超低功耗可穿戴式無(wú)線(xiàn)心電測(cè)量系統(tǒng)的研制

孫中標(biāo)，葉繼倫,，張旭,，袁懋結(jié)，鐘志強(qiáng)，檀雪

1 深圳大學(xué) 醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫(yī)學(xué)信息檢測(cè)與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

3 深圳市生物醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

0 引言

近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，心電監(jiān)護(hù)向著小型化、便攜式、低功耗等特點(diǎn)發(fā)展[1-2]。對(duì)于一些特殊的心臟疾病的病人，需要長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)心電信號(hào)，傳統(tǒng)心電監(jiān)測(cè)采用心電導(dǎo)聯(lián)線(xiàn)與人體連接，不利于日常監(jiān)護(hù)[3-4]。筆者針對(duì)現(xiàn)狀提出并設(shè)計(jì)一種超低功耗便攜式可穿戴心電測(cè)量系統(tǒng)。傳統(tǒng)穿戴式心電設(shè)備多為采用藍(lán)牙模塊作為無(wú)線(xiàn)發(fā)射，增加系統(tǒng)功耗，本系統(tǒng)采用低功耗心電集成采集芯片ADS1292R和超低功耗藍(lán)牙單片機(jī)nRF51822組成心電信號(hào)采集電路，將采集的心電數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送至手機(jī)APP進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

超低功耗無(wú)線(xiàn)心電測(cè)量系統(tǒng)具有功耗低、便攜帶、小型化、可實(shí)時(shí)顯示等特點(diǎn)?？刹捎冕t(yī)用防汗心電電極片[5]，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此心電電極片能夠支撐整個(gè)設(shè)備的重量，并且在走路或跑步的時(shí)候不會(huì)脫落。

系統(tǒng)主要由心電電極貼連接部分、心電采集部分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分、藍(lán)牙主控單元、充電模塊、穩(wěn)壓、鋰電池組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)線(xiàn)心電測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of wireless ECG monitoring system

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源管理部分

電源管理部分主要實(shí)現(xiàn)了為鋰電池充電和電源穩(wěn)壓功能。充電芯片選用的TI公司的BQ21040，該芯片是一款面向空間受限類(lèi)便攜式應(yīng)用的高度集成鋰離子和鋰聚合物線(xiàn)性電池充電器。該芯片可通過(guò)一個(gè)USB端口供電，具有輸入過(guò)壓保護(hù)的高輸入電壓范圍。芯片內(nèi)部具有高精度電流和電壓調(diào)節(jié)環(huán)路、充電顯示和充電終止功能?？赏ㄟ^(guò)一個(gè)外部電阻設(shè)定充電電流，10 h固定安全定時(shí)器。電源充電電路如圖2所示。

圖2 本系統(tǒng)電源充電電路圖Fig.2 Charging circuit diagram of system power

本設(shè)計(jì)中選用的心電采集芯片ADS1292R和藍(lán)牙單片機(jī)的工作電壓均在3 V，而鋰電池的工作電壓在3.0～4.2 V左右，所以需要選用線(xiàn)性穩(wěn)壓芯片LP5907對(duì)電路進(jìn)行穩(wěn)壓。TI公司的LP5907芯片是一款能提供高達(dá)250 mA輸出電流的低噪聲線(xiàn)性穩(wěn)壓芯片。此穩(wěn)壓芯片專(zhuān)門(mén)針對(duì)射頻和模擬電路而設(shè)計(jì)，可滿(mǎn)足其低噪聲、高PSRR（電源抑制比）、低靜態(tài)電流等要求，輸入電壓范圍在2.2 V至5.5 V。電源穩(wěn)壓電路如圖3所示。

圖3 本系統(tǒng)電源穩(wěn)壓電路圖Fig.3 Regulated circuit diagram of system power

2.2 心電采集部分

人體心電信號(hào)具有一定的自律性和傳導(dǎo)性，可通過(guò)電極片拾取人體體表心電信號(hào)，心電信號(hào)具有易受干擾和幅值微弱等特點(diǎn)。選用TI心電專(zhuān)用芯片ADS1292R，該芯片內(nèi)部集成低噪聲可編程增益放大器和24位高分辨率ADC，其高共模抑制比可減少人體共模信號(hào)的干擾。心電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大以及AD轉(zhuǎn)換通過(guò)SPI數(shù)據(jù)通信方式，進(jìn)入藍(lán)牙單片機(jī)nRF51822進(jìn)行進(jìn)一步的分析與處理，最后通過(guò)藍(lán)牙傳至手機(jī)APP進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。心電采集電路如圖4所示。

2.3 單片機(jī)部分

單片機(jī)選用Nordic公司的nRF51822，該單片機(jī)是一款超低功耗、并具有藍(lán)牙功能的單片機(jī)，使用32位ARM Cortex M0內(nèi)核，可靈活配置31pin GPIO，可編程外設(shè)互聯(lián)(Programmable Peripheral Interconnect，PPI)系統(tǒng)，提供了一個(gè)16通道的總線(xiàn)使外設(shè)可在沒(méi)有MCU介入的情況下進(jìn)行直接和自主的通信。這將減少外設(shè)經(jīng)由CPU 通信造成的延遲，并可在通信過(guò)程中保持CPU休眠以減少能耗。單片機(jī)電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分包括藍(lán)牙單片機(jī)中運(yùn)行的下位機(jī)和智能手機(jī)運(yùn)行的APP程序兩個(gè)部分，其中無(wú)線(xiàn)心電測(cè)量系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用的是Keil uVision5，編寫(xiě)語(yǔ)言為C語(yǔ)言，下位機(jī)軟件流程如圖6所示。

圖5 單片機(jī)電路圖Fig.5 MCU circuit diagram

圖6 心電下位機(jī)流程圖Fig.6 ECG lower machine flow diagram

手機(jī)APP是基于A(yíng)ndroid系統(tǒng)，應(yīng)用Java語(yǔ)言設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，本APP可通過(guò)藍(lán)牙與手機(jī)連接，進(jìn)行心電數(shù)據(jù)傳輸，并實(shí)時(shí)顯示心電信號(hào)。當(dāng)手機(jī)APP程序啟動(dòng)后，將主動(dòng)檢測(cè)通訊范圍內(nèi)的藍(lán)牙設(shè)備，獲取藍(lán)牙權(quán)限，獲取藍(lán)牙適配器，確認(rèn)藍(lán)牙版本是否支持，解析藍(lán)牙廣播包，進(jìn)行UUD匹配，進(jìn)行藍(lán)牙連接，獲取GATT服務(wù)，之后進(jìn)行GATT服務(wù)UUID的匹配和特征UUID的匹配，若匹配成功，獲取到心電信號(hào)數(shù)據(jù)，進(jìn)行手機(jī)端的實(shí)時(shí)顯示。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

4.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的無(wú)線(xiàn)心電測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示。板卡整體長(zhǎng)度為89.2 mm，寬度為28 mm，厚度約為5 mm，板卡為一個(gè)整體，板卡兩頭焊接的有心電專(zhuān)用電極扣，使用時(shí)將電極片扣在電極扣上，直接粘貼在人體左胸口處。在調(diào)試過(guò)程中通過(guò)串口上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示，波形如圖8所示，其中P、QRS、T波特征明顯，可用于心律失常分析。

圖7 心電采集板卡實(shí)物圖Fig.7 ECG acquisition board physical map

圖8 上位機(jī)顯示心電波形圖Fig.8 The host computer displays the ECG waveform

無(wú)線(xiàn)心電測(cè)量系統(tǒng)藍(lán)牙實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的功耗為（3.7 V×2.87 mA）10.619 mW，可通過(guò)萬(wàn)用表串聯(lián)到整個(gè)電路進(jìn)行測(cè)量，如圖9所示。目前市場(chǎng)上一些主流的無(wú)線(xiàn)心電類(lèi)產(chǎn)品功耗主要在十幾至二十幾毫安，此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)真正意義上的低功耗。圖10為不同測(cè)試者接受測(cè)試時(shí)的心電波形，經(jīng)過(guò)低通、50 Hz陷波、高通、平滑等數(shù)字信號(hào)處理后得到的心電波形比較穩(wěn)定，能夠明顯看到QRS波特征，較為完整顯示心電信號(hào)，對(duì)于一些特殊的心臟病人能夠起到較好的日常監(jiān)護(hù)作用。

圖9 功耗測(cè)試圖Fig.9 Power consumption test diagram

圖10 不同測(cè)試者接收心電信號(hào)圖Fig.10 Different subjects received ECG signals

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

（1）系統(tǒng)噪聲：系統(tǒng)噪聲是電纜、電路和輸出顯示噪聲。通過(guò)輸入端全部連接到一起，將設(shè)備增益設(shè)置為最高，采集大于10 s的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)采集，計(jì)算得平均噪聲在8.43 μV。根據(jù)國(guó)家心電診斷類(lèi)文檔要求，心電圖機(jī)的系統(tǒng)噪聲不大于30 μV的要求。因此，系統(tǒng)噪聲符合國(guó)家心電診斷類(lèi)要求。

（2）帶通范圍：心電信號(hào)主要集中在20 Hz左右，本系統(tǒng)將單導(dǎo)心電帶通頻率設(shè)置為0.5～40 Hz。在輸入端輸入的信號(hào)頻率從0.5～40 Hz連續(xù)變化，并保持幅值不變，經(jīng)過(guò)測(cè)試在此范圍內(nèi)信號(hào)波動(dòng)幅度為2.86 dB，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

（3）功耗：分測(cè)量、測(cè)量與數(shù)據(jù)通信兩個(gè)模式進(jìn)行測(cè)試，其中測(cè)量的功耗為（3.7 V×2.51 mA）9.287 mW，測(cè)量與數(shù)據(jù)通信的功耗為（3.7 V×2.87 mA）10.619 mW。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)單導(dǎo)超低功耗無(wú)線(xiàn)心電測(cè)量系統(tǒng)，選用處理器和藍(lán)牙合二為一的超低功耗單片機(jī)，降低系統(tǒng)整體功耗以及系統(tǒng)的體積，本系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)、連續(xù)測(cè)量的功能，操作簡(jiǎn)單、攜帶方便，并隨著智能手機(jī)的普及加大，將更加易于推廣使用[6]，具有較好的可應(yīng)用性。另外，系統(tǒng)還存在舒適性、特征計(jì)算等有待提高的問(wèn)題，后續(xù)將會(huì)繼續(xù)加大對(duì)數(shù)據(jù)處理算法的提高與更新，進(jìn)一步使用柔性PCB及硅膠外殼設(shè)計(jì)，采用一些特殊材料作為電極貼，提高使用者穿戴的舒適感[7]，提升系統(tǒng)的整體應(yīng)用性。