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      醫療器械

      發布時間: 12-11 21:18文章來源:深圳市芯易芯科技有限公司

      USB便攜式ECG心電圖監護自動分析儀

      心血管疾病已成為危害中國人生命安全的第一大殺手,目前上面上成熟的心電監護儀大多價格較貴,難以普及。因此,我們希望開發一臺足夠便宜,足夠便攜,足夠好用的心電監護自動分析裝置,有助于幫助大家隨時監控心血管健康。

      該項目是一個三導聯ECG心電圖檢測分析裝置,硬件部分為USB心電信號采集卡,采集心電信號并處理,最后上傳至計算機,在計算機中采用python開發上位機并進行處理,顯示出心電圖,頻譜等,并提供心顫檢測各種分析功能。該項目是我們實驗室研發任務的成員自行研發的衍生產品,其旨在復雜環境下穩定快速可靠地識別房顫室顫,并且提供一個十分經濟的心電監護方式,為大項目的整體工作打下基礎,后續將繼續進行研發。

      項目詳情

      本項目硬件部分采用兆易創新GD32F130F8P6作為主控,提供采集數據上傳的功能。利用運放分別搭建各種放大/濾波陷波電路,將三導聯的的心電信號提取出來并且濾除常見干擾。采用USB轉串口芯片解決MCU串口和上位機的通訊問題。以下是硬件結構框圖:

      在上位機端,我們用python/C++混合編程搭建了心電記錄/顯示/分析一體化的上位機,提供了心率檢測、頻譜分析、房顫室顫等分析,并邀請知名專業醫生指導驗證(實驗室合作關系)。以下是上位機軟件設計的框架:

      項目面臨的挑戰及解決的問題

      我們的初始方案是采用AD8232芯片進行心電信號的提取,但是經過測試發現,無論是我們的測試電路還是買到的DEMO板,只能在無干擾狀態下保持良好工作(關閉房間所有交流用電器),抗干擾性能都極差。下圖是一張典型的波形,這是我們在關閉所有電器,只開一只臺燈的情況下的輸出波形(測試淘寶買的AD8232紅色模塊):

      上圖可以看到,其存在很高幅度的50Hz工頻噪聲,我們分析,這是由于其右腿反饋的驅動能力不足,以及內部設計原因所致。 當然如果是純粹的50Hz干擾,我們可以通過后級濾波來實現,查閱datasheet和實踐發現,由于AD8232內部的設計原因,在50Hz干擾達到一定程度,則會引發振蕩:

      考慮到我們的項目日后需要在更加復雜的環境下工作,比如應用到電除顫環境下,需要很高的抗干擾性能和靈活性保證,我們選擇了采用分立運放自行搭建小信號提取電路:

      經測試,抗干擾性能大大強于AD8232。我們測試的條件是空調,電磁爐等較大功率的設備全開,圖下是示波器保存的測試報告:

      幾乎完全濾除了50Hz的工頻干擾,只留下易于處理(與工作頻率相差過大,因此無需處理)的100KHz開關噪聲。

      在心電分析方面,如何進行室顫房顫的分析成為了軟件的重點問題,我們研發了“頻譜反饋閉環式近似熵心顫檢測算法”,用于解決房顫的識別問題,同時大大減少了導聯接觸不良或者強干擾狀態下的誤判問題。同時也開發了一些算法,用于識別心率等多項功能。以下是頻譜反饋式近似熵心顫識別算法大致框架:

      在實際程序編寫中,我們遇到了程序計算量過大的問題:

      第一次計算,PC花費了3個小時才計算出數據。

      第二次,我們根據實際需要優化了計算量,計算時間縮減到了12分鐘。

      第三次,我們優化了python程序的運行效率,計算時間進一步縮減到了1.2S。

      然而,這仍然無法滿足我們的要求,因為程序不但需要實時性,而且得具備移植到嵌入式設備的能力,顯然此路不通。 我們將算法移植到了C/C++上,留出對外接口,編譯成立動態鏈接庫,在windows上是dll,在linux/macOS上是so。 python在需要計算的時候調用動態鏈接庫,達到加速的目的,實測計算速度提升了150倍。

      項目硬件、軟件部分涉及到的關鍵點

      在我們需要克服各種環境下的50Hz干擾問題,在硬件上,我們做了四階雙T有源陷波電路,同時增強了右腿驅動部分的信號,增強了設備的抗干擾能力(與網上售賣的AD8232模塊對比)。在軟件上,我們采用了頻譜動態閉環反饋的方式,大大降低的心顫誤判的概率。我們采用計算信息熵的方式來分析心電信號的有序程度,在房顫和室顫時,近似熵可高達0.6-0.9,而在正常狀態下,近似熵僅僅為0.1-0.4之間,在無干擾狀態下,可以很清晰的識別出心顫,在干擾嚴重的情況下,熵會大大增加,頻譜的動態反饋則可以解決這個問題。 項目軟件分為三個部分:

      1、GD32下位機固件軟件,主要功能是采集調理后的心電信號,進行濾波等初步處理,并且實時上傳。

      2、python編寫的上位機軟件,負責圖形界面以及時間復雜度較小的算法,python的跨平臺特性使得軟件可以輕易移植到各種平臺,比如樹莓派,香橙派,工控機,手機等??梢浦残允沟枚伍_發變得極為容易,舉個例子,只需要購買一塊linux最小系統板,配上小屏幕就可以將本項目輕松改成手持式心電監護儀,而成本依然遠低于世面產品。~~~~

      3、C/C++編寫編譯的動態鏈接庫,該部分主要負責熵分析計算等耗時較大的算法,熵算法在python中計算往往要耗時數秒,采用C/C++編寫可降低至毫秒級,保證的上位機程序的實時性和性能。python調用C/C++動態鏈接庫以實現分析房顫室顫。移植到不同架構CPU時需要重新編譯動態鏈接庫。

      項目材料清單

      項目圖片




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