基于織物電極的可穿戴式智能心電監(jiān)護系統(tǒng)

任郁苗，康 瑜，單方潤，羅忠文

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安710021）

隨著人們生活水平的不斷提高，心臟病已成為人類健康的最大障礙之一[1]，心血管疾病發(fā)病率也越來越高，發(fā)病患者也越來越年輕化，對人們的健康甚至生命具有嚴(yán)重的威脅[2]。心臟疾病有發(fā)病速度快、隱蔽性高等特點，導(dǎo)致許多病人在沒有任何征兆的情況下死亡，許多病人無法做到有效預(yù)防和治療心臟疾病，才導(dǎo)致心臟疾病的死亡率不斷上升[3-5]。醫(yī)院的大型心電監(jiān)測設(shè)備只能監(jiān)測患者的靜態(tài)心電，然而心臟疾病的特殊性，有些異常心電是需要在運動狀態(tài)才能表現(xiàn)出來的，還有的異常心電具有短暫性，只會在某一時刻才會表現(xiàn)出來[6-8]，所以說傳統(tǒng)的大型心電監(jiān)測設(shè)備是不足以滿足當(dāng)前心電監(jiān)測的需求，需要有一款便攜式實時監(jiān)測儀來對患者進行24 h 的實時監(jiān)測，實時捕捉患者的異常心電。近幾年，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的時代，使得心電監(jiān)護儀朝著微型化、數(shù)字化的方向發(fā)展，快速便捷的可穿戴心電監(jiān)護儀系統(tǒng)成為當(dāng)今社會的主流產(chǎn)物[9]。

1 整體設(shè)計

本系統(tǒng)首先是通過聚吡咯織物電極對微弱心電信號進行采集，其次通過OPA2277 芯片對采集到的微弱心電信號進行放大和濾波處理，且單片機系統(tǒng)采用STM32F103ZET6 芯片為核心的微處理器，在微處理器上實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)處理、FATFS 文件系統(tǒng)的移植和HC-06 藍牙模塊的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸PP 進行心電波形顯示，實現(xiàn)了24 h 的實時監(jiān)控，并通過設(shè)定的閾值與心率比較，實現(xiàn)超值報警功能，最后針對Android 手機開發(fā)了一個心電監(jiān)護系統(tǒng)的軟件，其可以對患者心率和心電信號波形實時顯示，起到監(jiān)護作用。系統(tǒng)的整體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體框架圖Fig.1 Overall framework of the system

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括聚吡咯心電織物電極設(shè)計、心電信號采集調(diào)理電路的設(shè)計、ADC 采集模塊、存儲模塊、蜂鳴器報警模塊和藍牙模塊的設(shè)計。

2.1 聚吡咯心電織物電極設(shè)計

本課題采用的聚吡咯/棉織物電極利用導(dǎo)電高聚物沉積在織物表面使織物具備導(dǎo)電性的方法，借助人體皮膚汗液充當(dāng)電解質(zhì)，可以采集到皮膚表面的微弱電勢（生物電信號）[10]。與將導(dǎo)電材料和刺繡工藝結(jié)合的織物電極相比，不僅具有優(yōu)良的力學(xué)性能，而且還有成本低廉和可重復(fù)洗滌、無毒性的特點，并且能夠完整采集到穩(wěn)定的心電信號，可以滿足織物電極柔性可穿戴的要求[11]。

織物電極制作步驟如下，如圖2所示反應(yīng)后棉織物由原先的白色變?yōu)楹谏?jīng)觀察織物表面包覆一層較為均勻的聚吡咯膜 （左邊棉織物未經(jīng)處理，右邊是處理后的帶有導(dǎo)電扣的棉織物）。

圖2 未反應(yīng)織物和聚吡咯/棉織物Fig.2 Unreacted fabric and polypyrrole/cotton fabric

（1）配置0.04 mol/L 吡咯單體水溶液和0.02 mol/L過硫酸銨晶體水溶液。根據(jù)反應(yīng)比例將0.04 mol/L吡咯單體水溶液取260 ml 和0.5 g 的1，5-萘二磺酸溶于燒杯中，可放置冰箱保存。

（2）將預(yù)處理的12 片織物全部放入在步驟（1）中配置的溶液，然后將燒杯再放入在0 ℃的冰浴中，并用玻璃棒不斷進行攪拌20 min。

（3）向燒杯中加入0.02 mol/L 過硫酸銨晶體130 ml，引發(fā)聚合反應(yīng)，并于0 ℃的冰水浴中反應(yīng)1 h。

（4）取出步驟（3）中反應(yīng)后的全部織物，反復(fù)用蒸餾水沖洗織物表面，直到肉眼看不見漂浮于織物表面的聚吡咯粉末為止。

（5）將步驟（4）中洗滌后12 片織物，拿出品相不好的織物，將其余的織物放在80 ℃的恒溫烘箱里干燥20 min。

（6）將烘干的聚吡咯/導(dǎo)電織物放入自封袋中，在冰箱的保鮮室保存。

2.2 心電信號采集調(diào)理電路設(shè)計

人體正常的心電信號的幅值在10 μV～4 mV 之間，典型值為1 mV。心電信號頻率范圍一般在0.05～100 Hz 之內(nèi)，并且90%的ECG 頻譜能量集中在0.25～35 Hz 之間[12]。所以根據(jù)ECG 的能量譜可以得知，低通濾波器的上限截止頻率要略小于35 Hz，高通濾波器的下限截止頻率要略高于0.25 Hz。這樣就可以保證搭建出來的帶通濾波器可以通過90%的心電信號。

心電信號采集調(diào)理電路分為5 個模塊：聚吡咯/棉織物電極采集的心電信號，前置級放大電路，帶通濾波器，主放大電路，A/D 轉(zhuǎn)換電路。實物圖如圖3所示。

圖3 外圍心電信號采集調(diào)理模塊實物圖Fig.3 Physical diagram of external core electric signal acquisition and conditioning module

2.3 ADC 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

本設(shè)計采用STM32F103ZET6 芯片，其內(nèi)部包含12 位的ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高采樣頻率可達到1 MHz。此芯片滿足心電信號采樣的需求[13]。本設(shè)計使用ADC 是將經(jīng)過硬件濾波和放大的心電信號轉(zhuǎn)化為可以存儲的數(shù)字信號，由于ADC 參考電壓是3.3 V，12 位的轉(zhuǎn)化精度[14]，因此，獲取的數(shù)字值需要乘以3.3，然后除以4096，就是轉(zhuǎn)化的電壓值。

2.4 存儲模塊設(shè)計

存儲模塊采用TF 卡進行存儲，TF 卡在尺寸和性能方面都優(yōu)于SD 卡，工作電壓在2.7 V～3.6 V，TF卡模塊通過SDIO 接口與單片機相連，利用TF 卡對心電數(shù)據(jù)以文件方式進行存儲，STM32F1 系列與TF卡模塊的電路連接圖如圖4所示。

圖4 SD 卡電路圖Fig.4 SD card circuit diagram

2.5 藍牙模塊設(shè)計

本設(shè)計選擇藍牙模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，通過HC-06藍牙模塊和串口實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的傳輸，并實現(xiàn)通過藍牙發(fā)送數(shù)據(jù)給手機端APP，將心電信號發(fā)送給手機端APP 進行實時顯示。

2.6 報警模塊設(shè)計

通過STM32F103 芯片對采集的心電數(shù)據(jù)進行算法處理后獲取心率數(shù)值，就會利用這個采集出來的心率值和先前設(shè)定好的閾值去進行比較，如果測量獲取到的心率值比事先設(shè)置好的心率閾值高，蜂鳴器就會發(fā)出聲響進行報警。在本設(shè)計中蜂鳴器接在單片機的PA6 口。用NPN 型三極管對蜂鳴器進行驅(qū)動，三極管的集電極通過蜂鳴器接3.3 V 的電源，基極與PA6 連接，發(fā)射極接地，當(dāng)PA6 口為高電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器進行報警；當(dāng)PA6 輸出低電平時，三極管截止，蜂鳴器斷開。具體電路如圖5所示。

圖5 報警電路Fig.5 Alarm circuit

3 嵌入式軟件設(shè)計

基于嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計程序包括主程序、ADC 轉(zhuǎn)換子程序、存儲子程序、藍牙傳輸子程序、心率計算子程序、報警子程序。主程序調(diào)用各功能模塊，并將它們聯(lián)系起來，從而形成一個整體，以實現(xiàn)對系統(tǒng)的管理。軟件功能圖如圖6所示。

圖6 軟件功能圖Fig.6 Software function diagram

3.1 主程序設(shè)計

主程序?qū)崿F(xiàn)的功能：與心電采集模擬前端的硬件部分相結(jié)合通過ADC 轉(zhuǎn)換得到24 位的心電數(shù)據(jù)，再將獲取的心電數(shù)據(jù)保存在數(shù)組里面，首先找出最大值，然后對心電信號進行序列差分，繼而尋找序列過零點的數(shù)據(jù)，尋找過零點與最大值相重合的點，最后排除T 波影響，最后通過R-R 計算心率；若當(dāng)出現(xiàn)心率異常，超出預(yù)設(shè)范圍，則啟動報警，再利用SDIO 接口和FATFS 文件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行存儲，在PC 端可直接看到TF 卡內(nèi)部文件，得到實時心率數(shù)據(jù)。并啟動藍牙連接，下位機會將存儲的實時心率數(shù)據(jù)以及異常信號數(shù)據(jù)發(fā)送給手機APP，供用戶查看和醫(yī)生追蹤診斷使用。主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序流程Fig.7 Main program flow chart

3.2 ADC 轉(zhuǎn)換子程序

由于采樣的速度較快，本設(shè)計利用DMA 方式來對采集的數(shù)據(jù)進行搬移，這樣可以為CPU 提高工作效率。在AD 每次轉(zhuǎn)換的結(jié)果會放到一個固定的寄存器里，在沒有使用DMA 時，需要利用賦值語句來獲取采集的數(shù)據(jù)到變量，但是開啟了DMA 通道，數(shù)據(jù)直接存儲到指定的變量里，不用CPU 再執(zhí)行賦值語句，可以大幅度提高CPU 的工作效率[15]。模數(shù)轉(zhuǎn)化流程如圖8所示。

圖8 ADC 轉(zhuǎn)換流程Fig.8 ADC conversion flow chart

3.3 存儲模塊子程序

本設(shè)計采用SDIO 接口和FATFS 文件系統(tǒng)對心電數(shù)據(jù)進行存儲，結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)引導(dǎo)區(qū)，目錄和文件[16]。使用文件系統(tǒng)前，先將存儲介質(zhì)格式化，接著存儲介質(zhì)會創(chuàng)建新的文件分配表和目錄。且數(shù)據(jù)會以文件形式存儲，閱讀性更強。TF 卡存儲流程如圖9所示。

圖9 TF 卡存儲流程Fig.9 TF card storage flow chart

3.4 心率計算子程序

首先將獲取的心電數(shù)據(jù)保存在數(shù)組里面，接著找出最大值，然后對心電信號進行序列差分，繼而尋找序列過零點的數(shù)據(jù)，尋找過零點與最大值相重合的點，排除T 波影響，最后通過R-R 計算心率。心率計算流程如圖10所示。根據(jù)以上所述可利用式（1）計算心率：

圖10 心率計算流程Fig.10 Heart rate calculation flow chart

4 手機應(yīng)用程序開發(fā)

如今Android 智能手機市場占有率很高[17]，許多的應(yīng)用程序也隨之誕生并且得到了廣泛的普及?，F(xiàn)在心血管病的患病率持續(xù)不斷的增加，因此開發(fā)一款基于Android 智能手機的心電監(jiān)護系統(tǒng)應(yīng)用程序，具有很好的潛在市場[18]。與體積大，價格昂貴的心電監(jiān)護設(shè)備相比，便攜的Android 監(jiān)護系統(tǒng)就顯得十分的重要，它可以隨時對用戶的心電信號進行實時監(jiān)測。

4.1 通信設(shè)計

將已經(jīng)處理好的心電信號通過串口發(fā)送到藍牙，打開手機端藍牙和單片機端進行藍牙匹配，獲取心電數(shù)據(jù)[19]，將心電數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)紸ndroid 智能手機上并且顯示，通信流程如圖11所示。

圖11 通信流程Fig.11 Communication flow chart

4.2 手機應(yīng)用程序APP 的設(shè)計

設(shè)計一個心電監(jiān)護應(yīng)用軟件，首先要有一個藍牙模塊獲取前端傳來的患者心電數(shù)據(jù)。其次是要有一個登錄和注冊界面，來對用戶的個人信息密碼等數(shù)據(jù)進行記錄和存儲[20]。接下來就是最主要的部分，對患者的心電信號進行顯示的心電圖顯示模塊。最后就是患者的心電數(shù)據(jù)存儲模塊。綜上所述，手機應(yīng)用程序所需要設(shè)計的模塊包括4 部分：登錄和注冊模塊，藍牙模塊，心電圖繪制模塊，心電數(shù)據(jù)存儲模塊。Android 智能手機監(jiān)護系統(tǒng)的軟件設(shè)計的總體框架以及模塊如圖12所示。

圖12 心電監(jiān)護軟件總體設(shè)計模塊Fig.12 Overall design module of ECG monitoring software

5 實驗結(jié)果

下面對系統(tǒng)的有效性進行實測。選取了10 名測試人員，將織物電極以貼片的形式，貼在被測人員兩條胳膊的手腕部和腳腕部，如圖13所示，隨后接通電源。當(dāng)STM32F103ZET6 的藍色指示燈亮起時，此時程序正在向TF 卡內(nèi)寫入數(shù)據(jù)，當(dāng)藍色LED燈熄滅時，此時為ADC 采樣的時間，然后ADC 模塊利用DMA 總線對采集的數(shù)據(jù)進行傳輸，再利用串口將獲取的數(shù)據(jù)顯示出來，最后再將ADC 采集的數(shù)據(jù)通過USART 和藍牙傳輸?shù)绞謾C端APP 顯示。如圖14 和圖15所示。

圖13 聚吡咯/棉織物電極與人體連接圖Fig.13 Connection diagram between polypyrrole/cotton fabric electrode and human body

圖15 手機應(yīng)用軟件繪制出的心電波形Fig.15 ECG waveform drawn by mobile phone application software

6 結(jié)語

本設(shè)計是一個基于織物電極的心電監(jiān)測嵌入式系統(tǒng)，在本次設(shè)計中完成前后兩部分的聯(lián)合調(diào)試，主要實現(xiàn)的功能有：將通過OPA2277 芯片對采集到的微弱心電信號進行放大和濾波的心電信號（0～3.3 V）經(jīng)過ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)化，將采集的心電數(shù)據(jù)由模擬數(shù)據(jù)變成方便存儲的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。然后利用FATFS 文件系統(tǒng)將數(shù)據(jù)以文件的格式存儲起來，同時將心電數(shù)據(jù)發(fā)送給UART 端口，UART 連接著HC-06 藍牙模塊，然后通過HC-06 藍牙模塊將心電數(shù)據(jù)無線傳輸給手機端的APP，繪制心電圖并顯示其心率值。然后對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，獲取其心率值，同時將心率值也發(fā)送給手機端APP 進行實時顯示。實現(xiàn)了患者24 h 的實時監(jiān)測，讓患者足不出戶即可進行心電監(jiān)測，這樣不但對患者提供不少便捷，而且對有限的醫(yī)療資源也是一種節(jié)約，同時提高了醫(yī)生的就診效率。