用于移動(dòng)醫(yī)療的微型無線心電傳感器

張根選，石波，張賽，曹陽

1 蚌埠醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)系，蚌埠市， 233030

2 深圳迪美泰數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)有限公司，深圳市， 518067

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)每年約有60萬人死于心源性猝死，90%以上心臟病急性發(fā)作發(fā)生在醫(yī)院外，發(fā)作后搶救的存活率不到1%?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究證明，心電圖異常出現(xiàn)的頻率和復(fù)雜程度，是預(yù)測(cè)心臟病急性發(fā)作或猝死的重要指標(biāo)之一。也就是說，一般心臟病急性發(fā)作或猝死患者，在發(fā)病前1～2周內(nèi)，都會(huì)有不同程度的心電圖異常，而及時(shí)捕捉到這些心臟病發(fā)作前稍縱即逝或是不易察覺到的異常，并及時(shí)采取有效的臨床措施，可以防患于未然?，F(xiàn)有的便攜式心電圖儀成本高、體積大、操作復(fù)雜，一般用戶在沒有經(jīng)過專門培訓(xùn)的情況下，難以正確使用。近幾年隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，可穿戴心電采集技術(shù)的研究成為熱門[1-4]，其主要形式有布帶式、背心式等，這些穿戴衣在使用和抗干擾能力方面還不是很理想。

本文針對(duì)目前便攜心電圖儀和可穿戴心電采集系統(tǒng)所存在的不足，提出一種用于移動(dòng)醫(yī)療的微型無線心電傳感器(Miniature Wireless ECG Sensor，MWEsensor)，該微型無線心電傳感器采用單導(dǎo)聯(lián)方式，只需兩個(gè)電極，采集的信號(hào)經(jīng)過一定的算法處理后，通過藍(lán)牙將心電數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸ndriod手機(jī)端顯示心電波形和心率，并可通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)將心電數(shù)據(jù)發(fā)送給健康顧問或家人以實(shí)現(xiàn)對(duì)病人遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。該微型無線心電傳感器具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，做到了人體長(zhǎng)時(shí)間佩戴在胸部而不會(huì)有什么明顯不適的感覺，不會(huì)影響到人的正?；顒?dòng)，為家庭連續(xù)心電監(jiān)護(hù)提供可靠保障。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

目前，大多數(shù)的心電采集系統(tǒng)都是由心電信號(hào)放大電路、心電信號(hào)濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、心電信號(hào)處理電路等幾個(gè)各自分離的獨(dú)立模塊連接而成[5-7]，這種方式構(gòu)成的心電采集系統(tǒng)一般具有體積較大、重量較重，成本也比較高等缺點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的微型無線電傳感器主要由心電采集處理模塊（該模塊集心電放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理于一體）、超低功耗藍(lán)牙傳輸模塊、電源管理模塊三部分構(gòu)成，如圖1所示。由Ag/AgCl 一次性心電電極片采集的人體心電信號(hào)經(jīng)過兩根很短的導(dǎo)聯(lián)線送到心電采集處理模塊內(nèi)部進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波、計(jì)算處理后經(jīng)串口再由藍(lán)牙傳輸模塊將心電數(shù)字信號(hào)無線傳送至Andriod手機(jī)端即可完成心率及心電波形的顯示、存儲(chǔ)等功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the system

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 心電模塊設(shè)計(jì)

本文的心電采集處理模塊采用美國(guó)神念科技公司的生物信號(hào)檢測(cè)和處理芯片BMD101。BMD101芯片的模擬前端（AFE）由高通濾波器（HPF）、可變?cè)鲆娴驮胍舴糯笃鳎↙NA）、16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和一個(gè)檢測(cè)感應(yīng)器脫落的電路(Sensor-Off)構(gòu)成，能夠有效地檢測(cè)到人體μV到mV級(jí)的微弱心電信號(hào)。BMD101芯片的系統(tǒng)管理單元，主要實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)配置、內(nèi)外通訊、專有算法計(jì)算和電源管理等功能。在BMD101芯片內(nèi)部還固化了一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理模塊(DSP)來加速對(duì)系統(tǒng)管理單元監(jiān)控下的50 Hz(或60 Hz)工頻數(shù)字陷波器和截止頻率為100 Hz的數(shù)字低通濾波器的計(jì)算。該心電采集處理芯片表面積只有3 mm×3 mm，供電電源的電壓范圍為2.5 V～3.6 V，典型值為3.3 V，正常工作狀態(tài)芯片總電流不超過 0.8 mA。BMD101芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖3為BMD101在本文中的應(yīng)用電路。

圖2 BMD101內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of BMD101

圖3 BMD101應(yīng)用電路Fig.3 BMD101 application circuit

1.2.2 藍(lán)牙傳輸模塊設(shè)計(jì)

藍(lán)牙傳輸模塊采用基于藍(lán)牙4.0BLE設(shè)計(jì)的HJ580DA14580透?jìng)髂K，該藍(lán)牙傳輸模塊使用德國(guó)Dialog的DA14580作為主控制器芯片，具有內(nèi)嵌16 MHz 32位ARM Cortex M0TM處理器、支持多個(gè)數(shù)字接口，具有重量輕、超小尺寸(5 mm×6.2 mm)、超低功耗(平均工作電流1.5 mA，最大5 mA)等特點(diǎn)。特別適合應(yīng)用在對(duì)體積和高度有特殊需求的，如智能手環(huán)、藍(lán)牙手表等智能穿戴式設(shè)備中。該藍(lán)牙傳輸模塊默認(rèn)狀態(tài)為透?jìng)髂Ｊ?，模塊可以從串口一次性最大接收256個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包，模塊在接收到串口數(shù)據(jù)后，會(huì)根據(jù)是否處于連接并發(fā)出使能通知，自動(dòng)將數(shù)據(jù)分包發(fā)送出去。在本文中心電采集處理芯片將心電數(shù)據(jù)通過異步通信的方式傳送該藍(lán)牙傳輸模塊，藍(lán)牙傳輸模塊收到心電數(shù)據(jù)后再將數(shù)據(jù)無線發(fā)送到Andriod手機(jī)，使用時(shí)為了和心電模塊BMD101實(shí)現(xiàn)串口異步信號(hào)傳送，需將該藍(lán)牙傳輸模塊串口的波特率設(shè)置為57 600 bps。在本文中的應(yīng)用電路如圖4所示，藍(lán)牙傳輸模塊的10腳為串口數(shù)據(jù)接收端與EMD101的5腳相連。

圖4 藍(lán)牙傳輸模塊電路Fig.4 circuit diagram of Bluetooth module

1.2.3 電源管理模塊

為了減小微型無線心電傳感器的體積，本文使用一片CR2032 紐扣電池為心電采集處理模塊和藍(lán)牙傳輸模塊提供工作電壓。為了保證微型無線心電傳感器供電電壓的穩(wěn)定性，這里使用了德州儀器公司的升壓降壓轉(zhuǎn)換器芯片TPS63001，該芯片除集成了升壓與降壓兩種功能外，還包括開關(guān)FET、補(bǔ)償與保護(hù)功能等，且只需很少的外圍部件即可保證正常工作。該穩(wěn)壓電源芯片輸入電壓范圍為1.8 V～5.5 V，采用3 mm×3 mmQFN封裝形式。在本文應(yīng)用中將TPS63001穩(wěn)壓芯片輸入端接3 V的CR2032紐扣電池，利用該芯片的升壓功能使電源管理模塊輸出電壓穩(wěn)定在3.3 V，為心電模塊和藍(lán)牙傳輸模塊提供工作所需能量，在本文中的應(yīng)用電路如圖5所示。

1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于心電采集處理芯片BMD101串口輸出的心電數(shù)據(jù)是經(jīng)過神念科技公司專利算法處理后的含有心率、心電數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)包，因此本文省去了下位機(jī)的軟件編程工作，只需在上位機(jī)應(yīng)用程序中對(duì)心電數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析使用就可以了。

圖5 電源管理模塊電路Fig.5 The circuit diagram of power module

上位機(jī)應(yīng)用程序即Andriod手機(jī)端[8]的應(yīng)用程序主要完成微型無線心電傳感器的藍(lán)牙與手機(jī)藍(lán)牙的通信、根據(jù)接收的心電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地繪制心電波形、心率顯示、心電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等功能。本部分采用Andriod4.3版本和Eclipse工具進(jìn)行開發(fā)。主線程負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示心率和心電波形顯示，先將接收到的心電信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)點(diǎn)的表示形式存入到緩存區(qū)，然后應(yīng)用程序再從該緩存區(qū)中依次提取數(shù)據(jù)點(diǎn)使用View控件來描繪出一個(gè)連續(xù)的心電波形圖使其顯示在一個(gè)二維坐標(biāo)中。在微型無線心電傳感器與Andriod手機(jī)端建立連接后會(huì)開辟一個(gè)工作線程以完成心電數(shù)據(jù)接收和簡(jiǎn)單處理。同時(shí)Andriod手機(jī)端應(yīng)用程序還采用File方式將采集到的心電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在手機(jī)端的SD卡中。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的微型無線心電傳感器表面積只有1.5 mm×2 mm，重量?jī)H為8 g，功耗為10 mW。使用時(shí)只需將本微型無線心電傳感器和它的兩個(gè)Ag/AgCl一次性心電電極片貼到胸部，打開藍(lán)牙和手機(jī)端軟件就可以接受到穩(wěn)定的心電信號(hào)和心率值。

為了驗(yàn)證本文微型無線心電傳感器的測(cè)量的準(zhǔn)確性，這里使用深圳迪美泰數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)有限公司的交互式生物醫(yī)學(xué)萬用信號(hào)源（iBUSS）對(duì)該微型無線心電傳感器進(jìn)行了測(cè)試。iBUSS具有提供P-QRS-T波各項(xiàng)參數(shù)分別可調(diào)的合成正?；虍惓Ｐ碾娦盘?hào)的功能，本文使用iBUSS合成了5組參數(shù)各異的心電信號(hào)作為微型無線心電傳感器的輸入，對(duì)手機(jī)端輸出的心電信號(hào)測(cè)量、分析，結(jié)果如表1。眾所周知，目前醫(yī)院打印的心電圖，人眼所能準(zhǔn)確分辨橫軸代表的時(shí)間最小單位是40 ms，人眼所能準(zhǔn)確分辨縱軸代表的電壓幅度最小值為0.1 mV，由此可見，本文設(shè)計(jì)的微型無線心電傳感器造成的心電參數(shù)誤差是不會(huì)影響對(duì)心電圖的正確判斷的，完全可以勝任對(duì)漏博、停博、心動(dòng)過緩、心動(dòng)過速等心律失常疾病進(jìn)行測(cè)量、分析、判斷。

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種用于移動(dòng)醫(yī)療的微型無線心電傳感器，該微型無線心電傳感器只使用兩根導(dǎo)聯(lián)線，一片紐扣電池供電，具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，經(jīng)過測(cè)試表明該微型無線心電傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)得使用者的心率和心電波形，完全可以用來對(duì)心律異常的病人進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)的貼身心電監(jiān)護(hù)。并且可以將本微型無線心電傳感器采集到的心電數(shù)據(jù)通過WIFI或3G/4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連至互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送個(gè)人醫(yī)生或醫(yī)院心電監(jiān)測(cè)中心站的數(shù)據(jù)庫。把常見心臟疾病的自動(dòng)分析診斷功能嵌入手機(jī)端軟件中，實(shí)現(xiàn)常見心臟疾病的自動(dòng)診斷、異常報(bào)警是我們下一步的工作目標(biāo)。