我想，優(yōu)秀的心電監(jiān)護(hù)儀，一定能一邊進(jìn)行高精度檢測，一邊直接打印檢測數(shù)據(jù)！

抱著這樣的想法，我做了這個心電儀，順便被電視臺報導(dǎo)了……

這個心電儀厲害在哪里？

下面，就介紹一下我做的心電監(jiān)護(hù)儀，順便分享一下——功能亮點(diǎn)、硬件設(shè)計、數(shù)據(jù)處理原理、軟件說明、成本說明。

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

項目簡介

這是一個擁有12導(dǎo)聯(lián)的心電監(jiān)護(hù)儀

作者用半年時間，寫出一萬行代碼，放置1447個焊盤，連3310條導(dǎo)線，最終開源出來了這個項目！

一、功能/亮點(diǎn)

1.心電監(jiān)護(hù)功能

• 一鍵10s快照功能

• 一鍵凍結(jié)

• 血壓測量

• 實時分析計算

• 實時時鐘顯示

2.十二導(dǎo)聯(lián)心電圖功能

• 實時快速心律分析

• 一鍵凍結(jié)

• 一鍵10s記錄

• 自動分析標(biāo)注

• 一鍵快速打印

3.5個巧思

• 將心電監(jiān)護(hù)儀與十二導(dǎo)聯(lián)心電圖相結(jié)合， 功能強(qiáng)大

• 減輕了整機(jī)重量，整機(jī)A4紙大小，若運(yùn)用于急救系統(tǒng)，可減輕急救人員負(fù)重壓力，可讓急救員輕松穿過狹窄區(qū)域

• 集成8寸（A4）熱敏打印機(jī)芯，可隨時快速打印長度固定為30cm的記錄

• 記錄紙打印裝訂參考線，內(nèi)置RTC時鐘同步時間，便于快速整理數(shù)據(jù)，提高工作效率

• 打印模板數(shù)據(jù)欄簡潔易懂，排列整齊，可快速查找重要數(shù)據(jù)

4.7個亮點(diǎn)

• 全站首個12導(dǎo)聯(lián)心電圖采集電路

• 全站首套心電圖基線修正與心電圖（實時）詳細(xì)分析標(biāo)定算法

• 全站首套完整基礎(chǔ)患者監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

• 全站首套呼吸波分析算法

• 全站首套血壓計系統(tǒng)（首套血壓計示波法算法）

• 全站首次熱敏打印機(jī)控制器實際專項應(yīng)用項目，數(shù)組合并，實時計算算法

• 全站首個應(yīng)用CLUT低RAM點(diǎn)亮大屏項目

二、硬件設(shè)計

1.電路設(shè)計

主控部分

電源部分

12導(dǎo)聯(lián)模塊

心電監(jiān)護(hù)及PANDLE

除顫器部分

控制面板

參考資料頁

PCB圖

2.硬件說明

• 設(shè)計軟件：嘉立創(chuàng)EDA

• 主控芯片：GD32F470ZIT6

• 生物電采集前端設(shè)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(zhǔn)源：REF3433IDBVR（TI）95uA低功耗

• 打印頭機(jī)芯：JX-8R-LXS(QJ) 目前搜到成本最低

• 參加開源活動：星火計劃

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

三、數(shù)據(jù)處理原理

1.血氧飽和度脈搏波的獲取

怎么獲取更精準(zhǔn)的數(shù)值？原理是什么？

下面圖示是需要獲取的PPG數(shù)據(jù)（類似）。

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

因此，我們必須使用特殊算法來適應(yīng)。思路如下：

讀取窗：

我們設(shè)置顯示窗為0~1000范圍，要在顯示窗內(nèi)顯示完整圖形，首先要標(biāo)記出數(shù)值的最值，標(biāo)記出最大值和最小值就為將圖形全部放到顯示窗內(nèi)提供了可能。

但，傳感器所反饋回來的數(shù)值非常大，并不能直接放到顯示窗內(nèi)，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(xì)節(jié)，采用分段取最值的方式，并沒有采用中值濾波，現(xiàn)在設(shè)置一個周期，每1000周期取一次最值（紅線標(biāo)記相關(guān)代碼，下同）

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

這樣不是又出現(xiàn)了滿量程現(xiàn)象嗎？

其實，這是對于顯示趨勢時的必要犧牲，在下一周期會重新被感應(yīng)，而且一個周期持續(xù)只有2秒

處理窗：

然后，我們截取數(shù)據(jù)，將圖形繪制到顯示窗上，為了減少超量程現(xiàn)象，我們?yōu)樽钪翟黾?00的寬限

PPG顯示窗：

但是，在調(diào)光后幾秒，脈搏波的最值取值不正確，或者患者發(fā)生心律失常時脈搏減弱，這個過程中，脈搏數(shù)據(jù)均未突破最值，但是波形異常小，難以閱讀 甚至為一條直線不能閱讀。

出現(xiàn)波形 “難以閱讀 ”的現(xiàn)象，怎么破？

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

PPG顯示窗（異常）：

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

PPG顯示窗（運(yùn)行時）：

PPG顯示窗（實際運(yùn)行），可以很清楚看到各個周期的處理：

*PPG與ECG不同，不能代替ECG診斷復(fù)雜情況，但PPG也有自己的用武之地，如：發(fā)現(xiàn)房顫，早搏或傳導(dǎo)阻滯，過速或過緩，但只起到發(fā)現(xiàn)作用，還需要ECG確認(rèn)和定性

2.心電信號解算

如何基于ADS1298讀取心電信號解算？如何實時基線修正呢？

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

所以，畫出的數(shù)軸是這樣子的，需要進(jìn)一步處理將兩者連到一起，否則當(dāng)數(shù)據(jù)卡在正負(fù)中間時，解算的數(shù)據(jù)上上下下無法分析

怎么將兩者連到一起呢？

現(xiàn)在紅色為一組，藍(lán)色為一組，按照uint來看，藍(lán)色在前，紅色在后，現(xiàn)在我們把藍(lán)色放到后面，剩下的交給基線修正邏輯

為了把藍(lán)色放到后面，且防止溢出，我們分為三步走。

第一步，判斷數(shù)據(jù)應(yīng)屬于0以上還是0以下

第二步，如果是0以下，讓數(shù)據(jù)減去0x800000，使得負(fù)滿量程為0

第三步，如果數(shù)據(jù)是0以上(含0)，讓數(shù)據(jù)加上0x8000

這樣，讀取數(shù)據(jù)的時候就不會抽風(fēng)了，可以安心丟給基線修正邏輯

舊的問題解決，新的問題油然而生。

在用”12陣法“鎮(zhèn)住數(shù)據(jù)之后，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)上出現(xiàn)了很多毛刺，非常影響判讀和分析……

我們需要清理這些 “數(shù)據(jù)毛刺”！

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

正常肯定不會的，但是情景是多變的，我開始搜索病態(tài)心電圖查找線索。在搜索的病案中，QRS電壓在3mV左右， 沒有超過3.5mV的，保險起見我們將超過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(kuò)張的親戚，R波電壓5mV)

現(xiàn)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，就該處理喝醉酒一樣的基線了，我們可以看到基線一直在上下傾斜，這就是基線漂移現(xiàn)象。

基線漂移如何處理呢？

基線漂移的重中之重就是找到基線信號，緊接著將原始數(shù)據(jù)減去基線信號就可以得到修正后的波形了。

要得到基線信號，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。

說明一下，在定義的時候，I導(dǎo)聯(lián)，aVR aVL aVF不做定義，因為這些導(dǎo)聯(lián)是算法推算的，后算即可(bsxx 即basexx為基線變量)

想象很美好，現(xiàn)實是殘酷的，因為高采樣率的緣故，QRS有上升時間，得到的基線標(biāo)本（紫色）和原始數(shù)據(jù)（紅色）是差不多一樣的！解決這個僵局很簡單，我們使用抽樣調(diào)查之后，再進(jìn)行接下來的處理：

就這樣，我們得到了抽樣調(diào)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已經(jīng)綽綽有余了

聽說你要直接拿數(shù)據(jù)減去這個？不！這里面還有未除凈的p波和T波，有時候s波也混在其中！

此時，請出我們的中值濾波器。

這樣我們在用“原始數(shù)據(jù)”減去“基線數(shù)據(jù)”就能得到“基線”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(jié)果

然后推算其他肢體導(dǎo)聯(lián)。

3.NIBP無創(chuàng)血壓數(shù)據(jù)處理

無創(chuàng)血壓(同NIBP)？怎么測量這個數(shù)據(jù)？

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

當(dāng)袖帶充氣超過收縮壓之后，血流被阻斷，不會對袖帶產(chǎn)生作用力，在放氣時，袖帶壓降低到收縮壓之后血流重新流通并產(chǎn)生波動，對袖帶產(chǎn)生作用力，引起袖帶內(nèi)壓力值增高或暫時不變。繼續(xù)放氣低于舒張壓之后，有壓強(qiáng)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(nèi)壓強(qiáng)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！

實際操作中，如何實現(xiàn)精準(zhǔn)的NIBP數(shù)值測量呢？

首先，看一下理想情況下袖帶壓力變化。

圖表來自https://www.bilibili.com/video/BV1JV4y167AJ

然而，事實上，沒有什么事情是理想的，在實際對*0.1kPa數(shù)據(jù)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(yùn)算轉(zhuǎn)換為mmHg int值時，在*0.75過程中丟失了波形細(xì)節(jié)，所以我們在這個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(yùn)含的信息在哪里呢？我?guī)湍阒敢幌拢?/p>

這里可以找到四個心搏點(diǎn)，但是黃色標(biāo)記的心搏太淺，單片機(jī)可能無法正常識別到，所以，可以認(rèn)為僅存在三個有效點(diǎn)

接著，就要讓單片機(jī)認(rèn)識這幾個心搏點(diǎn)

直接讓單片機(jī)處理是不可能的，因為前后都有平直線段，而且我們也不能標(biāo)定閾值，由于數(shù)據(jù)讀取的特殊性，只要讀錯一個，所得數(shù)據(jù)會造成極大誤差。

根據(jù)唐老師將電賽-電子血壓計電路指導(dǎo)，我使用一個0.3~3.5帶通濾波器協(xié)助調(diào)整。但在實際操作中，發(fā)現(xiàn)需要使用一個頻率為<3Hz的低通濾波器，不斷調(diào)整數(shù)值到最佳頻率。

億頓操作猛如虎，經(jīng)過濾波，提取，再濾波之后得到這樣的數(shù)據(jù)，可以輕松找到五個搏動點(diǎn)，但是仍然存在許多噪聲，無法滿足單片機(jī)的處理需要，單片機(jī)還是看不懂。

并且，左邊的大豎線需要在以后匯總時屏蔽掉。

怎么削弱 “波形噪聲 ”？

這里可使用閾值法。

首先，通過間隔取中值濾波，將圖形稍做優(yōu)化，看起來不那么雜亂無章了，就不為難單片機(jī)了。

通過平方削弱雜波成分后，再通過下降枝閾值法和干擾值排除確定出搏動。

如圖，這是提取出來的脈搏點(diǎn)（未經(jīng)過排除）,可以看到，重博波與過遠(yuǎn)的無效波。

然后，再經(jīng)過隔值法與直接法處理并比較有效點(diǎn)個數(shù)，多者勝出，運(yùn)用其方案計算

隔值法原理：

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)： 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）

沒有第六次啦！不然比較不了間隔值！

排除干擾所得數(shù)據(jù)如圖，可以看到“原理數(shù)據(jù)”的值和兩個有效數(shù)據(jù)之間的“干擾值”被濾去：

第二次試驗：

看到先出現(xiàn)對應(yīng)收縮壓，后出現(xiàn)對應(yīng)舒張壓，就完畢啦！

4.呼吸波數(shù)據(jù)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，以及一個中值濾波進(jìn)行處理，得到初步波形，將其存入數(shù)組。

為保證分析和快照實時性，我們采取將數(shù)組左移，最后追加的方式存儲數(shù)據(jù)。

我們使用memmove方法安全且快速的移動數(shù)據(jù)。

這是讀取出來的原始呼吸波性，被載入到緩存數(shù)組中，但是仍然有很多毛刺，雖然在顯示時無影響，但是對于數(shù)據(jù)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。

在實驗時發(fā)現(xiàn)總會有1的重復(fù)值，進(jìn)行矯正即可：

最后我們把識別呼吸波的個數(shù)乘以三 即可。

因為采樣率是10ms一次，傳入數(shù)組體量為2000，含20s數(shù)據(jù)，乘以三即可獲得60s數(shù)據(jù)。

5.多導(dǎo)聯(lián)心電圖聯(lián)合解析算法

這是一項艱巨的任務(wù)，也是各個數(shù)字心電圖機(jī)開發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)。

R波識別

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

所得結(jié)果1：

所得結(jié)果2：

然后就可以通過“斜率識別”把R波的索引提取出來。

對于低電壓的情況，識別到無任何波形，可以降低閾值繼續(xù)檢測。

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

緊接著計算出QRS數(shù)據(jù)與QT數(shù)據(jù)。

QRS起點(diǎn)尋找

我們通過以上算法尋找的R波可能超過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(jié)出這幾種情況：

1.無Q波，直接平直

2.有Q波，即存在轉(zhuǎn)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(fù)向波的同類型情況可以合并，根據(jù)Q波的情況可以合并）

我們針對第一種情況設(shè)置低于4單位即為平直（別看很多，其實整個圖拉的很大），遇到平直數(shù)值停止查找，定義其對應(yīng)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(shè)置掉頭次數(shù)不能超過三次（抵消干擾），并且遇到操作索引的前一個和后一個的差值不能小于3，否則立即停止查找，定義其對應(yīng)索引值為起點(diǎn)。

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

QRS電軸計算

電軸也稱平均電軸，是心臟電活動的平均方向（向量），是心電圖檢測指標(biāo)之一，指心臟除極和復(fù)極時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(jī)器識別心電軸，就必須推導(dǎo)出計算方法。

想必學(xué)過心電圖的醫(yī)學(xué)生們一定對這張圖非常熟悉，這張是使用I，III導(dǎo)聯(lián)代數(shù)和進(jìn)行計算的，但是，這種方法對于機(jī)器來說比較復(fù)雜，我們采取另一種方式，面積積分法。

這個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(biāo)準(zhǔn)的方法，也是機(jī)器計算最簡單的方法。

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(dǎo)聯(lián)相對于等電位線正向和負(fù)向面積代數(shù)和做圖在一個特殊坐標(biāo)系上，其中-III與+I的夾角度數(shù)為60deg。

在計算時有四種情況：

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：SI SIII

• 黑線：反向延長線

• 綠線：相交點(diǎn)與電偶中心連線

定義點(diǎn)I為A；點(diǎn)III為B。

情況A：電軸不偏

延長P III 交直線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BP交支線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，可以將兩個面積和取相反數(shù)，根據(jù)對頂角相等的數(shù)學(xué)思維即可轉(zhuǎn)化為以上兩種情況，是不是很有趣呢。

所對應(yīng)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。

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

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

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

然后求平均值算出QT間期：

然后根據(jù)QTc矯正公式算出QTc，在用QT-QRS算出T波時限：

胸導(dǎo)聯(lián)R/S波電壓分析

胸導(dǎo)聯(lián)R/S波電壓RV5+SV1和RV1+SV5是心電圖分析時重要的工具?？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(kuò)張，心室肥大，肺動脈高壓的診斷有指導(dǎo)意義。

首先，根據(jù)QRS起點(diǎn)向左兩個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(zhuǎn)化為電壓值(mV)：

結(jié)束解算代碼。

四、軟件說明

由于單片機(jī)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(jī)+LCD繪圖庫完成設(shè)計

軟件部分主要說明什么呢？

已知，心電儀的應(yīng)用設(shè)計，是兩個App以及多個界面切換。

那要如何保證切換不出錯？儀器按鍵不出錯？

我使用了將App或界面返回值代入決策的方式實現(xiàn)切換。

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

我們使用一個旋轉(zhuǎn)開關(guān)來作為App切換，我們通過讀取開關(guān)，累計標(biāo)識的方式銷毀當(dāng)前App切換。

在讀取到App不一致時開啟累計標(biāo)識，達(dá)到一定數(shù)值后銷毀并切換，標(biāo)識歸零。若檔位開關(guān)回到當(dāng)前App，標(biāo)識歸零。

復(fù)雜的系統(tǒng)，機(jī)械按鍵是不允許出半點(diǎn)差錯的，我們對于機(jī)械按鍵處理，使用中斷調(diào)用管理器中的按鍵功能決策函數(shù)，根據(jù)App和頁面標(biāo)識決策功能。

當(dāng)然在App/頁面被調(diào)用時，需要設(shè)置標(biāo)識：

這樣，整個調(diào)度系統(tǒng)才能有條不紊的運(yùn)作下去，長期保持穩(wěn)定。而且，裸機(jī)相比于RTOS大幅提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性，保留更多資源。

五、成本說明

個人制作一個心電監(jiān)護(hù)儀的總成本約3100元。

你覺得這個儀器做得怎么樣呢？

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