基于Android手機的心電、呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

鮑丙豪，劉 輝，曹一涵

(江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

基于Android手機的心電、呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

鮑丙豪，劉 輝，曹一涵

(江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

目前市場上多數(shù)心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品存在體積大、功耗大、價格高等問題。為解決這些問題，設(shè)計了一種基于Android手機的便攜式心電及呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)利用集成芯片ADS1292R采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換心電及呼吸信號，主控芯片通過異步串口通訊方式將數(shù)據(jù)傳輸至藍(lán)牙模塊，Android手機客戶端實現(xiàn)與藍(lán)牙模塊的無線通訊和繪制心電波形。本監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以便捷地、全天性地監(jiān)測患者身體狀況，實時顯示心電波形。

心電信號；呼吸信號；ADS1292R；藍(lán)牙；Android手機

心血管發(fā)病率及死亡率在我國仍處于上升階段，尤其是在中國社會老齡化及醫(yī)療資源嚴(yán)重緊缺形勢下，便攜式心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品是移動醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)的一個重要方向[1-4]。目前大多數(shù)家用心電監(jiān)護(hù)儀成本高，體積大不易攜帶，不適宜全天性的監(jiān)測。

目前，基于智能手機的移動醫(yī)療技術(shù)已成為健康監(jiān)護(hù)研究領(lǐng)域的一個熱點。與傳統(tǒng)的醫(yī)療設(shè)備不同的是，以Android智能手機為終端的醫(yī)療監(jiān)護(hù)產(chǎn)品具有成本低、體積小、功耗低、便于攜帶的特點[5]。同時，這種便攜式健康監(jiān)護(hù)產(chǎn)品可以將生理參數(shù)以藍(lán)牙的方式無線傳輸至手機端，以便病人可以實時掌握自己病情。為滿足便攜、低功耗和長期監(jiān)測的需求，本文所設(shè)計的心電及呼吸信號監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有信號采集，數(shù)字濾波處理，藍(lán)牙無線傳輸以及手機顯示心電波形等功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)護(hù)系統(tǒng)以便攜、低功耗為設(shè)計目標(biāo)，以肢體三導(dǎo)聯(lián)的方式采集心電及呼吸信號。系統(tǒng)包括心電和呼吸信號采集模塊、單片機控制處理模塊、穩(wěn)壓電源模塊、藍(lán)牙串口模塊以及最后的手機客戶端。系統(tǒng)框圖如圖1所示[6-7]。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 信號采集模塊

信號采集模塊采用TI公司的集成芯片ADS1292R，它是一款適用于生物電信號采集的芯片。其內(nèi)置2個24 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以實現(xiàn)心電與呼吸信號雙通道采集，單個通道功耗僅為335 μW，且ADS1292R內(nèi)置右腿驅(qū)動降噪電路和電極脫落檢測電路[8-9]。

信號采用差分輸入方式，兩個電極右臂RA(負(fù)極)和左臂LA(正極)。通道1(IN1N和IN1P)用于采集呼吸信號，通道2(IN2N和IN2P)用于采集心電信號。右腿驅(qū)動電路連接到通道2上，形成負(fù)反饋以減少心電信號中共模干擾。呼吸信號和心電信號由電極分別引入通道1和通道2后經(jīng)過ADS1292R內(nèi)部可編程放大器(PGA)放大6倍，然后分別經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號由SPI接口輸入到單片機中。

由于病人在攜帶監(jiān)護(hù)產(chǎn)品時，經(jīng)常會發(fā)生電極導(dǎo)聯(lián)脫落現(xiàn)象，導(dǎo)致無法正常采集信號。本系統(tǒng)利用ADS1292R內(nèi)部電極脫落檢測電路，當(dāng)某處電極脫落時，ADS1292R內(nèi)部寄存器就會發(fā)生改變，通過讀取寄存器，判斷各處電極是否脫落。

2.2 單片機控制模塊

MSP430系列單片機具有極低功耗和工作模式可切換的特點，適合應(yīng)用于對功耗有要求的便攜設(shè)備中。在心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，MSP430F149起到控制ADS1292R信號采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換，完成信號的數(shù)字濾波處理，以及與藍(lán)牙模塊通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)?。單片機外圍連接如圖3所示。

圖2 單片機外圍連接電路

2.3 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊選擇匯承公司的HC-06。單片機與藍(lán)牙模塊以異步串行接口的方式連接，如圖3所示。

圖3 單片機與藍(lán)牙模塊連接示意圖

2.4 PCB布線布局

由于心電信號很微弱，典型幅值約為1 mV，易受到干擾，所以在硬件設(shè)計上除了需要右腿驅(qū)動電路消除共模干擾外，在PCB的布線布局上也應(yīng)注意以下幾點：(1)由于心電及呼吸信號是差分信號，所以在布線正負(fù)輸入信號線時，盡量保持靠近和對稱走線，以減少共模干擾；(2)為減少外界對輸入信號線的干擾，用地線將輸入信號線包裹起來；(3)電源數(shù)字電源單獨供電，模擬地和數(shù)字地單獨地，在一點處連接，避免模擬電路和數(shù)字電路之間相互干擾。

3 單片機軟件設(shè)計

單片機是整個信號采集的核心，其軟件流程圖如圖4所示。

圖4 單片機軟件設(shè)計流程圖

3.1 單片機控制ADS1292R

單片機控制ADS1292R進(jìn)行信號采集和AD轉(zhuǎn)換。單片機與ADS1292R通過CS、SCLK、DIN、DUT四線實現(xiàn)SPI串行同步協(xié)議通訊。通過向ADS1292R內(nèi)部寄存器寫入相應(yīng)值以配置相關(guān)設(shè)置，比如通道放大倍數(shù)、測量通道漂移量、工作時鐘選擇、導(dǎo)聯(lián)脫落使能等。

3.2 數(shù)字濾波處理

人體呼吸，肌肉運動等造成了心電及呼吸信號基線漂移，噪聲信號為0～0.5 Hz。采用一階IIR濾波器去除基線漂移噪聲[10-11]。其傳遞函數(shù)為

(1)

其中，A為0.992。其差分方程[12-13]

y(n)=0.992y(n-1)+60.996[x(n)-x(n-1)]

(2)

由上式可知每次計算濾波后的數(shù)據(jù)y(n)，需要當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)x(n)，也需要上一次的采集的數(shù)據(jù)x(n-1)和上一次的濾波后數(shù)據(jù)y(n-1)。需要保留的數(shù)據(jù)和計算量都不大，適合實時的便攜式系統(tǒng)。

在心電信號中，50 Hz工頻干擾是最大干擾。這里設(shè)計了162階的FIR帶阻濾波器[13]。其濾波效果好，性能穩(wěn)定。FIR濾波器的傳遞函數(shù)為

(3)

其差分方程為[14]

(4)

這里采樣頻率為500 Hz，陷波頻率范圍為49～51 Hz，衰減80 dB。

由于呼吸信號的頻率集中在2 Hz以下[8]，所以這里設(shè)計了一個162階2 Hz的FIR低通濾波器。濾波器截止頻率為3 Hz，衰減80 dB。

3.3 藍(lán)牙模塊

單片機與藍(lán)牙模塊進(jìn)行串行異步通訊，這種通訊方式實現(xiàn)簡單[15]。只需要配置相應(yīng)的輸出和輸入管腳、串口時鐘、以及波特率即可。為保證心電及呼吸數(shù)據(jù)能高速無延時地傳輸，波特率選擇115 200。

4 實驗結(jié)果及測試

圖5濾除基線漂移前后信號對比圖

圖5 為帶有基線漂移的原始信號和濾

除基線漂移后的信號的對比圖，從圖中可以看出原始信號的基線在-280～-270 mV之間漂移，而經(jīng)過濾波后的信號的基線基本穩(wěn)定在0處。

圖6為帶有50 Hz干擾的原始信號和濾除50 Hz干擾后的信號的對比圖，從圖可以看出50 Hz干擾得到了較好的濾除。

圖7是呼吸信號濾除基線漂移和高頻干擾前后對比圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)基線漂移和高頻干擾得到了較好的濾除。系統(tǒng)整體測試如圖8所示。

圖6 濾除50 Hz干擾前后信號對比圖

圖7 濾除基線漂移和高頻干擾后的呼吸信號對比圖

圖8 系統(tǒng)整體測試圖

5 結(jié)束語

本監(jiān)護(hù)系統(tǒng)有效地監(jiān)測心電及呼吸信號，可以實時對信號進(jìn)行濾波處理，且濾波效果穩(wěn)定良好，使計算心率和呼吸頻率變得簡單。并且系統(tǒng)具有功耗低、體積小，便于攜帶的特點，同時具有電極導(dǎo)聯(lián)脫落提醒功能，方便在運動中使用。實時有效地監(jiān)護(hù)心血管患者心電情況，將有助于減少患者猝發(fā)性死亡的可能。本系統(tǒng)在移動醫(yī)療領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。

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Design of the ECG and Respiratory Signal Monitoring System Based on Android Phones

BAO Binghao，LIU Hui，CAO Yihan

(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

In view of the large volume, huge power consumption of most ECG monitors, a portable ECG and respiratory signal monitoring system is designed based on Android phones. The system uses an integrated chip ADS1292R to collect ECG and respiratory signals, and then the master chip transfers the data to a Bluetooth module through an asynchronous serial communication. The Android mobile client achieves wireless communication with the Bluetooth module and then draws ECG. This monitor system can monitor the state of the patient’s body easily and naturally and displays the ECG waveform in real time.

ECG signal; respiratory signal; ADS1292R; Bluetooth; Android

2016- 04- 05

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目(201510299109H)；江蘇大學(xué)工業(yè)中心大學(xué)生創(chuàng)新實踐基金項目(ZXCXJJ201438)

鮑丙豪(1963-)，男，教授。研究方向：新型傳感技術(shù)。劉輝(1988-)，男，碩士研究生。研究方向：傳感器設(shè)計和嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.035

TP277;R540.4+1

A

1007-7820(2017)02-135-04