一种基于单片机的心电监测系统实验案例设计

2021-06-25雷涛陈荣庆李钊张林媛夏娟娟路国华

中国医疗设备 2021年6期

雷涛，陈荣庆，李钊，张林媛，夏娟娟，路国华

空军军医大学军事生物医学工程学系，陕西西安 710032

引言

《单片机原理与接口技术》课程是生物医学工程专业开设的一门非常重要的专业课程[1-3]，该课程旨在培养学生单片机应用系统的软硬件设计和调试的能力，进而提高学生的实践能力和工程应用能力[4-5]，为以后学习医疗设备专业课程奠定基础。因而，在教学过程中对实验设计的专业背景要求较高[6-7]。

随着我国人口老龄化程度持续加深导致心脏病的防控形势日趋严峻[8-10]，传统医用心电监测仪不仅价格非常昂贵而且使用场合有限。因而，便携式心电仪的研制是生物医学工程专业学生需要解决的实际问题。基于该专业背景问题，本研究设计了一个能测量受试者心电图（Electrocardiogram，ECG）信号并在Android手机APP上实时显示的监测系统，为该课程提供一个实验教学案例设计，引导启发学生进行应用型医疗器械设计开发，训练学生解决生物医学工程专业实际问题的能力，提升岗位任职能力。

1 实验内容与任务

根据学生能力的不同，实验教学设计了基本任务、进阶任务及拓展任务三个层次的内容与任务。

1.1 基本任务

（1）考虑运动或远程电极放置产生的各种噪声的情况下，选定AD8232全集成式ECG信号调理模块，查阅数据手册，实现对ECG信号的提取、放大、滤波及右腿驱动输出给单片机主控模块。

（2）利用单片机的ADC、定时器以及全双工异步串行通信的功能，将AD8232信号调理模块采集的ECG信号转换为数字信号，通过串口传输至教师提供的CH340 USB转串口Android 开发Demo APK，将ECG数值实时显示。

（3）绘制系统原理图，制作PCB，焊接系统。Keil C51编程，下载至硬件系统，验证系统功能。

1.2 进阶任务

基于Demo APK例程及源码，开发APK，实现将单片机输出的ECG数值以ECG的形式显示在手机屏幕。

1.3 拓展任务

计算出心率，显示在Android手机上。

2 实验项目设计

2.1 系统结构

心电监测系统结构如图1所示，包括心电检测传感器、信号调理模块、单片机主控模块、USB转串口模块以及Android 心电显示模块。

图1 系统结构框图

2.2 实现方案

具体实现方案如图2所示，单导联心电检测传感器提取ECG信号，经AD8232信号调理模块处理后，由STC15W408AS单片机进行AD转换为8位数据，之后由单片机串口发送数据至Android USB Host。通讯中，CH340 USB转串口芯片实现UART通道与USB通道的互联。学生可根据CH340 串口功能开发的Android USB Host协议，调用串口通讯接口API实现与Android设备进行通讯，将心电数据显示在Android手机上实时监测。此外，CH340转接芯片还为AD8232信号调理模块与STC15W408AS单片机主控模块提供+3.3 V供电。

图2 实现方案

2.3 系统原理图

系统原理图，包括信号调理模块（图3）、单片机主控模块（图4）、CH340转接模块（图5）及电源控制开关（图6）。

图3 信号调理模块

图4 单片机主控模块

图5 CH340转接模块

图6 电源控制开关

3 效果及测试

在分别完成心电采集系统的硬件及软件部分后，得到了图7的显示效果。为了验证设计系统的准确性和有效性，对该系统进行了测试和分析。选用了“MIH/BIH”心电信号数据库。该数据库由美国麻省理工学院建立，在我国的临床医学科研和心电医学工程中均具有广泛的应用。

图7 显示效果

经过测试之后，可得到具体的仿真结果如表1所示。由表1可知，该系统诊断病人的情况比较精确，部分情况的准确率达到了100%，其总体检测的准确度高达99.89%。这些结果验证了系统的有效性和可行性。

表1 临床患者心电信号分析结果

4 教学实施进程

本实验教学进行学时：8学时（课内）+8学时（课外）。具体学时分配和教学内容如表2所示。

表2 教学实施进程

5 讨论

本文结合了生物医学工程专业特点，以传统医用心电监测仪不仅价格非常昂贵而且使用场合有限实际问题为背景，设计了一款基于单片机的心电检测系统并用与教学。可加深学生的专业认同感，激发学习兴趣和自主性[11-13]。其中，设置技术难点，引入Android程序开发技术，利用所学高级语言编程技术，引导启发学生进行应用型医疗器械设计开发，训练学生解决生物医学工程专业实际问题的能力，可提升岗位任职能力[14]。

本研究中的基于单片机的心电监测系统与李昊霖等[15]研究类似，均可实现心电信号的监测，但本研究引入Android程序开发技术可将心电信号实时传输至手机，不依赖于其他显示器件，具有一定的便携性。虽然其他研究者也实现了基于单片机的心电监测系统并且将心电信号传输至手机等上位机[16-18]，但本研究基于《单片机原理与接口技术》课程，将该项目应用于实验教学是本研究的创新之处。将科研与教学相结合，可提高教师以研促教的能力，从“教”的角度为实验教学改革提供探索和实践，从“学”的角度，学生做中学，学中做，体会单片机系统解决实际问题的快乐[19]。同时，还可以使学生认识到成果在课内，功夫在课外，培养了学生自主探究、自主学习的能力。