenient communication. The system network design is realized by a variety of interfaces. The status of ECG monitoring system in recent years is studied. This design has the characteristics of low cost， easy extension， high feasibility， high practicability and operation flexibility.

Keyword： electrocardiogram; ARM; ECG monitoring system; ARM7TDMI⁃S; LPC2400

0  引  言

心血管疾病作为威胁人类生命安全的疾病之一，其救治受到重视。由于心血管疾病发作的突然性，对其进行预防具有重要的地位。作为心脏监护的手段和方法，心电图（ECG）由于在心脏监护和诊断的重要地位和作用，心电图监护受到越来越多的重视。目前随着医疗的信息化、现代化方向发展，心电图作为一项常规检查，是就诊病人必查的项目之一。

由于心电信号的复杂性，抽象性，和特殊价值[1]，病人心电图数据不断累积，临床和研究带来很大不便，数字化心电图机及心电图监护系统为心电数据的信息化管理[2]提供了可能。一种成本低，功耗低，易扩展，可行性和现实性较高，操作灵活的心电监护系统成为现实要求，基于ARM的心电监护系统就是为解决这个问题而产生的。

普通的心电图反映当时的心电活动状况，而心电监护连续实时的监测心电活动状况。普通的心电图一般通过传统的体表12导联心电图仪[3]，心电监护有24 h动态心电图[4]。传统的12导联心电图仪不能连续地实时进行监护，而24 h动态心电图有体积大，价格昂贵，移动不便等缺点。因此一种设计更简单、功能全、使用更方便的心电图监护系统的出现具有重要意义。本文提出了一种基于ARM的心电监护系统的硬件与软件设计，该设计采用ARM7TDMI⁃S内核的LPC2400系列处理器。

1  系统设计

1.1  系统设计介绍

本系统提出一种心电监护系统的解决方案。 该心电监护系统具有低成本，功能全、使用方便，易扩展的功能要求，无线连接和无线收发，并具有初步信号处理和自动诊断功能。

1.2  系统结构图

如图1中PART1所示，系统通过心电终端采集心电数据，显示，存储，并传向科室PC服务器进行心电信号的分析和诊断。更进一步的系统扩展可以与远程医疗服务中心（图1中的PART2）进行信息交互。

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图1 心电监护系统

2  硬件设计

2.1  心电终端[5]

2.1.1  心电产生原理

心肌细胞膜是半透膜，静息电位时，膜外排列着一定数量的阳离子，膜内排列着相同数量的负离子，膜外电位高于膜内电位，称为极化状态。静息状态下，由于心脏各部位心肌细胞都处于极化状态，没有电位差，电流记录仪描记的电位曲线平直，即为体表心电图的等电位线。心肌细胞在受到一定强度的刺激时，细胞膜通透性发生改变，大量阳离子短时间内涌入膜内，使膜内电位由负变正，这个过程称为除极。除极的最终目标是使极化膜变成外负内正的状态，膜电位从-90 mV反转为+30 mV。对整体心脏来说，心肌细胞从心内膜向心外膜顺序除极过程中的电位变化，由电流记录仪描记的电位曲线称为除极波，即体表心电图上心房的P 波和心室的QRS波。细胞除极完成后，细胞膜又排出大量阳离子，使膜内电位由正变负，恢复到原来的极化状态，此过程由心外膜向心内膜进行，称为复极。同样心肌细胞复极过程中的电位变化，由电流记录仪描记出称为复极波。由于复极过程相对缓慢，复极波较除极波低。心房的复极波低、且埋于心室的除极波中，体表心电图不易辨认。心室的复极波在体表心电图上表现为T波。整个心肌细胞全部复极后，再次恢复极化状态，各部位心肌细胞间没有电位差，体表心电图记录到等电位线。除极和复极的过程就是心肌细胞动作电位形成的过程。动作电位被人为分为0相、1相、2相、3相和4相，分别对应QRS波、J波、ST段、T波和之后的等电位线。

体表任何区域都可以记录到心脏的点活动。记录心电流的方法是将电极安置在身体不同部位，将电极连接到心电图机的正负两极，心电流进入电流计再返回人体，构成一个完整回路。对接收到的心电流进行处理以直观的图形输出得到日常的心电图。

2.1.2  采集电路和矫正映射

心电信号的采集可以通过在心电流回路中串接电阻，测量电阻两端的电压信号来获得心电信号。

本文以12导联的连接方式，通过12导联的标准心电图机对获得的心电信号进行矫正。对应不同的心动周期，在时间轴上建立系统测量的心电电压信号与12导联心电图机测量心电信号数值的对应关系。将这些对应关系以表的形式存储在系统中，在心电信号进入处理后，以映射后的心电数据输出，这样就得到了传统的心电图。映射表经过不断地矫正更新，存储在FLASH中，相对于传统的心电图机，这样做的优点是通过ARM的计算和接口功能易于组成心电监护系统，操作灵活性高，易扩展，便于进行多功能的应用设计扩展。

2.1.3  硬件架构设计

心电终端由心电数据采集单元和心电数据处理单元组成。如图2所示，心电数据采集单元采用高速、高精度的A/D处理模拟数据。通过生物电极导联从人体收集电压数据，经过模拟电路和A/D，心电数据送入心电数据处理单元。

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图2 心电终端

心电数据处理单元应用嵌入式ARM进行设计，采用NXP公司的基于ARM7TDMI⁃S内核的LPC2400系列32位处理器，包括LPC2460、2468、2470、2478等多款芯片。包括512 KB的片内高速FLASH存储器，可进行FLASH编程，以及可配置的外部存储器接口可进行FLASH存储器扩展，用来存储心电数据。ARM通过编程能进行LCD显示，连接闪存进行心电数据的存储，并配有时间控制和通信单元，以提高可扩展性和扩展灵活性。LPC2400系列处理器含有三个独立的晶体振荡器：主晶振，内部IRC晶振和RTC晶振。每个晶振根据不同的需求有多种使用方法。通过设置时钟频率等进行时间控制。

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图3 心电数据处理单元

2.2  科室PC服务器

科室PC服务器采用价格性能合适的电脑作为服务器，通过RS 232与心电终端有线连接，进行心电数据的简单存储和分析。之间可加入无线收发模块，变有线连接为无线连接，提高系统的使用灵活性。科室PC服务器可以有多个RS 232口进行系统的扩展。科室PC服务器一个或多个与远程医疗服务中心组成局域网进行信息交互。

3  软件设计

软件设计主要包括两个模块：数据采集模块和中央处理模块。

3.1  数据采集模块

3.1.1  LPC2400系列的基本操作

软件设计在硬件设计基础上进行，硬件采用基于ARM7TDMI⁃S内核的LPC2400系列32位处理器，软件设计根据LPC2400系列处理器的配置进行。LPC2400系列的基本操作包括如下：

（1） 硬件触发转换

如果ADCR的突发位为0且开始字段的值包含在010～111之间，当所选引脚或定时器匹配信号发生跳变时则会启动一次转换。也可选择在4个匹配信号中任何一个指定边沿启动转换，或在两个捕获/匹配引脚中任何一个指定边沿启动转换。

（2） 中断

当完成位为1时，A/D模数转换完成，ADC转换模块向中断控制寄存器VIC发出中断请求。如果VIC中的VICINTEnable的位8（ADC中断使能位）为1时，说明可以取数，则会产生中断。在读取ADDR后，完成位清0。

（3） 精度和数字接收器

当使用ADC用来测量Ain引脚电压时，可以不理会引脚在引脚选择寄存器中的设置。提高转换精度可以通过禁止引脚的数字接收器，选择Ain功能。

3.1.2  软件处理流程

数据采集模块主要是对电极从人体来的模拟数据进行模/数转换。首先初始化变量，然后进行模/数转换。数据采集模块软件处理流程如图4所示。

分别对多个通道进行检测，程序文件为adc.c，程序如下：

# include <nxp/iolpc2468.h>

#include "type.h"

#include "irq.h"

#include "target.h"

#include "adc.h"

#include <intrinsics.h>

Int jiance（int argc，char **argv）

{

ADCInit（ADC_CLK）;                                //初始化ADC

int i，ch， usConData，usEndData，fd;

char *ECGCH="0";

static char *driver="/dev/musc/adc";

fd=open（driver，O_RDWR）;

while（1）

{

Read（fd，&usConData，1）;}

Return 0;

}

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图4 A/D转换软件处理流程

3.2  中央处理模块

中央处理模块对A/D转换后的心电数据进行处理，在LCD上显示，或进行进一步信号处理作出诊断。中央处理模块流程如图5所示。

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图5 中央处理模块流程

4  心电系统设计现状研究

4.1  心电终端

几年来心电终端设计出现多技术，多样化的趋势。

（1） 从人体的电信号进入系统可为生物电极，也有成熟的传感器产品可直接使用，这影响着后续的数据处理。

（2） 中央处理模块可以DSP，ARM，PDA终端等进行设计。通过DSP芯片硬件设计和软件编程可实现对从心电采集模块输入心电数据的信号处理，可通过硬件电路和软件算法实现。特点是简洁，运算速度快，成本低，灵活性相对差。

利用ARM进行中央处理模块设计，特点是算法设计多样，功能设计灵活性高，易组网扩展。而利用PDA终端设计中央处理模块具有界面好，很好的使用灵活性和可操作性的优点。通过嵌入式编程，简洁的界面设计比较容易实现，操作方便。通过相应的菜单.工具按钮等软件设计可以方便地实现心电信号的采集、显示和存储，并且可对波形进行缩放、移动和重放，界面设计灵活。

（3） 外设灵活，多功能接口。接口多样化保证心电系统良好的可扩展性。

（4） 各模块之间的连接分为无线连接和有线连接。利用蓝牙，射频以及GPRS等技术进行无线接口设计，是一种趋势。有线连接接口有串口，并口和USB等。

（5） 心电功能插件及模块也是一种成熟技术和设计趋势，设计有普通设计和实现某一种或几种功能设计。

（6） 与外部心电数据资源信息共享成为一个发展方向。

4.2  心电系统

近年来随着信息技术和计算机技术的发展，网络化和远程医疗得到极大发展，心电终端与科室服务器及科室服务器之间以及与远程医疗中心之间的信息连接和交互手段出现多样化趋势，常见的有局域网和以太网，GPRS等可利用网络资源及射频，蓝牙，WIFI等通信接口技术。

本文的解决方案为以ARM设计中央处理模块，采用模块化设计，结构组织和组网灵活，良好的可扩展性和数据资源共享为设计目标。近年来也出现对某一功能模块为设计目标的设计倾向。

5  结  语

本文采用ARM，利用外部网络资源进行心电系统的设计，保证了组织灵活、易扩展及数据资源共享等，是一种比较理想的设计方案。同时对心电系统的设计现状进行了研究，具有重要的现实和借鉴意义。

参考文献

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