基于藍(lán)牙的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)

賽客（廈門(mén)）醫(yī)療器械有限公司 黃藝聰

本文以藍(lán)牙技術(shù)為基礎(chǔ)，研究設(shè)計(jì)了一種便攜式心電監(jiān)護(hù)儀，可實(shí)時(shí)處理與儲(chǔ)存心電信號(hào)，為患者提供動(dòng)態(tài)心電變化情況，使用價(jià)值高，值得臨床廣泛推廣運(yùn)用。

便攜式心電監(jiān)護(hù)儀是一種新型設(shè)備，為心臟病患者提供了更多的便捷。傳統(tǒng)心電監(jiān)護(hù)儀中，通信線纜將各種硬件裝置連接起來(lái)，并以串口電纜、互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器上，在一定場(chǎng)合中這一系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適用性，但是復(fù)雜的連線在一定程度上影響了患者的日常生活，導(dǎo)致這一診斷只能夠在醫(yī)院開(kāi)展，在一定程度上影響了患者的康復(fù)。針對(duì)這一情況，設(shè)計(jì)一種低功耗、高效率的無(wú)線傳輸技術(shù)尤為必要，可使得患者不再受線路的制約，可自由行動(dòng)。藍(lán)牙技術(shù)具有組網(wǎng)靈活、微功率、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是無(wú)線醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵。

1 基于藍(lán)牙的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)要求

鑒于便攜性的要求，藍(lán)牙便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)基本要求：

（1）電池供電。由于便攜式心電儀為長(zhǎng)時(shí)間隨身攜帶的儀器，在患者隨身攜帶時(shí)只能依靠電池供電。

（2）低功耗。因電池的供電量極為有限，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)要以低功耗為前提，保證系統(tǒng)的待機(jī)時(shí)間。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。需要具備心電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，存儲(chǔ)時(shí)間不小于24h，且數(shù)據(jù)應(yīng)可導(dǎo)出與查看。

（4）通訊接口。需要具備數(shù)據(jù)傳輸接口，使測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸接口傳輸?shù)诫娔X，實(shí)現(xiàn)心電波形的顯示與回放。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要由心電模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、供電模塊、藍(lán)牙BLE模塊、MCU主控單元、報(bào)警模塊以及上位機(jī)組成。系統(tǒng)硬件的總體框圖如1所示。

2.2 心電模塊

由于心電信號(hào)較為微弱，頻率一般處于0.5～100Hz范圍之間，幅值處于10μV～5mV范圍之間，對(duì)此，需放大一千倍以上才能夠?qū)π碾姅?shù)據(jù)進(jìn)行分析。因工頻干擾等不良影響，會(huì)造成心電信號(hào)被噪聲所掩蓋，可使用儀表放大器實(shí)行差分放大，對(duì)共模干擾予以抑制，并適當(dāng)?shù)胤糯笮碾娦盘?hào)，同時(shí)可在電路中設(shè)計(jì)右腿驅(qū)動(dòng)電路，強(qiáng)化整個(gè)電路抗工頻50Hz干擾能力，并同人體、放大電路構(gòu)建成閉合回路，維持心電放大電路能夠正常運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

傳統(tǒng)心電信號(hào)放大電路，大多采用多級(jí)運(yùn)算放大器的分立元件組成，硬件調(diào)試繁瑣，信號(hào)易受干擾。本文采用全集成單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護(hù)（ECG）芯片AD8232設(shè)計(jì)。AD8232是一款用于ECG及其他生物電測(cè)量應(yīng)用的集成信號(hào)調(diào)理模塊，可以通過(guò)放大器來(lái)幫助獲得PR和QT間隔的一個(gè)明確的信號(hào)；采用雙極點(diǎn)高通濾波器來(lái)消除運(yùn)動(dòng)偽像和電極半電池電位，該濾波器與儀表放大器結(jié)構(gòu)緊密耦合，可實(shí)現(xiàn)單級(jí)高增益及高通濾波；采用一個(gè)無(wú)使用約束運(yùn)算放大器來(lái)創(chuàng)建一個(gè)三極點(diǎn)低通濾波器，消除了額外的噪聲；內(nèi)置一個(gè)放大器，用于右腿驅(qū)動(dòng)(RLD)等受驅(qū)導(dǎo)聯(lián)應(yīng)用；包含一項(xiàng)快速恢復(fù)功能，可以減少高通濾波器原本較長(zhǎng)的建立長(zhǎng)尾現(xiàn)象。AD8232的電源供電為2～3.5V，典型工作電流為170uA，超低功耗。AD8232是單導(dǎo)聯(lián)解決方案，它放大濾波處理一對(duì)兩片電極的差分信號(hào)，使用第三個(gè)電極作為右腿驅(qū)動(dòng)，來(lái)抑制共模干擾。AD8232電路原理圖如圖2所示。

圖2 AD8232電路原理圖

2.3 藍(lán)牙BLE模塊

藍(lán)牙BLE模塊采用DX-BT22，內(nèi)置NRF52832射頻芯片，支持藍(lán)牙BLE 4.2和5.0，自帶高性能ARM CORTEX-M4內(nèi)核，并擁有UART、I2C、SPI、ADC、DMA、PWM等豐富的外設(shè)資源, 集成2.4GHz無(wú)線電收發(fā)器，在低功耗藍(lán)牙模式下?lián)碛?96dBm靈敏度，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率1Mbps和2Mbps，供電電壓為1.7～3.6V, RX和TX(0dBm)的峰值電流僅為5.5mA，功耗非常低。藍(lán)牙BLE模塊使用串口與MCU主控單元通訊，MCU通過(guò)AT指令即可控制藍(lán)牙模塊的連接、斷開(kāi)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

為了實(shí)時(shí)存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)，采用Micro SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。Micro SD卡功能兼容SD卡和Mini SD卡，其尺寸更小，更適合小型化的產(chǎn)品。MCU主控單元使用SPI接口與Micro SD卡通訊，可讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。Micro SD卡工作在SPI模式，其控制接口共有6個(gè)引腳，分別是GND、VCC、MISO、MOSI、SCK和CS。

2.5 MCU主控單元

MCU主控單元采用STM32F103RB，為高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，豐富的增強(qiáng)10端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：I2C、SPI、UART、USB和CAN等，MCU供電電壓范圍2.0～3.6V。

心電模塊的輸出信號(hào)第10腳OUT，輸入到MCU的12位ADC轉(zhuǎn)換器的通道0，以1KHz采樣率采樣心電信號(hào)。心電模塊的LO-和LO+分別接MCU的中斷GPIO口，作為心電極貼脫落檢測(cè)信號(hào)。

經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換后的心電數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)軟件數(shù)字濾波后，實(shí)時(shí)保存到Micro SD中。若藍(lán)牙與電腦處于連接狀態(tài)，則心電數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到藍(lán)牙模塊，再傳輸?shù)诫娔X端軟件顯示。

2.6 其他模塊

系統(tǒng)供電模塊采用18650鋰電池供電，電池電壓為3.7V，經(jīng)過(guò)LDO穩(wěn)壓后提供3.3V輸出給其他各個(gè)模塊供電；同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置有源蜂鳴器作為聲音報(bào)警系統(tǒng)，為了使蜂鳴器聲音盡可能大，采用SS8050 NPN型三極管集電極對(duì)蜂鳴器驅(qū)動(dòng)，當(dāng)心電極貼脫落時(shí)給予提醒。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包含MCU軟件和上位機(jī)軟件兩部分。MCU軟件包含系統(tǒng)初始化、心電數(shù)據(jù)采集和心電數(shù)據(jù)傳輸三部分內(nèi)容。

3.1 MCU軟件

使用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，使用IAR Embedded Workbench for ARM 6.4編譯環(huán)境，C語(yǔ)言程序相對(duì)較為簡(jiǎn)單，移植性佳，可靠性高，成本投入低且系統(tǒng)維護(hù)較為便捷。

MCU使用串口與藍(lán)牙模塊通訊，調(diào)用STM32的串口初始化函數(shù)USART_Init()，設(shè)置波特率為115200，8位數(shù)據(jù)，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。

MCU使用SPI接口與SD卡通訊，調(diào)用STM32SPI初始化函數(shù)SPI_Init()，設(shè)置為SPI主設(shè)備模式。SD卡在SPI模式下的典型初始化過(guò)程如下：復(fù)位卡（CMD0）；激活卡（內(nèi)部初始化并獲取卡的類(lèi)型）；查詢(xún)OCR（獲取供電情況）；是否使用CRC（CMD59）；設(shè)置讀寫(xiě)塊大?。–MD16）；讀取CSD獲取存儲(chǔ)卡的其他信息（CMD9）；發(fā)送8個(gè)CLK后禁止片選。

心電信號(hào)屬于低頻微弱的信號(hào)，極易受到外界噪聲信號(hào)干擾，因此在進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，既要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能，即對(duì)心電信號(hào)的采集、分析以及傳輸與顯示，又需要考慮心電信號(hào)的典型特征，對(duì)心電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件部分的預(yù)處理等操作。

3.2 上位機(jī)軟件

采用C#語(yǔ)言編程，Visual Studio 2013開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用windows 10自帶的藍(lán)牙BLE控件Windows.Devices.Bluetooth開(kāi)發(fā)。軟件運(yùn)行流程為：搜索藍(lán)牙設(shè)備，連接藍(lán)牙設(shè)備，開(kāi)啟接收監(jiān)聽(tīng)服務(wù)，接收藍(lán)牙數(shù)據(jù)并繪制波形圖，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)以便于回放查看。對(duì)于心電波形，其實(shí)就是電壓時(shí)間曲線V/t，把連續(xù)的電壓數(shù)據(jù)點(diǎn)按時(shí)間順序連成曲線即可。

結(jié)語(yǔ)：本文采用AD8232前端心電模塊采集心電信號(hào)，通過(guò)藍(lán)牙BLE傳輸，在電腦端顯示心電圖曲線。通過(guò)積極調(diào)試軟硬件，確保軟硬件能夠采集、傳輸、處理和存儲(chǔ)心電信號(hào)。不同于其他心電儀，這一便攜式心電儀以藍(lán)牙技術(shù)為基礎(chǔ)，體積小、功耗低，可無(wú)限傳輸數(shù)據(jù)，使得患者能夠?qū)π碾娦盘?hào)進(jìn)行隨時(shí)隨地24h的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)用性較強(qiáng)。