超低功耗體表貼附式心電長期監(jiān)護和存儲系統(tǒng)

【作 者】劉納，陳穎敏，張文贊，羅章源，金勛，殷衛(wèi)海

1 上海交通大學生命科學與技術(shù)學院，上海 ，200240

2 上海交通大學生物醫(yī)學工程學院，上海 ，200030

3 上海交通大學醫(yī)學院附屬仁濟醫(yī)院，上海 ，200127

4 杰升生物科技(上海)有限公司，上海 ，200235

心血管疾病已經(jīng)成為威脅人類生命的主要疾病之一。由于其發(fā)病往往具有突發(fā)性和偶然性的特點，一些異常的ECG（心電）信號只有在某些特殊情況下才會出現(xiàn)，因此有必要對ECG信號進行長時間記錄與分析[1]并且隨著心電監(jiān)護時間的延長，疾病的發(fā)現(xiàn)率將大大提高，有利于疾病的早期診斷和及時治療[2]。

目前使用的有兩種類型的心電圖儀。最常用是標準的心電圖記錄儀。它通常包含12-15個電極，分別放在病人的前胸，雙臂和右腿處記錄心電信號。這種傳統(tǒng)的儀器通過成對的不同電極來記錄短時間的采樣信號(通常不超過30 s)[3]。由于標準的心電圖儀只能記錄一段很短時間內(nèi)的心電信號，對于那些不規(guī)則或者不連續(xù)的心臟病情往往無法識別。為了解決標準心電監(jiān)護儀的這一缺點，很多醫(yī)院對需要重病特殊護理的病人目前采用連續(xù)心電監(jiān)護儀。它包括通過3個導聯(lián)電極對病人進行長時間的心電活動監(jiān)測。通過這些連續(xù)的心電監(jiān)護，能夠發(fā)現(xiàn)一些偶發(fā)性的心律異常，可以作為病人早期診斷的一個預警[4]。但是很多便攜式監(jiān)護儀，通常需要外部供電，因此常常尺寸比較大也比較重，移植性也不是很好。

微型監(jiān)護儀以低功耗，小尺寸，研發(fā)周期短，易于植入或者融合入現(xiàn)存的醫(yī)療計算機系統(tǒng)而著稱。隨著醫(yī)患矛盾的不斷激化和醫(yī)療模式的變革，醫(yī)療中心從醫(yī)院走向社區(qū)、家庭又成為一種趨勢[5]。從醫(yī)學工程的角度出發(fā),傳統(tǒng)治療設(shè)備的微型化，便攜化,直至可穿戴化是必由之路。而微機電技術(shù)、通信技術(shù)、材料技術(shù)、生物傳感器技術(shù)等的發(fā)展，為可穿戴治療設(shè)備的研制提供了可能，也為慢性病人解決長期的監(jiān)護和治療所帶來的高額費用問題提供了可能。目前市場上一些基于數(shù)?；旌咸幚砗退{牙傳輸技術(shù)的Holter設(shè)計，處理速度較快，但是往往造價昂貴，難以在普通民眾中普及[6]，而一些低成本的Holter，在速度和大容量存儲上又滿足不了現(xiàn)在對于大容量和高速存儲的需求[7]。因此,我們根據(jù)市場需求，設(shè)計了一種新型的貼附式心電監(jiān)護系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)尺寸樣圖Fig.1 Size and appearance of the system

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)基于高集成度和低功耗的PIC18F27J13單片機，通過SPI總線與SD卡通訊，將數(shù)據(jù)以十六進制的形式保存在TF卡中，通過上位機顯示軟件，可以方便醫(yī)生在電腦上對心電數(shù)據(jù)進行記錄和分析，以診斷疾病。 由于該系統(tǒng)功耗極低，僅為0.6 mW左右,因此采用560mAh的鋰電池供電，可以實現(xiàn)15天以上心電數(shù)據(jù)的連續(xù)采集和存儲，體表貼附式電極避免了植入式的痛苦和風險，硬件電路板尺寸僅為一元硬幣大小，方便病人長期佩戴， 滿足了對心電數(shù)據(jù)長期動態(tài)監(jiān)護和大容量存儲的要求。該系統(tǒng)具有以下特點：

（1）比傳統(tǒng)的心電監(jiān)護儀還要微型，尺寸僅有1元硬幣大??；

（2）低功耗，采用560 mA.h 的鋰壓電池，平均電流1.617mA,能支持15天以上連續(xù)工作；

（3）實驗的貼片電極，具有良好的生物相容性，對皮膚刺激比較低；

（4）采樣頻率為200 Hz，很好地保證心電信號記錄的準確性和完整性，保證信號不失真。

該系統(tǒng)通過兩片貼片電極來采集心電數(shù)據(jù)，經(jīng)前端電路的濾波和放大等預處理，送入單片機，通過PIC18F27J13自帶的12位AD進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后,將心電數(shù)據(jù)以十六進制的形式保存到Micro-SD卡中。通過上位機顯示軟件進行心電數(shù)據(jù)的顯示回放和分析。系統(tǒng)整體框圖2所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 心電采集及放大電路

這一部分包括心電電極、放大電路，完成心電圖的采集及放大工作。心電采集及放大電路采用兩級放大，后級放大器放大倍數(shù)可調(diào)，前置放大5倍，后級主放放大200倍，總放大倍數(shù)為1000倍。

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖Fig.2 Scheme and components of the system

前置級心電放大電路的性能指標決定了整個放大器的輸入特性，因此系統(tǒng)選用Texas Instrument 公司提供的INA321放大器。該放大器具有輸入阻抗高、共模抑制比高、噪聲低、功耗低等特點。后置級放大電路采用功耗極低的OPA2369構(gòu)成。濾波電路選用OPA2369外接電阻電容構(gòu)成。高通濾波電路截止頻率0.05 Hz，用以去除基線漂移；低通濾波電路截止頻率33 Hz，既抑制高頻干擾又滿足采樣抗混疊的要求。

圖3 模擬前端設(shè)計框圖Fig.3 Scheme of the analog front end

2.2 核心控制及A/D轉(zhuǎn)換電路

這一部分主要由Microchip PIC18F27J13單片機構(gòu)成，實現(xiàn)電路系統(tǒng)控制、信號A/D轉(zhuǎn)換功能；核心控制芯片選用美國Microchip公司出品的PIC18F27J13，實現(xiàn)電路系統(tǒng)控制、信號A/D轉(zhuǎn)換功能。該芯片的主要特點是：12位AD，低功耗，自帶的SPI通訊系統(tǒng)。其內(nèi)部包含了一個12位A/D轉(zhuǎn)換器，具有多路傳輸、采樣/保持、片內(nèi)基準電壓、自校準等特性，利用其設(shè)計信號采集系統(tǒng)時無需外接A/D轉(zhuǎn)換器及采樣保持電路。直接利用其AN0口（模擬輸入口）接放大后的模擬心電信號，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換功能。另外，PIC18F27J13的MCU內(nèi)核和模擬轉(zhuǎn)換器二者均有正常、空閑和掉電工作模式，非常適合于低功率應(yīng)用的靈活電源管理方案[8]。

2.3 TF卡存儲系統(tǒng)

TF卡的接口有9個引腳，支持兩行串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，即SD(Multimedia Card)模式和SPI（Serial Peripheral Interface）模式[9]。TF卡與單片機連接如圖4所示。本系統(tǒng)采用SPI通訊模式，除了電源線和接地線外，主要通過4條信號線完成數(shù)據(jù)傳輸。這4條信號線分別是片選線SDCS,時鐘SDCLK,數(shù)據(jù)輸入SDDI和數(shù)據(jù)輸出SDDO。

圖4 TF卡與單片機連接圖Fig.4 Connections between TF card and microchip

2.4 電源設(shè)計

隨著二十世紀微電子技術(shù)的發(fā)展，小型化的設(shè)備日益增多，對電源提出了很高的要求。鋰電池隨之進入了大規(guī)模的實用階段。 最早得以應(yīng)用的是鋰亞原電池，用于心臟起搏器中。由于鋰亞電池的自放電率極低，放電電壓十分平緩。使得起搏器植入人體長期使用成為可能。鋰亞硫酰氯電池額定電壓3.6V，是目前鋰電池系列中電壓最高的、能量最高的一種電池(500 wh/kg,1000wh/dm3)。常溫中等電流密度放電時，放電曲線極為平坦，90%的容量范圍內(nèi)工作平臺保持不變，電池可以在-40°C- +85°C范圍內(nèi)正常工作。-40°C時的容量約為常溫容量的50%，表現(xiàn)出極為優(yōu)良的高低溫性能,可以滿足小電流連續(xù)放電,6年自放電率<=1%；貯存壽命10 年以上。

3 軟件設(shè)計

在軟件方面，主要考慮到低功耗的要求，采用頻率切換的方式盡量減少功耗。單片機上電待機時采用8MHz完成各模塊的初始化，然后切換到31KHz進行數(shù)據(jù)采集，每5 ms采樣一次，待采集滿512字節(jié)后，把主頻切換到8 MHz，一次性寫滿SD卡的一個扇區(qū)（3 ms左右），然后把頻率再降回31KHz繼續(xù)數(shù)據(jù)采集。主程序主要包括系統(tǒng)初始化子程序，SD卡初始化，數(shù)據(jù)采集子程序，SD卡數(shù)據(jù)寫入。利用MCC18編寫程序。然后利用Microchip公司的 MPLAB-ICD3開發(fā)工具，對程序進行在線調(diào)試或者通過USB下載到單片機。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

此外，由于采用PIC18F27J13所內(nèi)置的是12位的ADC轉(zhuǎn)換,而每個字節(jié)只有8位，因此需要對AD采集的數(shù)據(jù)進行格式化編碼(見圖6)，即每次AD采樣后將得到1.5byte的數(shù)據(jù)，通過對其編碼，將每進行兩次ADC后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成3個bytes后，按十六進制的格式存儲，才能保證數(shù)據(jù)連續(xù)不丟失地寫入Micro-SD卡中[10]。

圖6 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化編碼Fig.6 Coding for data format change

據(jù)此計算每天的數(shù)據(jù)采集量為：

1天*24小時*60分*60秒*200 Hz*1.5Bytes*1chanel= 25920000 Bytes

因此，每天的數(shù)據(jù)記錄量為26 MHz左右。

4 系統(tǒng)調(diào)試和實驗結(jié)果

軟件部分采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，盡可能實現(xiàn)各部分程序的模塊化，減少模塊之間的耦合，以方便程序的修改和優(yōu)化，減少軟件缺陷，提高軟件質(zhì)量，也更加方便升級和維護。由于采用的是PIC18F26J13自帶的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此每采集一次是1.5bytes，將采集到的512次分成340bytes，最后兩位用作標記位。經(jīng)測試，系統(tǒng)平均電流和耗時如表1所示。

表1 平均電流評估表Tab.1 Average circuit evaluation

為了驗證采集到的數(shù)據(jù)是否正確，將不銹鋼貼片電極貼在胸前15天左右，記錄心電數(shù)據(jù)的數(shù)值。以十六進制的形式保存在TF卡中。然后利用LABVIEW編了一個上位機顯示程序，將采集到的十六進制心電數(shù)據(jù)讀入并顯示波形，記錄心電圖如圖7所示。

圖7 LABVIEW 心電圖回放Fig.7 ECG data replay on LABVIEW

5 總結(jié)

在移動便攜式醫(yī)療中，人們一直希望能在不犧牲信號質(zhì)量的前提下盡可能減少儀器尺寸和重量，最終的目的是在病人感覺不到監(jiān)測儀器存在的情況下對正在發(fā)生的EEG信號進行采集。本系統(tǒng)以低功耗、便攜式和大容量實時存儲為目標，通過采用低功耗的PIC18F26J13單片機為基礎(chǔ)，通過硬件選擇和軟件程序優(yōu)化來實現(xiàn)低功耗高質(zhì)量的心電信號采集和存儲。實現(xiàn)了真正的低功耗，微型便攜式和長期心電監(jiān)護的目標。隨著無線通訊技術(shù)的發(fā)展，以后基于藍牙，WiFi的便攜式醫(yī)療設(shè)備相信會得到更廣泛的應(yīng)用。

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