摘 要: 设计一种基于 S3C6410 和 WinCE 6. 0 的12 导联心电图机系统。该系统主要由心电信号采集、放大、滤波和转换的前端处理模块，基于 S3C6410 的嵌入式控制和显示系统模块，心电图打印模块以及网络传输模块组成。该系统以 VS 2005 为工具，采用 WinCE 6. 0 所支持的多线程、TCP/IP 通信和 WIFI 无线通信等技术，实现了对心电数据的实时采集、显示、打印、保存和网络传输等功能。该系统具有便携式、界面友好、易操作等特点。
心电图是从人体表记录的心脏电位随时间而变化的曲线，它反映出心脏兴奋产生、传导和恢复过程中的生物电位变化。12 导联心电图机是指同步地记录 12 导心电信息。相比单导、三导或六导，12 导联心电图机具有很大的优势。如在描记心电各波、段和间期清晰不失真，在同一个心博或叠加后 的心博整体测量上使测量数据精确度更高; 在标测早博、心动 过速、旁道等心律失常的成功率显著高于三导和六导[1]。
1 系统组成
本系统由四部分组成: 前端采集模块、基于 S3C6410 主控系统模块、打印模块和远程数据传输模块。前端信号采集模块把通过电极采集的原始心电信号进行前端滤波放大处理后，将模拟信号转化成数字信号，并将数字信号组成数据帧通过串口输出。基于 S3C6410 微处理器的主控系统对由串口传输过来的数字化心电信号进行后端数字滤波处理、病理检测分析、实时显示，并按一定的格式存储，以便统一保存和日后查看。打印模块可以打印心电曲线和分析结果。网络传输模块实现了心电图机和心电图服务器之间以及心电图机和心电图机之间的数据交换[2]。
2 系统硬件功能模块设计
本系统的硬件模块如图 1 所示，主要有以下几个部分组成。
1) 前端采集模块。心电信号是心脏跳动产生的微弱心信号，是一种低频微弱电信号，检测设备具有较高的灵敏度，所以对干扰很敏感。对体表电极测量而言，信号幅度在10 μV 到4 mV 之间，典型值为1 mV。频率范围在0. 05 Hz 到250 Hz之间，频谱能量主要集中在 0. 25 Hz 到35 Hz 之间。心电信号在采集的过程中受到工频干扰、电极极化干扰、肌肤干扰以及基线漂移等干扰，所以前段采集模块必须对采集到的心电信号进行滤波处理才能够利用。心电信号采集硬件模块如图 2所示。
根据心电信号特征和受干扰特性，前端采集模块主要在采集后对信号进行前端放大; 50 Hz 滤波滤波、25 Hz 陷波滤波、35 Hz 陷波滤波、主放大、低通滤波、电平抬升和 AD 转换等过程，然后通过串口输出[3]。
2) 基于 S3C6410 微控制器的主控系统。A / D 转换过程和其他采集硬件电路本身对心电信号存在干扰，主控系统还需要对接收到的数据进行数字滤波，并且需要对心电数据进行病理检测分析，所以对处理器性能要求很高。本文采用的S3C6410 是一款基于 ARM11 内核的微控制器，其主频达667 MHz，并具有丰富的外围接口控制器，可以满足 12 导联心电图机所需性能要求。本模块的硬件如图 3 所示，主要包括采用 ARM11 核的 S3C6410 微处理器、电源、串口、网卡、LCD触摸屏等。
3) 数据存储模块。存储包括病人信息和心电数据信息，存储介质可以选择本地 NAND Flash、SD 卡、U 盘。
4) 远程数据传输模块。本系统实现了两种远程传输方式供用户选择，一是通过 DM9000 实现的有线传输方式; 二是WIFI 模块实现的无线传输方式。
5) 打印模块。本系统为了把核心模块做得更小，打印模块采用外接打印机的模式，当需要打印时，通过 USB 口外接打印机实现对心电图的打印。
3 系统软件设计
3. 1 系统平台选择
本文设计的基于 S3C6410 和 WinCE 6. 0 的 12 导联心电图机系统是诊断性心电图机，对系统性能要求主要有:
1) 采集端通过串口以 1 ms 为周期发送 24 B 心电数据和控制信息，主系统必须实时接收由串口发送过来的全部数据;
2) 系统需要对接收到的心电数据进行数字滤波、病理分析和信息显示，在使用心电检测算法诊断发现异常心电波形时，必须在一定的时间内触发报警装置;
3) 心电波形的采样率是 1 ms，波形显示不能延时过大，至少在视觉上需要感觉动态心电曲线的平滑;
4) 系统必须要能在接收处理数据和显示图形时及时响应用户的其他操作，如界面切换、数据存储和数据的远程传输。
基于以上的性能要求本系统采用 WinCE 6. 0 作为其操作系统平台。WinCE 6. 0 是微软公司推出的一款嵌入式操作系统，WinCE 6. 0 在前面几个版本的基础上在稳定性，实时性都有很大的提高; WinCE 6. 0 支持 WIFI、蓝牙和 TCP/IP 等通信技术，具有强大的网络通行能力; WinCE 6. 0 采用模块化的设计方式，可根据特定应用定制所需的模块; 微软提供强大的技 术支持，可以实现产品的快速设计[4].
3. 2 系统应用软件设计
本系统软件采用 WinCE 6. 0 的 API 函数实现，开发工具采用 VS 2005。软件系统的各个功能模块如图 4 所示。
3. 2. 1 数据接收处理模块
本系统利用了 WinCE 6. 0 多任务、多线程的特点。采集端的数据每毫秒发送一个数据帧，数据帧包括起始位、导联数据和停止位。必须在串口缓冲区满之前读取其中的数据帧。本系统单独开辟一个线程，采用定时器读取串口中的数据帧，然后对采集端的数据进行数据帧判断、数据格式转换、最后的数字滤波、心率计算以及病理检测分析。
3. 2. 2 数据存储模块
病人信息和心电数据按照一定的格式存储在文件中，需要保存的包括病人信息、病理分析结果和心电导联数据[5]。
具体包括:
1) 文件信息: 包括文件的创建时间、文件类型和文件大小等;
2) 病人信息: 包括病人的姓名、性别、ID 号、年龄、体重等;
3) 导联数据: 经过滤波的一段时间的完整导联数据;
4) 病理分析结果: 包括心搏参数、心率、PR 间期、QRS 时限、QT 间期、RR 间期、P 波电轴、QRS 波电轴和 T 波电轴等;
5) 心搏测量信息: T 波修正值、Q 波等效值、室壁激动时间、QRS 波面积、ST 段起点的幅值、ST 段平均幅值、ST 段终点的幅值等。
心电数据存储模块中存储介质可以根据需要选择本地NAND Flash、SD 卡或 U 盘。
3. 2. 3 数据显示模块
心电信号数据采用实时动态曲线形式显示，供用户观察心电状况，心电数据的显示好坏直接关系到用户对病人健康状况的判断。需要实现的显示形式包括 12 导联移屏式显示( 如图 5 所示) 、节律显示形式( 如图 6 所示) 以及冻结显示形式( 如图 7 所示) 。
12 导联移屏式显示是心电图机的主界面，实时同步显示12 导的心电曲线。移屏式是指新接收到的心电数据曲线从左到右地覆盖上一屏幕曲线。在定时器的作用下，新接收到的心电数据通过坐标转换计算出在屏幕中的横纵坐标点位置，然后根据计算出来的坐标点位置刷新屏幕中上一屏幕留下的曲线，最后显示新接收到的点的曲线，从而达到动态的效果。
节律显示是从 12 导联中取一导单独显示动态曲线，在定时器的作用下，新接收到的心电数据通过动态地连接在上一次定时器作用下的心电曲线的尾端，并单独分析一导心电曲线包含的心率，RR 间期等心电信息。
冻结显示是静态显示一段时间内的 12 导联心电曲线，由于一屏无法全部显示出时间段内的心电图，所以采用按时按屏显示。这一功能便于用户仔细观察病人心电情况。3. 2. 4 数据的远程通信本系统心电数据传输可根据客户需要实现有线和无线传输，有线通过网卡，采用 TCP/IP 协议; 无线采用 WIFI 协议，实现心电图机和服务器端以及心电图机之间数据传输。心电图机之间共享心电数据文件的软件模块可以通过密码权限访问其他心电图机在特定目录下的文件，并且下载到本地地址中，然后显示出静态心电曲线和分析结果。
3. 2. 5 心电图打印模块
本系统核心部分实现了对打印机的驱动功能，采用通过USB 外接打印机，实现心电图的打印，从而达到主系统的最小化，便于携带。本系统应用软件部分实现了对心电图的 12 导联模式打印和节律模式打印。
4 结语
本文设计的 12 导联心电图机系统采用了 WinCE 6. 0 操作系统，界面友好，画面清晰，且由于 WinCE 6. 0 支持触摸屏技术和大屏幕 LCD，使本心电图机具有很好的人机交互特性;本文采用的 S3C6410 微控制器强大的处理能力，使本心电图机具有动态实时曲线的延时小、动态感强、实现的功能多等特点; 本系统支持有线网络与无线网络相结合的网络传输技术，具有强大的网络传输能力; 由于本系统的数据文件可实时传输给服务器端，较好地解决了单个系统的存储空间不足的问题。本心电图机系统可以很好地为用户给病人的心电情况作出分析诊断。
参考文献:
[ 1] 杨孙永，张永红，白净，等. 一种基于掌上电脑的便携心电血压监护仪[ J] . 航天医学与医学工程，2005，18(1) : 66 -71.
[ 2] 陈章祥，郝继飞，张道明. 基于 Windows CE 的便携式心电监护系统[ J] . 工业控制计机，2007，20(11) :31 -32.
[ 3] 闫润强，詹永麒，胡伟国，等. 12 导联同步心电信号自动检测技术的研究[ J] . 中国医疗器械杂志，2002，26(2) : 88 -91.
[ 4] 王虎寅. WinCE 线程技术在多参数监护仪软件设计中的应用[ J] . 桂林电子工业学院学报，2005，25( 3) : 47 - 51.
[ 5] 方勇，朱昌. 心电信号采集与存储系统的设计[ J] . 西安工业学院学报，2004，24(2) :148 -150.
