我想，優(yōu)秀的心電監護儀，一定能一邊進(jìn)行高精度檢測，一邊直接打印檢測數據！

抱著(zhù)這樣的想法，我做了這個(gè)心電儀，順便被電視臺報導了……

這個(gè)心電儀厲害在哪里？

下面，就介紹一下我做的心電監護儀，順便分享一下——功能亮點(diǎn)、硬件設計、數據處理原理、軟件說(shuō)明、成本說(shuō)明。

參考開(kāi)源資料：
https://oshwhub.com/lmppbba/ecg-monitoring-defibrillator-with-12-leads

項目簡(jiǎn)介

這是一個(gè)擁有12導聯(lián)的心電監護儀

作者用半年時(shí)間，寫(xiě)出一萬(wàn)行代碼，放置1447個(gè)焊盤(pán)，連3310條導線(xiàn)，最終開(kāi)源出來(lái)了這個(gè)項目！

一、功能/亮點(diǎn)

1.心電監護功能

• 一鍵10s快照功能

• 一鍵凍結

• 血壓測量

• 實(shí)時(shí)分析計算

• 實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示

2.十二導聯(lián)心電圖功能

• 實(shí)時(shí)快速心律分析

• 一鍵凍結

• 一鍵10s記錄

• 自動(dòng)分析標注

• 一鍵快速打印

3.5個(gè)巧思

• 將心電監護儀與十二導聯(lián)心電圖相結合， 功能強大

• 減輕了整機重量，整機A4紙大小，若運用于急救系統，可減輕急救人員負重壓力，可讓急救員輕松穿過(guò)狹窄區域

• 集成8寸（A4）熱敏打印機芯，可隨時(shí)快速打印長(cháng)度固定為30cm的記錄

• 記錄紙打印裝訂參考線(xiàn)，內置RTC時(shí)鐘同步時(shí)間，便于快速整理數據，提高工作效率

• 打印模板數據欄簡(jiǎn)潔易懂，排列整齊，可快速查找重要數據

4.7個(gè)亮點(diǎn)

• 全站首個(gè)12導聯(lián)心電圖采集電路

• 全站首套心電圖基線(xiàn)修正與心電圖（實(shí)時(shí)）詳細分析標定算法

• 全站首套完整基礎患者監護系統

• 全站首套呼吸波分析算法

• 全站首套血壓計系統（首套血壓計示波法算法）

• 全站首次熱敏打印機控制器實(shí)際專(zhuān)項應用項目，數組合并，實(shí)時(shí)計算算法

• 全站首個(gè)應用CLUT低RAM點(diǎn)亮大屏項目

二、硬件設計

1.電路設計

主控部分

電源部分

12導聯(lián)模塊

心電監護及PANDLE

除顫器部分

控制面板

參考資料頁(yè)

PCB圖

2.硬件說(shuō)明

• 設計軟件：嘉立創(chuàng )EDA

• 主控芯片：GD32F470ZIT6

• 生物電采集前端設計使用：TI ads129x

• 電池管理：IP5310(英集芯)

• 心電圖前端：ADS1298(TI)

• 呼吸測量前端：ADS1292R (TI) ADS1294R缺貨被迫選擇

• 電壓基準源：REF3433IDBVR（TI）95uA低功耗

• 打印頭機芯：JX-8R-LXS(QJ) 目前搜到成本最低

• 參加開(kāi)源活動(dòng)：星火計劃

[星火計劃]提供了：PCB-550；SMT-3000；元器件-200；3D外殼-400等開(kāi)發(fā)耗材；具體心電儀成本見(jiàn)【第5章】

三、數據處理原理

1.血氧飽和度脈搏波的獲取

怎么獲取更精準的數值？原理是什么？

下面圖示是需要獲取的PPG數據（類(lèi)似）。

如果我們單純設置一個(gè)閾值來(lái)“一刀切”，那么不在范圍內的信號就會(huì )被斬于馬下，呈在屏幕上呈現出滿(mǎn)量程的假象。每一個(gè)人的脈搏波測量后所反饋所得數值都不一樣，且該波形易受到意外影響，如：亂動(dòng)血氧夾子，二度房室傳導阻滯，窒息或其他原因的血氧跌落，肢體活動(dòng)等導致血流受阻。

因此，我們必須使用特殊算法來(lái)適應。思路如下：

讀取窗：

我們設置顯示窗為0~1000范圍，要在顯示窗內顯示完整圖形，首先要標記出數值的最值，標記出最大值和最小值就為將圖形全部放到顯示窗內提供了可能。

但，傳感器所反饋回來(lái)的數值非常大，并不能直接放到顯示窗內，所以我們要進(jìn)行下一步的必要處理。

處理窗：

脈搏波所反饋的信息很多，我們?yōu)榱吮Ａ裘}搏波跌落，上升，以及圖形更多細節，采用分段取最值的方式，并沒(méi)有采用中值濾波，現在設置一個(gè)周期，每1000周期取一次最值（紅線(xiàn)標記相關(guān)代碼，下同）

然后，我們將數值減去最小值，我們將小于最小值的數字直接略去，但分段取值的缺點(diǎn)因此顯現，所以我們在略去的同時(shí)告訴取值部分需要重新取值（最大值同理）

這樣不是又出現了滿(mǎn)量程現象嗎？

其實(shí)，這是對于顯示趨勢時(shí)的必要犧牲，在下一周期會(huì )重新被感應，而且一個(gè)周期持續只有2秒

處理窗：

然后，我們截取數據，將圖形繪制到顯示窗上，為了減少超量程現象，我們?yōu)樽钪翟黾?00的寬限

PPG顯示窗：

但是，在調光后幾秒，脈搏波的最值取值不正確，或者患者發(fā)生心律失常時(shí)脈搏減弱，這個(gè)過(guò)程中，脈搏數據均未突破最值，但是波形異常小，難以閱讀 甚至為一條直線(xiàn)不能閱讀。

出現波形 “難以閱讀 ”的現象，怎么破？

此時(shí)，我們要檢測波形振幅，當振幅低于設定值，發(fā)送需要重新取最值請求

PPG顯示窗（異常）：

這樣，當PPG信號出現振幅異常時(shí)，程序才會(huì )將波形”伸開(kāi)“，至此，解決了PPG的搜索，以及意外處理

PPG顯示窗（運行時(shí)）：

PPG顯示窗（實(shí)際運行），可以很清楚看到各個(gè)周期的處理：

*PPG與ECG不同，不能代替ECG診斷復雜情況，但PPG也有自己的用武之地，如：發(fā)現房顫，早搏或傳導阻滯，過(guò)速或過(guò)緩，但只起到發(fā)現作用，還需要ECG確認和定性

2.心電信號解算

如何基于A(yíng)DS1298讀取心電信號解算？如何實(shí)時(shí)基線(xiàn)修正呢？

首先吐槽一下ADS1298的奇葩輸出方式，在0到正滿(mǎn)量程時(shí)輸出值位0 - 0x7FFFFF，但是在負滿(mǎn)量程到0時(shí)卻跟在了0x7FFFFF之后，為0x800000 - 0xFFFFFF

所以，畫(huà)出的數軸是這樣子的，需要進(jìn)一步處理將兩者連到一起，否則當數據卡在正負中間時(shí)，解算的數據上上下下無(wú)法分析

怎么將兩者連到一起呢？

現在紅色為一組，藍色為一組，按照uint來(lái)看，藍色在前，紅色在后，現在我們把藍色放到后面，剩下的交給基線(xiàn)修正邏輯

為了把藍色放到后面，且防止溢出，我們分為三步走。

第一步，判斷數據應屬于0以上還是0以下

第二步，如果是0以下，讓數據減去0x800000，使得負滿(mǎn)量程為0

第三步，如果數據是0以上(含0)，讓數據加上0x8000

這樣，讀取數據的時(shí)候就不會(huì )抽風(fēng)了，可以安心丟給基線(xiàn)修正邏輯

舊的問(wèn)題解決，新的問(wèn)題油然而生。

在用”12陣法“鎮住數據之后，我們發(fā)現數據上出現了很多毛刺，非常影響判讀和分析……

我們需要清理這些 “數據毛刺”！

我們發(fā)現，比較突兀的毛刺電壓為8mV，那么QRS電壓有可能超過(guò)8mV嗎？

正?？隙ú粫?huì )的，但是情景是多變的，我開(kāi)始搜索病態(tài)心電圖查找線(xiàn)索。在搜索的病案中，QRS電壓在3mV左右， 沒(méi)有超過(guò)3.5mV的，保險起見(jiàn)我們將超過(guò)6mV的信號定為毛刺信號去除(最終最高QRS電壓為患有心力衰竭左心室擴張的親戚，R波電壓5mV)

現在，我們就和大毛刺say good bye了，小毛刺還需在電源努力。

怎么清除 “小毛刺？”

接下來(lái)，就該處理喝醉酒一樣的基線(xiàn)了，我們可以看到基線(xiàn)一直在上下傾斜，這就是基線(xiàn)漂移現象。

基線(xiàn)漂移如何處理呢？

基線(xiàn)漂移的重中之重就是找到基線(xiàn)信號，緊接著(zhù)將原始數據減去基線(xiàn)信號就可以得到修正后的波形了。

要得到基線(xiàn)信號，我們需要去除QRS波，P波和T波。QRS波是最好去除的，只需要沿用毛刺去除代碼，將QRS判定為毛刺即可。

說(shuō)明一下，在定義的時(shí)候，I導聯(lián)，aVR aVL aVF不做定義，因為這些導聯(lián)是算法推算的，后算即可(bsxx 即basexx為基線(xiàn)變量)

想象很美好，現實(shí)是殘酷的，因為高采樣率的緣故，QRS有上升時(shí)間，得到的基線(xiàn)標本（紫色）和原始數據（紅色）是差不多一樣的！解決這個(gè)僵局很簡(jiǎn)單，我們使用抽樣調查之后，再進(jìn)行接下來(lái)的處理：

就這樣，我們得到了抽樣調查后去掉QRS波的樣本，雖然采樣率被極致壓縮，但是這對于解算基線(xiàn)已經(jīng)綽綽有余了

聽(tīng)說(shuō)你要直接拿數據減去這個(gè)？不！這里面還有未除凈的p波和T波，有時(shí)候s波也混在其中！

此時(shí)，請出我們的中值濾波器。

這樣我們在用“原始數據”減去“基線(xiàn)數據”就能得到“基線(xiàn)”和“最終波形”。

測試對象2：

*相關(guān)代碼存在變更，測試圖并不能反映最終結果

然后推算其他肢體導聯(lián)。

3.NIBP無(wú)創(chuàng )血壓數據處理

無(wú)創(chuàng )血壓(同NIBP)？怎么測量這個(gè)數據？

怎么獲取NIBP數值？一般是給袖帶充氣，當超過(guò)人體最高血壓值一定數值，再緩慢放氣，讀取放氣過(guò)程中袖帶壓（或管路壓力）的變化，并處理，得出NIBP數值。具體原理如下：

當袖帶充氣超過(guò)收縮壓之后，血流被阻斷，不會(huì )對袖帶產(chǎn)生作用力，在放氣時(shí)，袖帶壓降低到收縮壓之后血流重新流通并產(chǎn)生波動(dòng)，對袖帶產(chǎn)生作用力，引起袖帶內壓力值增高或暫時(shí)不變。繼續放氣低于舒張壓之后，有壓強差可得，袖帶對血管產(chǎn)生壓力與所受血管的支持力相等，合力為0，不產(chǎn)生形變，袖帶內壓強不再受血流沖擊變化，壓力值正常下降。

了解了原理，讓我們將目光放回本項目！

實(shí)際操作中，如何實(shí)現精準的NIBP數值測量呢？

首先，看一下理想情況下袖帶壓力變化。

圖表來(lái)自https://www.bilibili.com/video/BV1JV4y167AJ

然而，事實(shí)上，沒(méi)有什么事情是理想的，在實(shí)際對*0.1kPa數據前處理之后，讀出的波形成了這副模樣：

全貌：

泄氣部分：

如何處理這種 “波形泄氣 ”的情況？

由于之前處理運算轉換為mmHg int值時(shí)，在*0.75過(guò)程中丟失了波形細節，所以我們在這個(gè)失真的波形上意外的讀出了(87/45)的奇怪NIBP值。

我們將int換為float得到以下圖形：

所蘊含的信息在哪里呢？我幫你指一下：

這里可以找到四個(gè)心搏點(diǎn)，但是黃色標記的心搏太淺，單片機可能無(wú)法正常識別到，所以，可以認為僅存在三個(gè)有效點(diǎn)

接著(zhù)，就要讓單片機認識這幾個(gè)心搏點(diǎn)

直接讓單片機處理是不可能的，因為前后都有平直線(xiàn)段，而且我們也不能標定閾值，由于數據讀取的特殊性，只要讀錯一個(gè)，所得數據會(huì )造成極大誤差。

根據唐老師將電賽-電子血壓計電路指導，我使用一個(gè)0.3~3.5帶通濾波器協(xié)助調整。但在實(shí)際操作中，發(fā)現需要使用一個(gè)頻率為<3Hz的低通濾波器，不斷調整數值到最佳頻率。

億頓操作猛如虎，經(jīng)過(guò)濾波，提取，再濾波之后得到這樣的數據，可以輕松找到五個(gè)搏動(dòng)點(diǎn)，但是仍然存在許多噪聲，無(wú)法滿(mǎn)足單片機的處理需要，單片機還是看不懂。

并且，左邊的大豎線(xiàn)需要在以后匯總時(shí)屏蔽掉。

怎么削弱 “波形噪聲 ”？

這里可使用閾值法。

首先，通過(guò)間隔取中值濾波，將圖形稍做優(yōu)化，看起來(lái)不那么雜亂無(wú)章了，就不為難單片機了。

通過(guò)平方削弱雜波成分后，再通過(guò)下降枝閾值法和干擾值排除確定出搏動(dòng)。

如圖，這是提取出來(lái)的脈搏點(diǎn)（未經(jīng)過(guò)排除）,可以看到，重博波與過(guò)遠的無(wú)效波。

然后，再經(jīng)過(guò)隔值法與直接法處理并比較有效點(diǎn)個(gè)數，多者勝出，運用其方案計算

隔值法原理：

現有的數據： N N N N N N N（直接法算法）

第一次處理： N N N N N N（嘗試計算）

第二次處理： N N N N N N（嘗試計算）

第三次處理： N N N N N N（嘗試計算）

第四次處理： N N N N N N（嘗試計算）

第五次處理： N N N N N N（嘗試計算）

沒(méi)有第六次啦！不然比較不了間隔值！

排除干擾所得數據如圖，可以看到“原理數據”的值和兩個(gè)有效數據之間的“干擾值”被濾去：

第二次試驗：

看到先出現對應收縮壓，后出現對應舒張壓，就完畢啦！

4.呼吸波數據解析

首先要讀取到呼吸波形

我們使用了0.1 - 4 Hz低通濾波器，以及一個(gè)中值濾波進(jìn)行處理，得到初步波形，將其存入數組。

為保證分析和快照實(shí)時(shí)性，我們采取將數組左移，最后追加的方式存儲數據。

我們使用memmove方法安全且快速的移動(dòng)數據。

這是讀取出來(lái)的原始呼吸波性，被載入到緩存數組中，但是仍然有很多毛刺，雖然在顯示時(shí)無(wú)影響，但是對于數據處理是致命的

怎么處理這些毛刺？

于是我們對其進(jìn)行了一次帶通濾波（0.2 ~ 4 Hz）和寬窗中值濾波，讓波形變平滑，最后進(jìn)行下降沿檢測即可。

在實(shí)驗時(shí)發(fā)現總會(huì )有1的重復值，進(jìn)行矯正即可：

最后我們把識別呼吸波的個(gè)數乘以三 即可。

因為采樣率是10ms一次，傳入數組體量為2000，含20s數據，乘以三即可獲得60s數據。

5.多導聯(lián)心電圖聯(lián)合解析算法

這是一項艱巨的任務(wù)，也是各個(gè)數字心電圖機開(kāi)發(fā)所面臨的挑戰。

R波識別

處理第一步，通過(guò)Pan-Tompkins算法濾波+平方運算削弱p、T等小波，提高R波斜率。

所得結果1：

所得結果2：

然后就可以通過(guò)“斜率識別”把R波的索引提取出來(lái)。

對于低電壓的情況，識別到無(wú)任何波形，可以降低閾值繼續檢測。

但是如結果1所示，II導聯(lián)處理的數據中間存在若干干擾，還需要引入III導聯(lián)進(jìn)行雙重校驗，得出純凈的數據。然后再將索引根據采樣率計算出RR間期以及心率。

緊接著(zhù)計算出QRS數據與QT數據。

QRS起點(diǎn)尋找

我們通過(guò)以上算法尋找的R波可能超過(guò)R波，也可能在Q與R之間，我們需要進(jìn)一步向左尋找QRS波起點(diǎn)。

對于起點(diǎn)尋找，就需要考慮多種情況了。

我們總結出這幾種情況：

1.無(wú)Q波，直接平直

2.有Q波，即存在轉折關(guān)系

這些是可能的情況，部分情況可以合并（正向波和負向波的同類(lèi)型情況可以合并，根據Q波的情況可以合并）

我們針對第一種情況設置低于4單位即為平直（別看很多，其實(shí)整個(gè)圖拉的很大），遇到平直數值停止查找，定義其對應索引值為起點(diǎn)。

斜率符號改變視為掉頭，針對第二種掉頭情況。我們設置掉頭次數不能超過(guò)三次（抵消干擾），并且遇到操作索引的前一個(gè)和后一個(gè)的差值不能小于3，否則立即停止查找，定義其對應索引值為起點(diǎn)。

在尋找起點(diǎn)的同時(shí)，定義起點(diǎn)索引前 2單位的數值為零電位（要取平均值的）。接著(zhù)進(jìn)入下一步，心電軸計算。

QRS電軸計算

電軸也稱(chēng)平均電軸，是心臟電活動(dòng)的平均方向（向量），是心電圖檢測指標之一，指心臟除極和復極時(shí)額面最大綜合向量與水平軸形成的角度。

我們已經(jīng)記錄了QRS波，想要讓機器識別心電軸，就必須推導出計算方法。

想必學(xué)過(guò)心電圖的醫學(xué)生們一定對這張圖非常熟悉，這張是使用I，III導聯(lián)代數和進(jìn)行計算的，但是，這種方法對于機器來(lái)說(shuō)比較復雜，我們采取另一種方式，面積積分法。

這個(gè)方法因為人工計算麻煩而被拋棄，但是面積積分法是測量心電軸最標準的方法，也是機器計算最簡(jiǎn)單的方法。

在這幅圖中，顯示了振幅法和面積法的差距。

面積積分法是把I，III導聯(lián)相對于等電位線(xiàn)正向和負向面積代數和做圖在一個(gè)特殊坐標系上，其中-III與+I的夾角度數為60deg。

在計算時(shí)有四種情況：

SI <0 SIII<0 電軸不確定

SI <0 SIII>0 電軸左偏

SI >0 SIII<0 電軸右偏

SI >0 SIII>0 電軸不偏

我們選取有代表性的兩種做出幾何推理：

• 紅線(xiàn)：SI SIII

• 黑線(xiàn)：反向延長(cháng)線(xiàn)

• 綠線(xiàn)：相交點(diǎn)與電偶中心連線(xiàn)

定義點(diǎn)I為A；點(diǎn)III為B。

情況A：電軸不偏

延長(cháng)P III 交直線(xiàn)I O 與點(diǎn)N

∵PB⊥ OB，∠NOB = ∠ = 60 deg

∴∠ONB = 30 deg

又∵∠NBO= 90 deg

∴NO = 2SIII

∴NA = 2SIII+SI

∵∠NAP = 90 deg，∠ONB = 30 deg

∴PA =

∵∠NAP = 90 deg

∴心電軸=

情況B：電軸左偏

延長(cháng)BP交支線(xiàn)I與點(diǎn)N

∵∠BON = 60 deg，∠OBN = 90 deg

∴∠BNO = 30 deg

∴在△NBN中 ON = 2SIII

在△PAN中 PA =NA/√3

∵NA = ON - OA = 2SIII-SI

∴PA=

∴在Rt△PAO中，∠PAO = 90 deg

心電軸=

對于另外兩種可情況，可以將兩個(gè)面積和取相反數，根據對頂角相等的數學(xué)思維即可轉化為以上兩種情況，是不是很有趣呢。

所對應的計算是這樣子的：

T波尋找與QTc計算

T波屬于小波成分，斜率較小，我們使用新的帶通濾波器（8-22.5Hz）提取出T波。

這樣P，T的成分就明顯了。

緊接著(zhù)把索引內小于100與大于1800的索引編號去除，防止搜索時(shí)越界。

然后計算出最大的QT間期（QTc按550ms記，再高就不可能了，就會(huì )有尖端扭轉室速）

然后跳過(guò)QRS波，并向后30s到最長(cháng)QT間期尋找最大最小值，最大最小值對應T波終點(diǎn)（對于這個(gè)濾波器處理后的數據）

然后求平均值算出QT間期：

然后根據QTc矯正公式算出QTc，在用QT-QRS算出T波時(shí)限：

胸導聯(lián)R/S波電壓分析

胸導聯(lián)R/S波電壓RV5+SV1和RV1+SV5是心電圖分析時(shí)重要的工具?？梢苑治鲎笫液陀沂译妷旱拇笮?，對心肌梗死，高血壓心臟病，心室擴張，心室肥大，肺動(dòng)脈高壓的診斷有指導意義。

首先，根據QRS起點(diǎn)向左兩個(gè)單位算出等電位求平均值

然后求與等電位相對值的最大最小值：

最后求電壓值的平均值，然后取絕對值，將記錄的值(單位)轉化為電壓值(mV)：

結束解算代碼。

四、軟件說(shuō)明

由于單片機片上資源極度有限，我們放棄了占用資源多的FreeRTOS與LVGL，使用裸機+LCD繪圖庫完成設計

軟件部分主要說(shuō)明什么呢？

已知，心電儀的應用設計，是兩個(gè)App以及多個(gè)界面切換。

那要如何保證切換不出錯？?jì)x器按鍵不出錯？

我使用了將App或界面返回值代入決策的方式實(shí)現切換。

這樣，只需要在A(yíng)pp函數返回一串特征代碼，管理器即可切換到指定App或界面。

我們使用一個(gè)旋轉開(kāi)關(guān)來(lái)作為App切換，我們通過(guò)讀取開(kāi)關(guān)，累計標識的方式銷(xiāo)毀當前App切換。

在讀取到App不一致時(shí)開(kāi)啟累計標識，達到一定數值后銷(xiāo)毀并切換，標識歸零。若檔位開(kāi)關(guān)回到當前App，標識歸零。

復雜的系統，機械按鍵是不允許出半點(diǎn)差錯的，我們對于機械按鍵處理，使用中斷調用管理器中的按鍵功能決策函數，根據App和頁(yè)面標識決策功能。

當然在A(yíng)pp/頁(yè)面被調用時(shí)，需要設置標識：

這樣，整個(gè)調度系統才能有條不紊的運作下去，長(cháng)期保持穩定。而且，裸機相比于RTOS大幅提升了系統穩定性，保留更多資源。

五、成本說(shuō)明

個(gè)人制作一個(gè)心電監護儀的總成本約3100元。

你覺(jué)得這個(gè)儀器做得怎么樣呢？

參考開(kāi)源資料：
https://oshwhub.com/lmppbba/ecg-monitoring-defibrillator-with-12-leads