可穿戴式醫(yī)療心電信號(hào)監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)

孫斌 何宏

引言

對(duì)心血管疾病的早期診斷和檢測(cè)一直是醫(yī)學(xué)界的研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。1957年Holter動(dòng)態(tài)心電圖的發(fā)明，給心臟病疾病患者帶來(lái)了福音。在傳統(tǒng)的心電監(jiān)測(cè)設(shè)備中，通常使用線纜來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，線纜連接到專用的處理設(shè)備進(jìn)行處理，患者需佩戴全套設(shè)備才可以接受監(jiān)測(cè)治療。這些設(shè)備，在一定程度上提高了患者突發(fā)心臟病的檢出率。但是其體積與復(fù)雜度，限制了其在心臟病早期診斷的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展與成熟，類似于心電信號(hào)的小信號(hào)的檢測(cè)傳感器集成度提高，為便攜式的心電監(jiān)測(cè)帶來(lái)了更多的可能。 本文采用美國(guó)神念公司的BMD101芯片作為心電信號(hào)采集傳感器，并且通過(guò)nRF51822藍(lán)牙芯片技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳到Android 或Windows上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和心電圖顯示?？纱┐骷夹g(shù)的采用，使得系統(tǒng)的體積大大減小，同時(shí)擁有友好的人機(jī)界面，符合現(xiàn)階段關(guān)于可穿戴設(shè)備的要求。同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮低功耗需求，在軟件和硬件層面聯(lián)合降低功率。

一、系統(tǒng)的組成與原理

可穿戴式心電監(jiān)測(cè)終端的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。分為傳感器模塊，藍(lán)牙處理器模塊，和上位機(jī)部分。人體心電信號(hào)通過(guò)兩片電極片采集后，經(jīng)過(guò)低通濾波器消去運(yùn)動(dòng)或皮膚震顫產(chǎn)生的高頻干擾進(jìn)入BMD101芯片。在芯片內(nèi)部采集的模擬心電信號(hào)經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部的模擬前端，濾波，放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入數(shù)字處理階段。在數(shù)字處理中，將工頻干擾消除，并經(jīng)過(guò)帶通濾波器，通過(guò)心率算法將心率算出后，原始的心電數(shù)據(jù)和心率將通過(guò)串口輸出。nRF51822芯片內(nèi)部集成了MCU和藍(lán)牙模塊。采集的心電數(shù)據(jù)被串口讀取后，經(jīng)過(guò)處理后在OLED上顯示出來(lái)，同時(shí)也會(huì)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送出去。在電腦或安卓手機(jī)的接收端接收了藍(lán)牙信號(hào)后，可將藍(lán)牙轉(zhuǎn)為串口讀出，將數(shù)據(jù)再次濾波處理并顯示出來(lái)。

二、硬件設(shè)計(jì)

2.1傳感器部分

弱電傳感器應(yīng)包含，前置濾波，高增益放大，陷波濾波等部分。本文采用的BMD101是美國(guó)神念公司專為心電生物信號(hào)采集開發(fā)的片上系統(tǒng)，集成了模擬前端和數(shù)字后端，功能強(qiáng)大。其模擬前端集成高增益的線性低噪聲放大器和高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，極低的系統(tǒng)噪聲和可控的增益使其可以采集微伏到毫伏級(jí)的生物信號(hào)。內(nèi)置50Hz或60Hz陷波濾波器可對(duì)心電監(jiān)測(cè)的最大干擾源工頻干擾進(jìn)行過(guò)濾。而芯片的封裝僅為3X3mm。且無(wú)需外圍電路，特別適用于可穿戴式的設(shè)計(jì)。但由于是小信號(hào)處理，需對(duì)模擬地和數(shù)字低進(jìn)行嚴(yán)格的區(qū)分以減小干擾。在電源部分加入PI型濾波以減小電源的紋波干擾。同時(shí)由于是穿戴式設(shè)計(jì)，佩戴者運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的高頻信號(hào)對(duì)信號(hào)的采集有較大的干擾，可在電極到傳感器間加入截至頻率100Hz左右的低通濾波器。電源部分電路和前端低通濾波器如圖2所示。

2.2藍(lán)牙處理器模塊

藍(lán)牙透?jìng)骶哂械凸模瑐鬏斔俣瓤斓奶匦?。nRF51822是Nordic公司生產(chǎn)的一款功能強(qiáng)大、高靈活性的多協(xié)議的超低功耗的片上系統(tǒng) （Soc） ， 包含一個(gè)32位ARM Cortex-M0 CPU。非常適用于Bluetooth低功耗和2.4GHz超

低功耗無(wú)線應(yīng)用。BMD101芯片串口發(fā)出的心電信號(hào)進(jìn)過(guò)nRF51822芯片讀取后，根據(jù)神念官方提供的數(shù)據(jù)包解包方式進(jìn)行解包。提取出心率數(shù)據(jù)，和512Hz的心電采樣數(shù)據(jù)。處理后通過(guò)SPI接口在OLED顯示器上顯示出來(lái)。同時(shí)串口數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙轉(zhuǎn)發(fā)出去。nRF51822內(nèi)部集成的DC-DC轉(zhuǎn)換器和ADC可以控制和檢測(cè)鋰電池電壓?？梢詫㈦姵氐膶?shí)時(shí)電壓情況反饋出來(lái)。在上位機(jī)中只需要將檢測(cè)設(shè)備作為藍(lán)牙串口讀取即可。

三、軟件設(shè)計(jì)

3.1下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序主要完成心電數(shù)據(jù)包解包，電源電壓采樣，OLED顯示，藍(lán)牙轉(zhuǎn)發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)OLED顯示和電源電壓采樣使用了兩個(gè)定時(shí)器。定時(shí)器1按照刷新頻率刷新顯示心電波形，定時(shí)器2按照采樣頻率對(duì)電池的電壓采樣。心電數(shù)據(jù)解包按照給出的操作手冊(cè)，一步一步進(jìn)行解包提取。其程序流程圖如圖3所示。

3.2上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序在Microsoft Visual Studio 集成開發(fā)環(huán)境下編程。其內(nèi)部集成的豐富的函數(shù)庫(kù)和開發(fā)例程提供了友好的開發(fā)環(huán)境。在官方操作手冊(cè)幫助下，根據(jù)其提供的API接口即可方便的訪問(wèn)USB串口。無(wú)需編寫復(fù)雜的硬件驅(qū)動(dòng)。使得開發(fā)難度大大降低。在IDE中調(diào)用ThinkGear串口數(shù)據(jù)解析器API可對(duì)心電數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。將解析出的原始數(shù)據(jù)通過(guò)Bresenham 算法以描繪直線的方法繪制出來(lái)即為ECG波形。根據(jù)簡(jiǎn)潔易用的原則，設(shè)計(jì)了一款友好的的人機(jī)交互界面。功能涵蓋有串口選擇，實(shí)時(shí)心率顯示，ECG波形繪制，ECG數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

Andriod手機(jī)的上位機(jī)程序在android studio下開發(fā)完成。在ThinkGearSDK的幫助下，可以方便的對(duì)心電數(shù)據(jù)包進(jìn)行讀取和解析，同時(shí)將串口得到的數(shù)據(jù)用SurfaceView繪制ECG波形圖。SurfaceView可以直接從內(nèi)存或者DMA等硬件接口取得圖像數(shù)據(jù)，因此大大減小了系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。上位機(jī)效果圖如圖4和圖5所示。

本方案基于的BMD101和nRF51822均為低功耗高集成度soc。所需的外圍芯片很少，終端結(jié)合電池和電極片僅為10g。其采用80mAH鋰電池以512Hz采樣率可連續(xù)工作5天以上。硬件電路的周全考慮，將可能的噪聲降至最低，佩戴者可以在大多數(shù)情況下得到實(shí)時(shí)的心電監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，抗干擾能力強(qiáng)，可以適應(yīng)于各種復(fù)雜情況監(jiān)測(cè)。

參 考 文 獻(xiàn)

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