一種生命體征信號(hào)采集裝置設(shè)計(jì)*

黃博強(qiáng)， 龐 宇， 彭良廣， 吳 優(yōu)

(重慶郵電大學(xué) 光電信息感測(cè)與傳輸技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

0 引 言

心電信號(hào)作為人體的一項(xiàng)重要生理信號(hào)，是臨床上診斷心血管疾病的重要依據(jù)[1]。呼吸信號(hào)作為另一項(xiàng)重要的生理信號(hào)，通過(guò)對(duì)人體呼吸功能及狀況進(jìn)行檢測(cè),即可發(fā)現(xiàn)并預(yù)防呼吸道、肺部以及心血管等部位的病變。很多心血管類(lèi)疾病在發(fā)病前期，心電與呼吸信號(hào)多處于異常狀態(tài)，若能及早檢測(cè)，便可作出相應(yīng)的生理調(diào)節(jié)，以降低此類(lèi)疾病的死亡率。因此，對(duì)心電、呼吸信號(hào)的檢測(cè)在醫(yī)療方面具有重要意義。

醫(yī)院使用心電圖機(jī)作為監(jiān)測(cè)心電的常用儀器，以及睡眠呼吸檢測(cè)儀檢測(cè)睡眠時(shí)人體呼吸狀況，儀器操作復(fù)雜，且價(jià)格高昂，不利于信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，因此，研制一種可多場(chǎng)合使用，價(jià)格低廉的心電呼吸采集裝置意義重大。目前，部分高校與市場(chǎng)上開(kāi)始出現(xiàn)一些便攜式生理參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置，例如集成多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)的終端設(shè)計(jì)[2]、穿戴式呼吸信號(hào)檢測(cè)裝置[3]，但一般的便攜式設(shè)備，很少具有同時(shí)檢測(cè)心電與呼吸信號(hào)的功能。

本文以低功耗芯片STM32L51CBT6作為處理器，結(jié)合心電呼吸采集芯片ADS1292R，設(shè)計(jì)了一種心電呼吸信號(hào)采集裝置，硬件端完成信號(hào)的采集和處理，通過(guò)無(wú)線傳輸將數(shù)據(jù)傳給手機(jī)端，應(yīng)用程序(App)實(shí)時(shí)顯示信號(hào)波形。

1 總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的生命體征信號(hào)采集裝置如圖1所示，采集部位為人體胸腔，采集方式為雙極胸導(dǎo)聯(lián)CM5方式[4～6]，通過(guò)導(dǎo)電硅膠和心電采集芯片采集心電、呼吸信號(hào)。原始信號(hào)傳入單片機(jī)處理計(jì)算后，體征信號(hào)(心電、呼吸)通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送給手機(jī)App進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2 硬件設(shè)計(jì)

裝置的硬件總體框圖如2所示，分為4個(gè)部分：主控模塊、心電呼吸采集模塊、電源模塊、藍(lán)牙模塊。

圖2 硬件框圖

2.1 主控模塊

主控模塊為單片機(jī)STM32L151CBT6及其外圍電路，其電路如3所示。主控芯片外接8 MHz無(wú)源晶振，為整個(gè)電路提供系統(tǒng)時(shí)鐘，BOOT0、BOOT1的設(shè)置，決定程序下載端口采用+3.3 V供電，SWDIO，SWCLK，GND四線SWD模式，STM32L151CBT6與ADS1292R通過(guò)串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)接口相連，ADS_RESET提供復(fù)位信號(hào)，ADS_START開(kāi)啟SPI傳輸，ADS_DRDY作為外部中斷引腳，當(dāng)接收ADS1292R的中斷請(qǐng)求時(shí)，該引腳電平被拉低，響應(yīng)中斷并開(kāi)始接收原始心電與呼吸數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行去噪處理后，按一定的數(shù)據(jù)格式，通過(guò)通用異步收發(fā)傳感器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)串口發(fā)送給藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊再傳給手機(jī)App進(jìn)行顯示。

圖3 主控模塊

2.2 心電呼吸采集模塊

心電呼吸信號(hào)采集芯片為ADS1292R，使用兩導(dǎo)聯(lián)方式采集，如圖4為采集電路，ELA、ERA接兩電極傳感器(導(dǎo)電硅膠)，COM端接電極線內(nèi)側(cè)的屏蔽線用于消除人體的共模干擾，原始心電呼吸信號(hào)經(jīng)外圍一階微分電路濾除部分干擾，從IN1P、IN1N和IN2P、IN2N引腳進(jìn)入ADS1292R，ADS1292R對(duì)采集的原始信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、放大，作為從機(jī)通過(guò)SPI_MISO、SPI_MOSI兩個(gè)數(shù)據(jù)引腳，以特有的幀格式將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊的單片機(jī)(MCU)，3B的幀頭、3B呼吸信號(hào)以及3B心電信號(hào)，組成每幀9B的數(shù)字信號(hào)[7]。每處理完一幀數(shù)據(jù)，向主機(jī)STM32L151CBT6發(fā)送請(qǐng)求，主機(jī)響應(yīng)后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 心電呼吸采集電路

TPS73030DBV5為ADS1292R芯片提供模擬電壓ADS_AVDD，模擬地ADS_AVSS與數(shù)字地GND通過(guò)一個(gè)0 Ω電阻器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，有源晶振Y2輸出2.048 MHz，為采集芯片提供工作時(shí)鐘。

2.3 電源模塊

電源模塊由可充電電池、電池隔離與穩(wěn)壓電路以及充電模塊構(gòu)成，電池隔離電路采用了一個(gè)PMOS管SI2301，防止電池正負(fù)極反接時(shí)燒壞穩(wěn)壓芯片，本文采用典型電壓3.7 V的鋰電池為采集裝置供電，通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)控制穩(wěn)壓電路，由TLV70033DCK穩(wěn)壓芯片輸出+3.3 V的工作電壓。

充電電路選用TP4057作為充電芯片，通過(guò)USB接口外接+5 V電源為電池充電，充電電流為256 mA。

2.4 藍(lán)牙傳輸模塊

藍(lán)牙傳輸模塊采用低功耗的BLE4.0模塊，工作頻段為2.4 GHz，調(diào)制方式是高斯頻移鍵控(Gaussian frequency shift keying,GFSK)，模塊最大發(fā)射功率為4 dBm，接收靈敏度-93 dBm。模塊的TXD,RXD引腳與主控芯片UART串口引腳連接進(jìn)行通信，將接收的數(shù)據(jù)以無(wú)線方式發(fā)送給手機(jī)App， PIO13為模塊指示燈輸出管腳，可串接一個(gè)電阻器和一個(gè)LED指示燈，指示燈每2 s亮1 s，設(shè)備連接時(shí)，該LED指示燈常亮。

3 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)單片機(jī)進(jìn)行C代碼編程，編譯環(huán)境為keil μvision 5.10，由主控芯片完成心電和呼吸信號(hào)的處理，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

程序工作流程如圖5所示。1)STM32初始化(配置時(shí)鐘、初始化SPI端口及UART串口)，初始化ADS1292R，給ADS1292R寄存器賦值，開(kāi)啟全局中斷，等待ADS1292R的中斷請(qǐng)求(一幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后由ADS1292R的DRDY引腳向主控芯片發(fā)出)。2)開(kāi)啟SPI傳輸，一幀數(shù)據(jù)傳完成后，關(guān)閉全局中斷，主控芯片將接收的心電呼吸原始數(shù)據(jù)存入數(shù)組buff0；等待數(shù)據(jù)解析處理后(處理數(shù)據(jù)的時(shí)間為2 ms)，通過(guò)UART將心電呼吸數(shù)據(jù)發(fā)送至藍(lán)牙。3)再次打開(kāi)全局中斷，重復(fù)以上步驟。

圖5 程序流程

4 信號(hào)預(yù)處理

4.1 心電信號(hào)處理

采集的原始心電信號(hào)，其成分中含高頻噪聲、50 Hz工頻干擾、基線漂移、肌電噪聲等[8]，因此，需要設(shè)計(jì)與之對(duì)應(yīng)的抗干擾算法，高頻噪聲可設(shè)計(jì)0.03Hz有限脈沖響應(yīng)(finite impulse response,FIR)數(shù)字高通濾波器去除，50 Hz陷波器去除工頻干擾，采用形態(tài)學(xué)濾波的方式濾除基線漂移[9]。圖6(a)為采集的原始心電數(shù)據(jù)，存在大量干擾，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的算法去噪后可得到較為清晰穩(wěn)定的波形，如圖6(b)波形所示。

圖6 處理前后的心電信號(hào)

4.2 呼吸信號(hào)處理

由于呼吸信號(hào)與心電信號(hào)采集時(shí)共用2個(gè)電極，因此采集的呼吸信號(hào)也會(huì)受到高頻噪聲干擾、50 Hz工頻干擾、基線漂移以及肌電干擾，而呼吸信號(hào)幅值和頻率與心電信號(hào)不同，因此,設(shè)計(jì)算法濾除高頻干擾時(shí)，采用40階FIR數(shù)字低通濾波器[10]，工頻干擾仍使用陷波器去除，中值濾波去除基線漂移。圖7(a)為采集的原始呼吸信號(hào)數(shù)據(jù)，波形存在很多的毛刺，這是一些高頻隨機(jī)噪聲引起的干擾，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的算法去噪之后可得到較為清晰穩(wěn)定的波形，如圖7(b)波形所示。

圖7 處理前后的呼吸信號(hào)

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

單片機(jī)處理原始的心電呼吸信號(hào)，濾除干擾，在App上可得到清晰穩(wěn)定的心電圖、呼吸波形，波形的特征點(diǎn)明顯。如圖8所示，采集時(shí)間段t的心電、呼吸信號(hào)?？赏ㄟ^(guò)特征點(diǎn)定位計(jì)算，心率和呼吸率等生理指標(biāo)。由實(shí)驗(yàn)可知，本裝置能夠采集較為可靠的信號(hào)波形。

圖8 心電和呼吸波形

6 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種生命體征信號(hào)采集裝置，通過(guò)傳感器和生理信號(hào)采集芯片，在人體胸部采集原始的心電呼吸信號(hào)，采集方式容易實(shí)現(xiàn)、操作簡(jiǎn)便。編寫(xiě)的單片機(jī)程序能夠較好濾除原始生理信號(hào)中的噪聲，在App上顯示的心電呼吸波形比較穩(wěn)定、特征點(diǎn)明顯，數(shù)據(jù)采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞剑赏瓿尚盘?hào)波形的實(shí)時(shí)顯示，具有較好的用戶體驗(yàn)。

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