基于織物電極的可穿戴式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

林視達(dá),朱紀(jì)軍

(東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,南京 210096)

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基于織物電極的可穿戴式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

林視達(dá),朱紀(jì)軍*

(東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,南京 210096)

隨著移動(dòng)醫(yī)療的飛速發(fā)展,可穿戴式心電監(jiān)護(hù)已成為個(gè)人日常心電監(jiān)護(hù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。而長(zhǎng)時(shí)間穿戴所存在的便攜性和舒適性差、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問題是制約可穿戴式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備發(fā)展的重要瓶頸。采用織物電極作為心電采集電極,設(shè)計(jì)了一種單導(dǎo)聯(lián)低功耗、小型化的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng),改善了長(zhǎng)時(shí)間穿戴所存在的問題。系統(tǒng)采用織物電極取代傳統(tǒng)Ag-AgCl電極進(jìn)行心電采集;模擬前端采用ADS1292芯片,調(diào)理心電信號(hào),提高信噪比,并進(jìn)行24位ADC轉(zhuǎn)換;MCU采用MSP430F5659,進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取、存儲(chǔ)和計(jì)算,并控制外設(shè)進(jìn)行異常警報(bào)和與上位機(jī)的藍(lán)牙通信。系統(tǒng)完成靜坐、行走和跑步狀態(tài)下的測(cè)試,并對(duì)比同步脈率,驗(yàn)證了檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,證明可基本滿足個(gè)人日常心電監(jiān)測(cè)使用。

心電監(jiān)護(hù);可穿戴;織物電極;ADS1292

隨著全球人口數(shù)量增長(zhǎng),老齡化程度加劇以及日常生活壓力的不斷增大,心血管疾病已經(jīng)成為一種人類不可忽視的嚴(yán)重疾病。根據(jù)世界衛(wèi)生組織公布的數(shù)據(jù)顯示,2015年的全球死亡人口中,由心血管疾病造成的超過1 800萬[1],接近三分之一,而在我國,相關(guān)人數(shù)也在持續(xù)快速上升。國家心血管病中心統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)表明,目前全國有2.9億的心血管疾病患者,其中每年因心血管疾病死亡的人數(shù)則高達(dá)350萬,患病率增幅接近50%,而肥胖和三高的影響使得患病數(shù)量額外增長(zhǎng)23%。如果不引起重視,加強(qiáng)日常監(jiān)測(cè)和控制,那么預(yù)估到2030年,我國將增加2 130萬的心血管病患者,同時(shí)死亡人數(shù)將增加770萬[2-3]。

作為威脅人類健康的“第一殺手”,心臟病是心血管疾病的最主要部分之一,它突發(fā)性強(qiáng),一般難以被及時(shí)發(fā)現(xiàn),同時(shí)死亡率很高,所以對(duì)人生命的危害極大。大部分心臟疾病患者由于無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)心率異?；蛟诎l(fā)病后不能得到快速有效的治療而導(dǎo)致病情加劇,甚至嚴(yán)重情況下會(huì)造成死亡[4]。相關(guān)研究表明,心臟疾病患者在心臟異常前,有超過70%的人會(huì)感到明顯不適,而且癥狀持續(xù)時(shí)間多數(shù)超過15 min[5]。這說明通過對(duì)心臟疾病患者心率的實(shí)時(shí)監(jiān)控來及時(shí)發(fā)現(xiàn)心臟異常并提醒其采取相應(yīng)治療措施來避免悲劇發(fā)生的手段是有重要意義的?，F(xiàn)階段,醫(yī)院常用的心電圖(ECG)監(jiān)護(hù)設(shè)備,如心電監(jiān)護(hù)儀[6]和Holter機(jī),都存在著使用舒適感差、便攜性不足、價(jià)格昂貴等問題,使得無法滿足多數(shù)心臟疾病患者進(jìn)行長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)的日常心電監(jiān)護(hù)使用,特別是使用常規(guī)Ag-AgCl心電電極,冗長(zhǎng)的導(dǎo)線和無法長(zhǎng)時(shí)間貼合使用的電極片會(huì)給患者的日常生活帶來極大的不便。因此,為了應(yīng)對(duì)此現(xiàn)狀,需要一種更加便攜、便宜且有效的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備來滿足心臟疾病患者的日常使用需求,幫助他們更及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)心臟問題,并得以盡快緩解病情。

近些年來,移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展進(jìn)入了高速增長(zhǎng)期,而可穿戴式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備也開始被大眾普遍接受,作為新型的ECG監(jiān)護(hù)設(shè)備進(jìn)入人們的日常生活。由于需要對(duì)患者的心臟狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù),可穿戴式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備必須具備穿戴輕便舒適、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)和滿足不同生活場(chǎng)景下(如站立、行走、吃飯、睡覺等)正常工作等特點(diǎn)。而且設(shè)備最好能夠連接移動(dòng)終端,將采集到的實(shí)時(shí)心電信號(hào)數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙等無線通訊方式傳輸?shù)街悄芤苿?dòng)終端上進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和顯示[7-10]。基于這些特點(diǎn)和功能,本文設(shè)計(jì)了一種基于織物電極的可穿戴式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備,可以有效的滿足心臟疾病患者日常心電監(jiān)護(hù)使用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了充分體現(xiàn)可穿戴式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),本文設(shè)計(jì)了一種基于織物電極的低功耗、小型化可穿戴心電監(jiān)護(hù)設(shè)備。心電采集傳感器采用全新的織物電極,用銀纖維與普通衣物面料局部混織而成,完全融合到衣物面料中,無凸起,可長(zhǎng)時(shí)間舒適穿戴無負(fù)擔(dān)。心電采集模擬前端采用TI公司的ADS1292芯片,配合MSP430F5659單片機(jī),完成心電信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理以及傳輸?shù)裙δ?。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括心電傳感器、采集前端電路、MCU及外圍控制電路、電源管理模塊和藍(lán)牙傳輸模塊等部分。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)采用兩電極進(jìn)行成人胸部心電信號(hào)的單導(dǎo)聯(lián)采集,ADS1292采樣頻率為250 Hz,并通過SPI與MSP430F5659進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,MSP430F5659對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算,得到實(shí)時(shí)心率數(shù)據(jù),并通過藍(lán)牙4.0模塊將其傳輸?shù)浇K端進(jìn)行顯示,系統(tǒng)正常工作平均功耗在10 mA左右,且采用可充電鋰電池進(jìn)行系統(tǒng)供電。

圖1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 心電采集電極

本系統(tǒng)采用織物電極獲取人體心電信號(hào)?？椢镫姌O是利用特定紡織工藝將銀纖維等導(dǎo)電織物材料制作為電極的一類特殊傳感器,用來采集人體體表微弱生理信號(hào)[11]。傳統(tǒng)一次性Ag-AgCl電極作為目前最普遍使用的心電電極,優(yōu)勢(shì)在于與人體皮膚貼合緊密,極化電壓小,采集到的信號(hào)質(zhì)量較好,但在長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)容易產(chǎn)生摩擦脫落、皮膚過敏等一系列問題,而且使用時(shí)有明顯的佩帶感,同時(shí)需要定時(shí)更換,所以對(duì)日常心電監(jiān)護(hù)而言并不合適[12-13]。考慮到傳統(tǒng)電極在日常心電監(jiān)護(hù)中的不足,本系統(tǒng)采用織物電極進(jìn)行心電信號(hào)的采集,如圖2所示。

圖2 心電織物電極

此織物電極有別于一般的導(dǎo)電布,它是通過提花紡織技術(shù)與其他織物面料進(jìn)行局部混織而成,可以實(shí)現(xiàn)織物電極與普通衣物的完美結(jié)合,無凸起感。電極采用雙面織物結(jié)構(gòu),地層是由滌綸紗線織造,傳感層是由鍍銀紗線織造,經(jīng)紗是化纖長(zhǎng)絲,緯紗是鍍銀導(dǎo)電紗。鍍銀紗線在緯紗方向形成雙層結(jié)構(gòu),如圖3所示[14]。此織物電極是典型的柔性干態(tài)電極,與傳統(tǒng)一次性黏性電極相比,它的柔性、耐久性、可水洗性、人體生物兼容性、可集成性都大大提高。

圖3 織物電極采用的提花技術(shù)的橫截

1.2 心電采集模擬前端

心電采集模擬前端通過高頻濾波、阻抗匹配等手段,高質(zhì)量獲取人體體表微弱心電信號(hào),進(jìn)行多級(jí)放大和濾波處理,并通過ADC轉(zhuǎn)換,將得到的心電數(shù)據(jù)傳輸給MCU進(jìn)行處理分析的模塊[15]。本系統(tǒng)考慮到小型化設(shè)計(jì)需求,采用TI公司開發(fā)的集成模擬前端ADS1292進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。ADS1292芯片是一款用于測(cè)量生物電信號(hào)的集成調(diào)理模塊,可實(shí)現(xiàn)心電的同步采樣和24位模數(shù)轉(zhuǎn)換,采樣精度高,信號(hào)無需高倍數(shù)放大就可滿足采樣精度要求,且內(nèi)置可編程增益放大器、內(nèi)部參考和一個(gè)板載振蕩器,心電采集參數(shù)可以通過配置內(nèi)部寄存器進(jìn)行靈活設(shè)置,是心電采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最佳選擇之一。本文利用ADS1292進(jìn)行兩電極心電采集電路設(shè)計(jì),具體電路如圖4所示。

圖5 MSP430F5659控制及外圍電路設(shè)計(jì)

圖4 基于ADS1292的兩電極心電采集電路

1.3 MSP430系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用MSP430F5659作為微處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)心電信號(hào)的采集、處理和與移動(dòng)終端的藍(lán)牙4.0數(shù)據(jù)通信等功能。MSP430F5659是一款TI公司的超低功耗16位RISC結(jié)構(gòu)MCU,工作電壓為1.8 V到3.6 V。通過MSP430F5659的SPI接口實(shí)現(xiàn)和ADS1292的SPI通信來獲得其采集的24位心電信號(hào)數(shù)據(jù),并將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算,獲得實(shí)時(shí)心率值。一旦出現(xiàn)心率異常,系統(tǒng)將通過蜂鳴器進(jìn)行用戶提醒,確保及時(shí)將異常反饋給使用者,為其爭(zhēng)取寶貴的就診時(shí)間。于此同時(shí),系統(tǒng)會(huì)將該時(shí)間段的實(shí)際采集數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)久保留,并在和智能移動(dòng)終端建立藍(lán)牙連接后,將心率數(shù)據(jù)以及異常階段的心電信號(hào)數(shù)據(jù)上傳至移動(dòng)終端,供用戶查看和輔助醫(yī)生診斷使用?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)如圖5所示。

1.4 電源管理設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用可充電鋰電池進(jìn)行系統(tǒng)供電,以滿足用戶長(zhǎng)時(shí)間佩帶使用的需求,避免經(jīng)常更換紐扣電池所帶來的麻煩。鋰電池容量為200 mAh,尺寸為4.7 mm×2 mm×0.4 mm,可以恰好附著在電路板背面,最大程度節(jié)省了空間,滿足小型化的需求,如圖6所示。該鋰電池可以維持設(shè)備至少1 d～2 d的正常工作。

鋰電池充放電管理采用TI公司的BQ24040芯片,可以靈活控制管理充放電,且有效保護(hù)鋰電池,避免過充;LDO采用TPS73033和TPS73201芯片,為

系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3.3 V和1.8 V電壓。電源管理電路如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)供電可充放電鋰電池

圖7 電源管理電路

1.5 藍(lán)牙通信模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)除了完成基本的心電信號(hào)采集、計(jì)算和存儲(chǔ)功能外,還可以通過藍(lán)牙4.0與移動(dòng)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,上傳心率和異常心電信號(hào)數(shù)據(jù),以滿足輔助醫(yī)生追蹤診斷的需求和個(gè)人健康數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)和趨勢(shì)分析,從而更好的幫助心臟疾病患者進(jìn)行自身健康的長(zhǎng)時(shí)間有效監(jiān)控。

系統(tǒng)采用基于CC2541芯片設(shè)計(jì)的藍(lán)牙4.0低功耗模塊進(jìn)行通信。模塊支持UART串口通信和SPP藍(lán)牙串口協(xié)議,具有小型化、低功耗、收發(fā)靈敏等優(yōu)點(diǎn)。待機(jī)狀態(tài)下電流只有400 μA到1.5 mA;進(jìn)行正常數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的電流也僅為8.5 mA,完全符合低功耗的設(shè)計(jì)要求。藍(lán)牙4.0模塊的電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 低功耗藍(lán)牙4.0模塊

2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件的主要功能是獲取心電信號(hào),進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和異常警報(bào),以及電源管理和藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信等。心電采集模擬前端經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后得到24位心電數(shù)據(jù),并通過SPI通信傳輸給MCU,來處理得到實(shí)時(shí)心率數(shù)據(jù)。當(dāng)出現(xiàn)心率異常,且此時(shí)未連接藍(lán)牙時(shí),異常時(shí)間段數(shù)據(jù)將被保存,等到下次藍(lán)牙連接后,下位機(jī)會(huì)將存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)心率數(shù)據(jù)以及異常信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送給移動(dòng)終端,供用戶查看和醫(yī)生追蹤診斷使用。如圖9所示為MCU內(nèi)部程序流程圖。

圖9 MCU內(nèi)部程序流程圖

圖11 不同行為狀態(tài)下被測(cè)者胸部心電信號(hào)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)物如圖10所示。使用單導(dǎo)聯(lián)織物電極松緊帶設(shè)計(jì),最大程度減小了傳統(tǒng)心電檢測(cè)方式存在的導(dǎo)聯(lián)線纏繞、佩帶舒適度差等問題,可以更好的滿足用戶在各種生活場(chǎng)景中的使用,例如坐立、睡眠、行走、慢跑等。松緊帶設(shè)計(jì)可以滿足不同胸圍的用戶使用,并兼顧了檢測(cè)性能要求和使用舒適性。硬件檢測(cè)設(shè)備尺寸僅為5.5 mm×4 mm×0.9 mm,重量不到10 g,小巧輕便,完全可以滿足用戶的長(zhǎng)時(shí)間佩帶要求。

圖10 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)物圖

為了充分評(píng)估本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際心電檢測(cè)性能,對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一名25歲男性,身體健康,無疾病。胸帶固定在被測(cè)者胸部位置,并確?？椢镫姌O與皮膚完整貼合。被測(cè)者進(jìn)行不同的日常活動(dòng),本設(shè)備檢測(cè)其不同行為狀態(tài)下的心電信號(hào),并使用傳統(tǒng)的Ag-AgCl電極進(jìn)行同步測(cè)試,且同時(shí)人工記錄脈率數(shù)據(jù),進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得的心電原始信號(hào)、脈率和計(jì)算得到的心率數(shù)據(jù)如圖11所示。

從采集到的不同活動(dòng)狀態(tài)下的心電信號(hào)可以看到,在靜坐狀態(tài)和正常行走狀態(tài)下,本設(shè)備都可以準(zhǔn)確有效的檢測(cè)當(dāng)時(shí)的心電波形信號(hào)和心率;當(dāng)在跑步狀態(tài)時(shí),由于胸帶與皮膚產(chǎn)生的巨大摩擦等一系列因素影響使得設(shè)備檢測(cè)得到的心電信號(hào)出現(xiàn)較大的基漂和失真,從而無法持續(xù)得到有效心電信號(hào)和準(zhǔn)確心率數(shù)據(jù)。由此分析,本設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以基本滿足用戶日常生活的心電監(jiān)測(cè)使用,但對(duì)于運(yùn)動(dòng)心電監(jiān)測(cè),本系統(tǒng)需要從結(jié)構(gòu)、電路和算法等方面需要進(jìn)一步完善。

4 結(jié)論

為了滿足個(gè)人日常心電監(jiān)護(hù)需求,提高設(shè)備使用靈活性,同時(shí)確保獲取心電數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,本文提出了一種基于織物電極的低功耗、小型化心電監(jiān)護(hù)胸帶,用于個(gè)人特別是心臟疾病患者日常心電監(jiān)護(hù)使用。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試,對(duì)比采用基于織物電極開發(fā)的本心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)獲得的心電信號(hào)和使用傳統(tǒng)Ag-AgCl電極獲得的心電,可以看到,平靜狀態(tài)下,心電信號(hào)質(zhì)量相當(dāng),本系統(tǒng)采集信號(hào)噪聲略有偏大,但QRS波和T波清晰,不影響心率計(jì)算的準(zhǔn)確性;而運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,兩系統(tǒng)都無法準(zhǔn)確的獲得心率數(shù)據(jù),且本系統(tǒng)相對(duì)而言獲得的心電信號(hào)質(zhì)量更差,有待改善。同時(shí),由于從設(shè)計(jì)之初就充分考慮到低成本、低功耗、小型化和抗干擾等需求,本設(shè)備稍加優(yōu)化,完全可以轉(zhuǎn)化成一款日常心電監(jiān)護(hù)或是運(yùn)動(dòng)心電監(jiān)護(hù)類產(chǎn)品。相關(guān)工作將在后期進(jìn)一步開展。

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Wearable ECG Monitoring System Based on Textile Electrodes

LIN Shida,ZHU Jijun*

(Department of Biological Science and Medical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

With the development of mobile medical monitoring equipment,wearable ECG monitoring has become an important part of personal ECG monitoring. But the lack of comfort and portability with a long time wearing,inaccurate monitoring data and other issues restrict the development of wearable ECG monitoring equipment. This paperdesigns a single lead and low power miniaturized ECG monitoring system with textile electrodes,which can improve those problems. The system uses textile electrodes instead of Ag-AgCl electrodes,and thefront-endmodule uses TI’s ADS1292 to filter and amplify ECG signal,which can improve the SNR and have 24-bit ADC sampling. The MCU uses MSP430F5659 tocomputeand storeECG datain real time,controlling peripherals and bluetoothcommunications.Experimental results indicate the system can get the data accurately and meet the personal daily ECG monitoring.

ECG monitoring;wearable;textile electrodes;ADS1292

林視達(dá)(1991-),男,浙江寧波人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)、醫(yī)學(xué)儀器研發(fā),lsd600@163.com;

朱紀(jì)軍(1970-),男,江蘇泰州人,東南大學(xué)副教授,主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)、微流控和醫(yī)用分析儀器研發(fā),jjzhu@seu.edu.cn。

2016-11-09 修改日期:2017-02-26

TP393

A

1004-1699(2017)06-0944-06

C:7220;7510D

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.06.023