基于無線網(wǎng)絡(luò)的心電信號(hào)系統(tǒng)采集電路的設(shè)計(jì)

高 麗，周笑麗

（西安工業(yè)大學(xué) 電信學(xué)院，陜西 西安 710032）

心臟病具有突發(fā)性強(qiáng)、發(fā)病危險(xiǎn)性高的特點(diǎn)，是威脅人類生命的最嚴(yán)重疾病之一，其發(fā)病死亡率在美國、日本和歐洲等國家居第1位，在我國居第3位[1]。心電圖（Electrocardiogram，ECG）是心臟病病理研究、治療和診斷的主要依據(jù)，因此實(shí)施的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)對(duì)預(yù)防和救治此類疾病具有十分重要的意義。

目前國內(nèi)對(duì)無線便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的開發(fā)處于起步階段，因此市場上僅僅是存在便攜式心電監(jiān)護(hù)儀，并沒有得到很好的普及。大量資料顯示心電監(jiān)護(hù)儀一般是通過DSP,ARM,FPGA以及單片機(jī)的方法來實(shí)現(xiàn)的，如美國的HeartFAX系統(tǒng)、瑞典的Caliber Trigger Monitor系統(tǒng)、北京世紀(jì)今科的藍(lán)牙PDA型心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[2]等。這些方法各有千秋，適當(dāng)?shù)亟鉀Q了某一方面的問題，但往往存在著功耗大，成本高，攜帶不便等缺陷。文中所研究項(xiàng)目的適用對(duì)象是亞健康人群以及特殊行業(yè)工作人員,例如運(yùn)動(dòng)員、礦井下的工人等，目的是粗略檢查出被檢測人員的身體狀況是否出現(xiàn)異常，只有檢測出異常才能進(jìn)一步了解具體情況。因此，低功耗的無線心電信號(hào)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)有重大而深遠(yuǎn)的意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

基于無線網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。它主要包括兩部分:心電監(jiān)護(hù)終端和醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心。患者隨身攜帶的監(jiān)護(hù)終端由它上面的無線模塊通過外界網(wǎng)絡(luò)（internet）與監(jiān)護(hù)中心服務(wù)器相連接。監(jiān)護(hù)終端采集并處理患者的心電信號(hào),所得到的心電數(shù)據(jù)通過該鏈路傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)中心服務(wù)器上,并由服務(wù)器上的心電分析軟件進(jìn)行分析,醫(yī)生則根據(jù)軟件分析結(jié)果及自己的判斷來給患者適當(dāng)?shù)尼t(yī)囑,必要時(shí)采取相應(yīng)的救治措施。

圖1 系統(tǒng)示意圖FIg.1 System diagram

2 系統(tǒng)終端硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)終端硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，它是由數(shù)據(jù)采集與調(diào)理電路、MCU微控制器、zigbee通信模塊及電源模塊這幾部分構(gòu)成。

圖2 系統(tǒng)終端硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Hardware design diagram of the terminal system

2.1 心電信號(hào)采集模塊

人體心電信號(hào)的頻率[3]主要集中在 0.05～100 Hz，幅度為10 μV～4 mV（典型值為 1 mV），是一種低頻率的微弱雙極性信號(hào)。在采集心電信號(hào)時(shí)，易受到儀器、人體活動(dòng)等因素的影響，而且還常伴有干擾。其主要干擾首先是基線漂移，一般是由人體呼吸和心肌興奮所引起的，頻率低于1 Hz；其次是肌電干擾，是由肌肉興奮和收縮所致，其頻率范圍在5 Hz～2 kHz之間；再次是工頻干擾，其固定頻率[4]是50 Hz。另外，心電信號(hào)具有近場檢測的特點(diǎn)，離開人體微小的距離，就基本上檢測不到信號(hào)。針對(duì)以上心電信號(hào)的特點(diǎn)，調(diào)理電路的示意圖如圖3所示。

圖3 調(diào)理電路示意圖Fig.3 Diagram of signal regulate circuit

對(duì)信號(hào)調(diào)理電路的要求如下：1）信號(hào)放大是必須步驟，而且還應(yīng)將信號(hào)放大到800～1 000倍，使其能夠符合A/D輸入端的要求；2）需盡可能地消除工頻干擾的影響；3）要解決由于呼吸等原因引起的基線漂移的問題；4）需考慮電路的輸入阻抗以及噪聲的問題。

在這部分中心電導(dǎo)聯(lián)方式是首先要解決的問題，目前廣泛應(yīng)用的是國際標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)，分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF、V1～V6。aVR、aVL、aVF、V1～V6 為單極導(dǎo)聯(lián)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ導(dǎo)聯(lián)為雙極導(dǎo)聯(lián)，也稱為標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)，標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)的特點(diǎn)是能比較廣泛地反映出心臟的大概情況，如后壁心肌梗塞，心率失常等，在導(dǎo)聯(lián)Ⅱ或者導(dǎo)聯(lián)Ⅲ中可記錄到清晰的波形改變。所以在此選擇使用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)Ⅲ[5]。

由于人體皮膚是高阻抗，而心電信號(hào)比較微弱，且存在多種信號(hào)干擾，所以前置放大電路中的芯片選擇顯得尤為重要。根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)以及電極的提取方式，要求前置級(jí)必須滿足以下條件：1）高輸入阻抗；2）高共模抑制比CMRR；3）低噪聲，低溫漂；4）高安全性，以保證人體的絕對(duì)安全。這里采用的前置放大器是Analog Devices公司的AD620AN，其主要特點(diǎn)是：電源供應(yīng)范圍：+2.3～+18 V，高達(dá) 120 dB的共模抑制比，輸入偏置 60 μV,溫漂 0.6 μV，輸入阻抗為 1012GΩ,AD620的增益是通過1腳和8腳之間的電阻RG來調(diào)節(jié)的,可達(dá)1～1 000倍。增益的計(jì)算公式為:

為避免AD620的靜態(tài)工作點(diǎn)處于飽和狀態(tài)，選擇適宜的增益G=7。心電信號(hào)幅值屬于毫伏級(jí)，為了能清晰得到心電信號(hào)，須將信號(hào)增大至V（伏）級(jí)，即增大1 000倍，所以主放大電路的增益須為143左右。

心電信號(hào)中?；煊械皖l和直流干擾,其中,由于金屬電極、導(dǎo)電介質(zhì)和皮膚之間的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的直流偏壓是主要干擾成分,因此設(shè)計(jì)了截止頻率為0.05 Hz的二階高通濾波器來濾除這部分干擾。相應(yīng)地,高頻干擾信號(hào)通過一個(gè)截止頻率為100 Hz的二階低通濾波器予以濾除。此外,采用由輔助運(yùn)算放大器生成的共模電壓使共模信號(hào)反相,經(jīng)限流電阻回送至人體來抑制50 Hz工頻干擾。反相共模信號(hào)通過右腿驅(qū)動(dòng)電極回送至人體,這對(duì)50 Hz工頻干擾而言是一種深度負(fù)反饋,因而可以有效加以抑制[7]。

心電信號(hào)經(jīng)過一系列的放大和濾波之后所得到的信號(hào)大多還屬于雙極性信號(hào)，這些信號(hào)最終是要經(jīng)過芯片CC2431將其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換以及其他的信號(hào)處理方式通過PC機(jī)將其顯示出來，而CC2431芯片的供電電壓為3.3 V，因而主放大電路后須加上電壓匹配電路。

2.2 MCU微控制器模塊

ATmel128L、MSP430等是比較常見常用的處理器，如若選擇它們，則需要再購置Freescale公司的MC13192/MC13193類似的無線收發(fā)器以及與I公司的CC2420芯片功能相同的無線通信芯片，才能使整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，這無形中就增加了系統(tǒng)成本，且從低功耗、體積小等角度考慮也不符合設(shè)計(jì)的初衷，而如果選擇的片內(nèi)部集成了RF無線收發(fā)功能的處理器，比如片上系統(tǒng)CC2430、CC2431以及EM250等，則這些問題都迎刃而解。此設(shè)計(jì)選擇芯片CC2431來處理心電信號(hào)的數(shù)據(jù)分析。

CC2431是TI公司推出的帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，內(nèi)部集成了射頻收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核、128 kB的Flash ROM和8 kB的RAM，具有8路輸入的8－14位的ADC和強(qiáng)大的DMA等功能，并內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧[8]，易于建立低成本的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，具有一定的市場競爭力。CC2431芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430/CC2431的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。

2.3 無線通信模塊

對(duì)于此系統(tǒng)而言，采用ZigBee技術(shù)相當(dāng)便捷。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

ZigBee協(xié)議棧由一系列分層結(jié)構(gòu)組成,每一層為上一層提供服務(wù)[9]。數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),管理實(shí)體提供其他功能服務(wù)。每種服務(wù)實(shí)體通過服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)為上層提供接口。基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)軟件分層結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 Zigbee體系結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Structure model of ZigBee system

2.4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)底層軟件和醫(yī)院管理中心上位機(jī)監(jiān)護(hù)軟件。單片機(jī)底層軟件設(shè)計(jì)使用的是IAR Embedded Workbench（EW8051）集成開發(fā)環(huán)境，并利用 TI提供的帶有操作系統(tǒng)的免費(fèi)ZigBee2006協(xié)議棧組成強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)。上位機(jī)軟件采用C++面向?qū)ο笳Z言編寫，內(nèi)含串口驅(qū)動(dòng)程序，通過串口和ZigBee中心節(jié)點(diǎn)連接，負(fù)責(zé)接收并顯示所采集的數(shù)據(jù)，控制中心對(duì)患者的心電數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)監(jiān)控。軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 System software flow chart

2.5 電源模塊

心電信號(hào)調(diào)理電路主要是由3種放大器來完成：AD620，TLC2254，CC2431。而它們的工作電壓又各不相同，如表1所示，須挑選一種芯片來完成各個(gè)電壓間的轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)能正常工作。芯片AD620AN和TLC2254需要-5 V的電壓供電，因而需要將+5 V的電壓轉(zhuǎn)換到-5 V，這里采用的芯片是ICL7660；處理器需要+3.3 V的工作電壓，將+5 V的電壓轉(zhuǎn)化為+3.3 V的電壓，這里采用的是芯片LM1117。

表1 電源管理Tab.1 Power supply manage

3 電路性能檢驗(yàn)

通過心電信號(hào)頻率特性分析，在整個(gè)頻段用正弦波輸入，在電路輸出端測得輸出信號(hào)，整個(gè)頻段信號(hào)的放大線性度較好。運(yùn)用Multisim等相關(guān)仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行檢測，放大以及濾波效果均為良好，證明此前端電路設(shè)計(jì)合理。所測瞬態(tài)電流數(shù)值在6.5 mA左右，基本符合低功耗的初衷。

4 結(jié)束語

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是低功耗、低成本、高可靠性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其在家庭監(jiān)護(hù)應(yīng)用中具有廣闊的前景。文中介紹了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的心電信號(hào)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，體積小便于攜帶，運(yùn)用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)方式使整個(gè)系統(tǒng)的成本大大地降低，并且無線網(wǎng)絡(luò)的方式使病人的活動(dòng)范圍不必拘泥于病房之中。這個(gè)系統(tǒng)將其擴(kuò)展之后可以應(yīng)用于脈搏，血壓，血氧飽和度等等多種人體生理信息的監(jiān)護(hù)。

[1]王保華.心電技術(shù)面向未來--紀(jì)念心電圖機(jī)發(fā)明100周年[J].中國醫(yī)療器械雜志，2003，27(6)：390-391.WANG Bao-hua.ECG technology for the future—The 100th anniversary of the invention of electrocardiogram machine[J].Chinese Journal of Medical Instrumentation，2003，27 （6）:390-391.

[2]周瑋寧，施榮，沈邊豐.基于藍(lán)牙技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27（l）:77-80.ZHOU Wei-ning SHI Rong，SHEN Lian-feng.The wireless medical telemetry system based on bluetooth[J].Modern Electronic Technique，2004，27（1）:77-80.

[3]李鑫.基于ARM、藍(lán)牙通信的心電采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[4]高秉新.心電向量圖圖譜[M].北京：北京醫(yī)科大學(xué)&中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)聯(lián)合出版社，1995.

[5]余學(xué)飛.現(xiàn)代醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計(jì)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2007.

[6]陳鎏.基于DSP的心電信號(hào)采集和系統(tǒng)分析[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[7]呂英俊，楊雪.便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀的研制[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26（8）：484-486.LV Ying-jun，YANG Xue.Research of the portable medical monitor[J].Chinesse Journal of Scientific Instrument，2005，26（8）：484-486.

[8]Chipcon AS.SmartRF CC2430 Preliminary（rev.1.01）[EB/OL].（2005-09-15）.http://rocus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc2430.html.

[9]Zig Bee Alliance.Zig Bee specification[EB/OL].（2005-05）[2011-09-20].http://www.zigbee.org.