基于BMD101芯片的心電采集器的開發(fā)和應(yīng)用

王廷宇 高軍暉

摘 要：該文利用BMD101芯片，開發(fā)了一套心電測量系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由心電數(shù)據(jù)采集及分析軟件（運(yùn)行在Android手機(jī)上）、BMD心電采集器、貼敷電極組成。利用這套系統(tǒng)，對人群進(jìn)行心電測試，發(fā)現(xiàn)心率隨年齡的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：BMD101芯片 神念科技 心電算法 Android 年齡分布曲線

中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0066-02

Development and Application of ECG Acquisition System Based on BMD101 Chip

Wang Yanyu Gao Junhui

（1.Wuxi Big Bridge Experimental High School， Wuxi Jiangsu，214031；2.Shanghai biological information technology research center， Shanghai，200235，China）

Abstract：In this paper，we use BMD101 chip A set of ECG measurement system is developed.（Running on Android）、 ECG acquisition、Electrode composition. Use of the system，ECG test for people，The change of heart rate with age.

Key Words：BMD101 Chip；Neurosky；ECG Algorithm；Android；Age Distribution Curve

1 BMD101芯片介紹

BMD101芯片是神念科技（NeuroSky）[1]的第三代生物信號監(jiān)測及運(yùn)算的SoC設(shè)備。

BMD101被設(shè)計成由一個先進(jìn)的模擬前端電路和一個靈活的，功能強(qiáng)大的數(shù)字信號處理結(jié)構(gòu)組成。它的目標(biāo)是生物信號輸入，范圍從紫外到MV水平，并由NeuroSky的專有算法來部署應(yīng)用。

低噪聲放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）是BMD101模擬前端的主要組件。因為極低的系統(tǒng)噪聲和可編程增益，BMD101可以檢測到生物信號并通過ADC轉(zhuǎn)換成16位高分辨率的數(shù)值信號。

2 心電采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)由Android手機(jī)（心電數(shù)據(jù)采集及分析軟件）、BMD心電采集器、三塊貼敷電極組成。（見圖1）。

BMD心電采集器分別與手機(jī)和三塊貼敷電極連接，與手機(jī)通過藍(lán)牙連接，與三塊貼敷電極通過連接導(dǎo)線。

BMD芯片通過SEP、SEN接受來自貼敷電極的模擬信號，然后將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后把數(shù)字信號通過RX、TX發(fā)送給手機(jī)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 開發(fā)環(huán)境與工具

開發(fā)環(huán)境為Windows，開發(fā)工具為JDK、Eclipse、ADT、NeuroSky的API。

JDK的全稱是Java Development Kit，是整個Java的核心。JDK下載地址：http：//www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/index.html。

Eclipse是一個開放源代碼的、基于Java的可擴(kuò)展開發(fā)平臺。Eclipse作為Java及Android開發(fā)的IDE。

Andorid SDK為Android管理開發(fā)包工具，提供了Android各級平臺的開發(fā)包和工具。

Android的開發(fā)團(tuán)隊專門針對Eclipse IDE定制了一個插件：Android Development Tools（ADT）。在Eclipse安裝配置好ADT就可以進(jìn)行開發(fā)了[2]。

神念科技的ThinkGear SDK（安卓版）[3]，可以幫助我們開發(fā)基于ThinkGear系列生物傳感器的應(yīng)用程序。安卓應(yīng)用程序能夠獲取和使用生物信號數(shù)據(jù)，比如從神念科技傳感器（包括基于BMD101的設(shè)備）獲取心電和腦電信息。

3.2 功能介紹

軟件系統(tǒng)的功能主要有打開連接、關(guān)閉連接、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示等。采集到的數(shù)據(jù)主要是心率數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)還有放松度、心臟年齡等。

我們在程序中使用了神念科技的心電算法。神念科技心電算法包括娛樂算法和健康算法，這些算法為終端設(shè)備增加了非常有趣的娛樂功能和心臟健康監(jiān)測功能，不但可以監(jiān)測健康心臟，還可以監(jiān)測患病心臟的恢復(fù)情況。

3.3 軟件界面

應(yīng)用程序的軟件界面由上、中、下三個部分組成。（見圖2）

屏幕的上方是三個按鈕，分別表示“連接、斷開連接和清除數(shù)據(jù)”，也就是接收信號的打開與關(guān)閉。

屏幕的下方是一個圖形顯示區(qū)域，展示心率隨時間的變化。讓測試者直觀地了解自己心率的變化。

屏幕的中間是六個數(shù)據(jù)項，下面逐一描述。

（1）Heart Rate，指心率，此項數(shù)值代表了使用者的心率，單位為次/分鐘（BPM）。

（2）Heart Age，指心臟年齡，通過設(shè)備得到的一個某個測試者心臟年齡的相對值。據(jù)統(tǒng)計，心臟年齡大于實際生命年齡者死亡風(fēng)險較高。另外，只有10歲以上生命年齡者才適用與這個設(shè)備的測量。

（3）Respiratory Rate，指呼吸頻率，此項數(shù)值記錄了測試者每分鐘呼吸次數(shù)。

（4）Relaxation，指放松度，此項數(shù)值展示了測試者是否緊張焦慮。數(shù)據(jù)分布從1一直到100，數(shù)值越高說明更加放松相反數(shù)值越低說明放松度越低。

（5）5minHeart Age，指5 min心臟年齡，取自于5 min內(nèi)較為穩(wěn)定準(zhǔn)確的心臟年齡，排除瞬時變化對結(jié)果的影響。

（6）R_interval，指R間隔，單位毫秒中，每個波峰之間間隔時間。

4 初步應(yīng)用

將三塊貼敷電極貼在人體的左胸心臟位置、右胸與其平行位置、小腿位置。打開BMD心電采集器的電源，運(yùn)行手機(jī)上的軟件，經(jīng)過一段時間，心率等信息就出現(xiàn)在屏幕上。為達(dá)到最優(yōu)效果，所有的心電數(shù)據(jù)建議在用戶安靜端坐的情況下采集。

我們用這套系統(tǒng)對450個人進(jìn)行了測量，并記錄了被測試者的個人信息，包括性別、年齡、職業(yè)等。最終有效數(shù)據(jù)為436人，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，我們得到了心率隨年齡變化的曲線（見圖3）。

從圖3我們可以看出，在青少年生長發(fā)育階段，隨著身體機(jī)能的不斷成熟，運(yùn)動量的日趨加大，心率不斷增長。而當(dāng)?shù)竭_(dá)25歲左右時，心率達(dá)到頂峰，之后由于發(fā)育停止，心率逐步下滑。在50歲附近時，心率又一次開始爬升，這可能是因為人體步入了老年階段后新陳代謝減弱的原因造成的。

通過以上工作，可以認(rèn)為我們開發(fā)的系統(tǒng)具有一定的實用性。

參考文獻(xiàn)

[1] http：//www.neurosky.com.cn/.

[2] 精通Android3[M].人民郵電出版社，2011.

[3] ThinkGear Development Guide for Android[M].NeuroKey.