心電信號反映心臟興奮的電活動過程，它對心臟基本功能及其病理研究具有重要的參考價(jià)值。由于心臟類疾病具有長期性和突發(fā)性，要及時(shí)、準(zhǔn)確掌握患者的第一手資料僅靠患者到醫(yī)院做一次或幾次心電圖是不夠的[1]。因此，家用心電檢測儀對心臟類疾病的自我預(yù)警和輔助治療具有重要的臨床價(jià)值和廣闊的市場前景[2]。

    目前，臨床上廣泛使用的Holter（動態(tài)心電圖機(jī)）成本高，不適合在家庭長期使用?，F(xiàn)有家用心電檢測儀大多采用普通單片機(jī)，只能實(shí)現(xiàn)對心電信號的采集和顯示，進(jìn)而通過上位機(jī)對心電信號進(jìn)行分析[3]，難以對心電信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理和分析，因此研發(fā)一種可實(shí)時(shí)處理、適用于社區(qū)醫(yī)院和家庭保健的便攜式心電檢測儀具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
    本心電檢測儀以意法半導(dǎo)體公司的STM32作為控制核心，系統(tǒng)硬件電路由預(yù)處理模塊和核心處理器模塊組成，能準(zhǔn)確提取人體體表的心電信號。在程序設(shè)計(jì)上采用了模塊化方法，實(shí)現(xiàn)了良好的移植性，可實(shí)現(xiàn)對心電信號動態(tài)顯示并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，由預(yù)處理模塊、數(shù)字處理及分析模塊和存儲模塊3部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)
    心電信號的特點(diǎn)主要有：(1)微弱性，幅值一般只有0.01 mV～5 mV；(2)低頻特性，其頻譜范圍一般為0.05 Hz～100 Hz；(3)高阻抗特性；(4)易受干擾，這些干擾主要有低頻的基線干擾、高頻的肌電干擾和50 Hz的工頻干擾[4]。根據(jù)心電信號以上特點(diǎn)，要求預(yù)處理模塊具備以下幾個(gè)特性：(1)高增益，增益一般為800～1 000倍。為了抑制零點(diǎn)漂移和提高共模抑制比，電路分兩級實(shí)現(xiàn)，前置放大器的增益不能太高；(2)高輸入阻抗；(3)高共模抑制比；⑷低噪聲電平。
    預(yù)處理模塊電路部分包括心電電極、右腿驅(qū)動電路、前置放大電路、高通濾波電路、主放大電路、低頻濾波電路、50 Hz陷波電路以及電平抬升電路等幾部分。預(yù)處理模塊框圖如圖2所示。

    預(yù)處理模塊的性能參數(shù)如表1所示。
1.2 數(shù)字處理及分析模塊設(shè)計(jì)
    數(shù)字處理及分析模塊的主要功能是對預(yù)處理模塊送進(jìn)來的模擬信號依次進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、心電信號特征點(diǎn)的檢測以及心電信號的分析和顯示。
1.2.1 心率計(jì)算
    系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)緩存區(qū)內(nèi)的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出檢測者的實(shí)時(shí)心率和平均心率。通過6 s的心電數(shù)據(jù)即可計(jì)算出實(shí)時(shí)心率，再對10組實(shí)時(shí)心率取平均值，就可得到平均心率。實(shí)時(shí)心率由下式得到：
    
其中，F(xiàn)s表示采樣頻率(為200 Hz)，meanR_R為6 s內(nèi)的平均R-R間距。
    由實(shí)時(shí)心率的計(jì)算式(1)可知，要得到準(zhǔn)確的心率值，就必須得到準(zhǔn)確的R-R間距，即R波的檢出率要高。閾值分為固定閾值和動態(tài)閾值[5]。固定閾值可能會由于高P、T波的存在而產(chǎn)生誤判；動態(tài)閾值法克服了這些缺點(diǎn)，提高了特征點(diǎn)的檢出率，避免了漏檢或者多檢的情況。本文對已有的差分閾值法進(jìn)行改進(jìn)，采用動態(tài)差分-斜率閾值，并根據(jù)心電信號生理原理加入漏檢和過檢判斷[6]，提高了QRS波的檢出率，在心律失常和QRS波幅值較小等復(fù)雜情況下，也能有較高的檢出率，為下一步心率失常分析和HRV時(shí)域參數(shù)分析打下基礎(chǔ)。
1.2.2 心率失常分析
    本儀器能實(shí)現(xiàn)對4種常見心律失常進(jìn)行分析，包括漏搏、停搏、心動過速、心動過緩。其實(shí)現(xiàn)方法如表2所示。根據(jù)表2的判別條件，當(dāng)檢測到上述4種心率失常中的1種時(shí)，儀器連續(xù)發(fā)出2 s的報(bào)警聲，并且在屏幕上顯示出相應(yīng)的心率失常類型。

1.2.3 HRV分析
    心率變異性HRV(Heart Rate Variability)是指心臟搏動周期存在的微小變異現(xiàn)象。HRV可作為反映心臟交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)活動緊張性和均衡性的一種非侵入性指標(biāo)，也是心電自動分析系統(tǒng)重要的組成部分[7]?；谇度胧较到y(tǒng)實(shí)時(shí)性的考慮，本儀器采用時(shí)域分析法對HRV進(jìn)行分析。HRV時(shí)域分析常用指標(biāo)及對應(yīng)的生理意義[8]如表3所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    (1)動態(tài)斜率-差分閾值算法有效性的驗(yàn)證
    本文采用MIT-BIH部分心率失常數(shù)據(jù)對本算法進(jìn)行測試，如表4所示。在誤檢比較多的幾個(gè)文件中，由于存在嚴(yán)重的肌電噪聲或者QRS波變化太劇烈，導(dǎo)致動態(tài)閾值跟不上信號變化所致?？傮w正確率達(dá)到了98%以上，說明算法對于R波的檢測是有效的。

    (2)4種常見心律失常的驗(yàn)證
    用MPS450多參數(shù)模擬儀產(chǎn)生4種常見心率失常信號，本檢測儀可準(zhǔn)確分析心率失常的類型。由表5可看出，儀器在分析停搏、心動過速和心動過緩時(shí)，正確率都達(dá)到了100%，在分析漏搏時(shí)達(dá)到了95%。實(shí)驗(yàn)表明，本儀器對4種常見心率失常的分析具有很高的可靠性。

    本心電檢測儀實(shí)現(xiàn)了心電信號的采集和顯示、心率的計(jì)算、4種常見異常心率分析和HRV時(shí)域分析的功能。采用動態(tài)差分-斜率閾值法，提高了在干擾下或者QRS波幅度較小的情況下對心電信號特征點(diǎn)的檢出率，對4種常見心率失常分析具有很高正確率，還可以根據(jù)HRV時(shí)域參數(shù)來提示受測者是否需要加強(qiáng)鍛煉。本儀器還設(shè)有GRPS模塊接口和SD卡接口，將來還可進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信的功能。因此，本檢測儀在社區(qū)醫(yī)院和家庭保健中的應(yīng)用將對心臟疾病的預(yù)防和診斷做出重要貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
[1] 于姣.基于LPC2368的心電信號的檢測與分析[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2009.
[2] 孫佑元，譚杰.目前我國家用醫(yī)療器械現(xiàn)狀及展望[J].中國醫(yī)療器械信息，2011(02)：28-29.
[3] 霍鋮宇，寧新寶，卞春華，等.基于嵌入式技術(shù)的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀[J].計(jì)算機(jī)工程，2008，35(17)：222-224.
[4] 王余濤.基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.
[5] 姚歡，王劍鋼.ECG信號QRS波群檢測算法的進(jìn)展[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展，2012(4)：3988-3991.
[6] She Lihuang，Wang Guohua，Zhang Shi，et al.An adaptive  threshold algorithm combining shifting window difference and  forward-backward difference in real-time R-wave detection[C].  2009 2nd International Congress on Image and Signal  Processing(Volume8)，October 2009，Tianjin，China：4057-
4060.
[7] 董紅生.心電波形檢測與心率變異性分析方法研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2012.
[8] 辛衍波，王松濤.體育運(yùn)動對心率變異性的影響[J].現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué)，2011(10)：1873-1875.