薛詩靜，高帥鋒，周平

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

可穿戴式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

薛詩靜，高帥鋒，周平

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

可穿戴醫(yī)療設(shè)備的舒適性、耐用性越來越受到人們的重視。本文采用了導(dǎo)電織物作為心電監(jiān)護(hù)終端的心電電極，并根據(jù)織物電極的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了可穿戴心電采集系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包含兩個(gè)部分：心電采集模擬前端和單片機(jī)系統(tǒng)。心電采集模擬前端主要將織物式心電電極采集到的微弱心電信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的放大和濾波，以得到病人高信噪比的穩(wěn)定心電波形。單片機(jī)系統(tǒng)中采用TI公司的MSP430F149型號(hào)芯片作為微處理器。由微處理器控制將心電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并寫入Flash內(nèi)。最后可以和電腦串口進(jìn)行通信，上傳Flash內(nèi)部的心電數(shù)據(jù)。Flash芯片采用華邦W25Q256 芯片，內(nèi)存為256 Mbits，以150 Hz采樣頻率可以連續(xù)存儲(chǔ)病人24 h的心電信號(hào)。

織物電極；可穿戴設(shè)備；Flash；心電監(jiān)測(cè)

0 前言

心血管疾病是現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)中對(duì)人類生命威脅最大的疾病。目前，我國心腦血管疾病患者已經(jīng)超過2.7億人，每年死于心腦血管疾病近300萬人。且心血管疾病發(fā)病時(shí)具有很大的突然性，失去了寶貴的早期診斷救治時(shí)間，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，因此最好的方法是防患于未然。日常的心臟監(jiān)護(hù)是保證病人生命安全的重要手段，通過日常監(jiān)護(hù)預(yù)先發(fā)現(xiàn)異常征兆，可為及時(shí)救治贏得時(shí)間[1]。

通過心電信號(hào)對(duì)人體心臟情況進(jìn)行日常監(jiān)控，是心臟監(jiān)護(hù)的有效途徑。傳統(tǒng)心電監(jiān)護(hù)采用的AgCl 電極長期使用易引起皮膚過敏等不適反應(yīng)，不適合在日常生活中使用。近些年來，眾多學(xué)者與研究機(jī)構(gòu)對(duì)可穿戴式心電采集技術(shù)進(jìn)行了研究，以便能夠在日常活動(dòng)的狀態(tài)下實(shí)時(shí)采集到穿戴者的心電數(shù)據(jù)。早在十幾年前，織物電極就已經(jīng)開始在可穿戴式人體健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用[2]?？椢镫姌O不同于傳統(tǒng)的導(dǎo)體電極，它在測(cè)量心電信號(hào)時(shí)直接和皮膚接觸，不需要使用電解凝膠或者粘合劑，非常適合于長時(shí)間的心電監(jiān)測(cè)，并且可以擴(kuò)展應(yīng)用到生理監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、電子協(xié)助和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)等很多領(lǐng)域。目前已有采用繃帶式或是緊身衣式的形式來設(shè)計(jì)心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3-4]。

由于沒有粘合劑的使用，織物電極和皮膚接觸位置的阻抗會(huì)大大增高，容易受到噪聲的干擾，影響了獲得心電信號(hào)的質(zhì)量，同時(shí)人體運(yùn)動(dòng)所帶來的電極和皮膚的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也會(huì)造成接觸阻抗的改變，從而影響信號(hào)的穩(wěn)定性。本文根據(jù)織物電極的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了可穿戴式心電采集系統(tǒng)，可在日?；顒?dòng)下采集到穩(wěn)定的高信噪比心電信號(hào)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文根據(jù)織物電極的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了心電檢測(cè)電路，并基于MSP430單片機(jī)完成心電信號(hào)的長時(shí)間采集以及存儲(chǔ)傳輸?shù)墓δ?。本系統(tǒng)主要包括兩個(gè)電路模塊，分別是心電模擬前端調(diào)理電路和MSP430系統(tǒng)外圍電路。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，見圖1：

圖1 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

可穿戴式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：① 心電信號(hào)采集、存儲(chǔ)功能。根據(jù)心電信號(hào)的頻譜特征設(shè)置心電信號(hào)的采樣頻率為150 Hz，AD采樣分辨率12bit，終端可保存病人24 h心電數(shù)據(jù)，并且可根據(jù)需求擴(kuò)展Flash容量實(shí)現(xiàn)更長時(shí)間的采集存儲(chǔ)；② 心電信號(hào)的上傳功能，用于實(shí)現(xiàn)醫(yī)生對(duì)病人心臟情況的離線分析；③ 系統(tǒng)低功耗。

1.1 心電模擬前端設(shè)計(jì)

心電模擬前端實(shí)現(xiàn)了心電信號(hào)的提取、放大和濾波功能。心電模擬前端的結(jié)構(gòu)框圖，見圖2：

圖2 模擬前端電路結(jié)構(gòu)圖

織物電極作為心電測(cè)量終端的接觸電極?？椢镫姌O屬干電極，電極的阻抗相對(duì)于傳統(tǒng)的黏貼式AgCL-Ag 電極阻抗高，且它不需要使用粘合劑和凝膠膜，接觸不固定會(huì)造成接觸阻抗的改變，這給我們提取人體心電信號(hào)造成了一定的困難。高阻抗的干電極容易受到噪聲的干擾，噪聲來源主要是運(yùn)動(dòng)偽差和電力線干擾[5]。通常較為有效的方法是在電極后面接一個(gè)緩沖放大器，其作用就是將高阻抗信號(hào)轉(zhuǎn)化為低阻抗信號(hào)，低阻抗信號(hào)不易受到噪音的干擾[5-6]。

AC 交流耦合電路[7,8]用于將提取到微弱的心電信號(hào)有效地耦合到后面的信號(hào)處理電路中，電路結(jié)構(gòu)見圖3。該電路由電容和電阻構(gòu)成一個(gè)無源高通濾波器。如果R2C1=R3C2=τ，那么電路的傳遞函數(shù)為，截止頻率為。在選擇參數(shù)的時(shí)候，電阻阻值越大越好。大阻值的電阻能帶來較高的輸入阻抗，方便信號(hào)的提取。同時(shí)根據(jù)心電信號(hào)的頻譜特征設(shè)計(jì)無源高通濾波器的截止頻率為0.5 Hz。選定該AC交流耦合的參數(shù)值為：R1=R2=R3=R4=1.5 MΩ，C1=C2=200 nF。同時(shí)該交流耦合電路起到了抑制電極端直流偏置電壓的作用，可以防止微小信號(hào)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

圖3 交流耦合電路

電路中采用了兩級(jí)放大方案，首先采用儀表運(yùn)放對(duì)兩路差分信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)過0.5 Hz高通濾波、40 Hz低通濾波和50 Hz雙T陷波處理后，對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大，將心電信號(hào)幅值放大到伏級(jí)別，用于匹配處理器MSP430 的AD 采樣范圍。心電信號(hào)99%的能量集聚在了0～40 Hz頻帶范圍內(nèi)，所以本系統(tǒng)設(shè)置低通濾波器截止頻率為40 Hz，只獲取0～40 Hz頻帶的心電信號(hào)，同時(shí)低通濾波去掉了大部分的50 Hz工頻干擾。后面再加50 Hz陷波起到雙重濾波的效果。

同時(shí)系統(tǒng)中還增加了右腿驅(qū)動(dòng)反饋電路用于降低人體共模信號(hào)對(duì)心電信號(hào)的影響。

1.2 MSP430 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

MSP430系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)心電模擬信號(hào)的AD采樣，和心電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，并能夠與電腦進(jìn)行串口通信，上傳采集到的心電數(shù)據(jù)，為醫(yī)生提供數(shù)據(jù)分析。單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，見圖4：

圖4 單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

考慮到系統(tǒng)的低功耗性，微處理器我們選擇TI公司的MSP430F149 型號(hào)芯片。單片機(jī)內(nèi)部集成12位ADC、SPI和串口通信等功能模塊，滿足本系統(tǒng)需求。根據(jù)心電信號(hào)的頻譜特點(diǎn)及電路設(shè)計(jì)獲取的心電頻譜范圍，設(shè)置心電信號(hào)采樣頻率為150 Hz。心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊選用的是華邦的W25Q256 flash 芯片，內(nèi)存大小為256 Mb，以150 Hz 采樣頻率計(jì)算，每次采樣存儲(chǔ)2個(gè)字節(jié)，該芯片可以連續(xù)存儲(chǔ)病人24 h的心電數(shù)據(jù)。MSP430通過SPI接口與W25Q256 Flash芯片相連接，通過SPI通信方式實(shí)現(xiàn)Flash的讀寫操作。系統(tǒng)采用單片機(jī)內(nèi)部集成的UART接口與上位機(jī)進(jìn)行串口通信，上傳Flash內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。為了方便用戶的使用，本文中采用PL2303 芯片實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)USB的功能，用戶直接使用USB 線與電腦連接進(jìn)行通信。

1.3 系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)

本可穿戴式心電監(jiān)護(hù)終端用于實(shí)現(xiàn)病人日常生活中長時(shí)間的心電信號(hào)采集和存儲(chǔ)，所以系統(tǒng)的低功耗型和電池的續(xù)航能力是本文中所考慮的重點(diǎn)。

基于低功耗的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)采用了以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)：① 模擬電路設(shè)計(jì)方面選用低功耗模擬器件。本系統(tǒng)的儀表運(yùn)放選擇了TI 公司的INA333 型號(hào)芯片，運(yùn)算放大器選用的是TI的OPA333系列芯片。這兩款芯片均是低電壓、低功耗精密放大器，可采用單電源供電，供電電壓范圍為1.8 ～5.5 V，且適合于電池供電。具有優(yōu)秀的共模抑制比和較小的溫度漂移，非常適用于微小的生理信號(hào)放大；② 微控制器選擇了低功耗芯片MSP430設(shè)計(jì)完成；③ Flash選擇了華邦公司的低功耗芯片W25Q256，該芯片工作電壓在2.7～3.6 V之間，正常工作狀態(tài)下電流消耗0.5 mA，掉電狀態(tài)下電流消耗1 μ A；④ 數(shù)據(jù)上傳時(shí)采用了USB接口代替電池實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電；⑤ 整個(gè)系統(tǒng)采用的是3.0 V單電源供電可充電鋰電池，電池電壓范圍為3.7～4.2 V。系統(tǒng)中采用了TI 公司型號(hào)為TLV70030 的線性穩(wěn)壓器，用以固定輸出3.0 V電壓。

2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)字信號(hào)寫入Flash內(nèi)存儲(chǔ)，并能和上位機(jī)進(jìn)行通信。系統(tǒng)主要由4個(gè)功能模塊組成：按鍵中斷用于控制AD采樣的開啟和停止；AD采樣將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；單片機(jī)對(duì)Flash讀寫和單片機(jī)與PC進(jìn)行串口通信。單片機(jī)主程序流程見圖5。

圖5 單片機(jī)系統(tǒng)主程序流程圖

2.1 單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，單片機(jī)系統(tǒng)主程序開始工作，首先完成各模塊的初始化，主要包括時(shí)鐘、串口設(shè)置、SPI設(shè)置和ADC采樣設(shè)置的初始化工作，然后開啟總中斷，進(jìn)入主循環(huán)程序。主循環(huán)程序通過標(biāo)志位“sign”判斷上位機(jī)是否發(fā)送命令，并在接收到不同命令時(shí)進(jìn)行相應(yīng)操作。接收到“發(fā)送”命令時(shí)，單片機(jī)通過串口通信方式將Flash內(nèi)部數(shù)據(jù)上傳，并在數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，發(fā)送結(jié)束標(biāo)志字；接收到“擦除”命令時(shí)，主程序進(jìn)行Flash擦除操作，此時(shí)擦除操作會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，需等待單片機(jī)發(fā)送擦除結(jié)束標(biāo)志字方可進(jìn)行下一項(xiàng)操作。

2.2 單片機(jī)中斷服務(wù)程序

單片機(jī)程序中，采用中斷方式實(shí)現(xiàn)按鍵中斷、心電信號(hào)的AD采樣與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及與上位機(jī)串口通信中命令的接收、數(shù)據(jù)發(fā)送的功能。中斷服務(wù)程序的流程圖，見圖6～7。

圖6 按鍵中斷服務(wù)程序

圖7 AD中斷服務(wù)程序

按鍵按下喚起按鍵中斷服務(wù)程序，在按鍵中斷服務(wù)程序中通過判斷標(biāo)志位“keyfig”的值判斷按鍵是第一次按下還是第二次按下。第一次按下，開啟AD采樣；第二次按下，停止AD采樣。AD轉(zhuǎn)換完成后進(jìn)入AD中斷服務(wù)程序。在AD 中斷服務(wù)程序中，將采樣得到的數(shù)據(jù)寫入Flash 中，并通過設(shè)置時(shí)間延遲調(diào)整AD 的采樣頻率（150 Hz）。該采樣頻率可以在AD中斷中對(duì)IO口輸出進(jìn)行“異或”操作產(chǎn)生方波來測(cè)試。串口中斷服務(wù)程序用于接收上位機(jī)發(fā)送的命令，并對(duì)接收到的命令進(jìn)行解析，根據(jù)相應(yīng)的命令標(biāo)記標(biāo)志位“sign”，用于主程序的循環(huán)判斷。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

繃帶式織物心電電極的結(jié)構(gòu)，見圖8。

圖8 繃帶式織物電極

繃帶兩端為金纖維織物，相當(dāng)于心電測(cè)量的兩個(gè)導(dǎo)聯(lián)。中間是導(dǎo)電織物的構(gòu)成的罩，用于覆蓋設(shè)備，可以有效的降低外界電磁干擾，起到屏蔽的作用[10]。

本可穿戴式心電監(jiān)測(cè)終端的使用場(chǎng)景是日常生活，為了確保日常活動(dòng)下心電信號(hào)的質(zhì)量，為此設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)方案：① 選取10名測(cè)試對(duì)象，5名男生，5名女生；② 織物電極以繃帶的形式佩戴在胸部（男生佩戴位置：胸部；女生佩戴位置：比男生靠下，在胸骨劍突部位）；③ 每位測(cè)試者做以下動(dòng)作：靜止、走路、手臂大幅度擺動(dòng)走路，以秒表計(jì)時(shí)，持續(xù)時(shí)間20s，兩種動(dòng)作中間靜止10s。使用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，見圖9。

圖9 三種測(cè)量狀態(tài)下的心電波形

從采集到的心電波形中可以看到在靜止和走路情況下，均能獲得較好的波形。走路狀態(tài)下，心電波形有輕微的漂移，對(duì)P波和T波的檢測(cè)帶來一定影響，但QRS波群仍保持完好。而手臂大幅度運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶來上身胸部較大的運(yùn)動(dòng)，造成織物電極和皮膚相對(duì)的有較大的位移，采集到的心電波形會(huì)有較大畸變。但是改變后又會(huì)馬上恢復(fù)，重新測(cè)得質(zhì)量較好的波形。所以在對(duì)波形進(jìn)行評(píng)估時(shí)，可以去掉波形畸變的部分。通過上述三種情況下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可以驗(yàn)證本文的可穿戴式心電采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)普通運(yùn)動(dòng)情況下心電信號(hào)的監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

隨著可穿戴設(shè)備的發(fā)展，可穿戴式心電監(jiān)測(cè)設(shè)備方面的研究也越來越多。為了提高可穿戴心電監(jiān)測(cè)設(shè)備在使用中的穩(wěn)定性、舒適性和耐用性，本文采用了導(dǎo)電織物作為心電監(jiān)護(hù)終端的心電電極，并根據(jù)織物電極的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了可穿戴式心電采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以連續(xù)采集存儲(chǔ)病人24 h的心電信號(hào)，并將心電數(shù)據(jù)上傳電腦。通過10人的心電信號(hào)質(zhì)量測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以在日?；顒?dòng)狀態(tài)下采集到高信噪比的穩(wěn)定心電信號(hào)。

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Design and Implementation of Wearable ECG Monitor

XUE Shi-jing, GAO Shuai-feng, ZHOU Ping
School of Biological Science and Medical Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096, China

With advantages of comfort and durability, wearable medical devices have received people’s more and more attention. This paper chooses the conductive fabric as the ECG electrodes of ECG monitor, and designs the wearable ECG acquisition system according to the characteristics of the fabricbased active electrodes. The system mainly consists of two parts: ECG acquisition analog front-end part and MCU system. ECG acquisition analog front-end amplifies weak ECG signals collected from fabric-based active electrodes and fi ltered them to get high SNR and stable ECG waveform of the patient. MCU system model uses MSP430F149 chip from TI Company as the microprocessor, which converts ECG analog signal into digital signals, then the signals were written to Flash. The ECG data is sent to the computer through serial interface for further analysis. Winbond’s W25Q256 Flash chip is adopted as the storage medium with memory 256 Mbits. It can continuously store a patient’s ECG data for 24 h at 150 Hz sampling frequency.

fabric-based electrode; wearable devices; Flash; ECG monitor

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.01.002

1674-1633(2015)01-0006-04

2014-10-05

作者郵箱：capzhou@163.com