黃敏+張珣

摘 要：為了滿足人們對(duì)實(shí)時(shí)健康監(jiān)護(hù)的需求，設(shè)計(jì)一種基于藍(lán)牙4.0的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由心電信號(hào)采集模塊、藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊和用于心電顯示與處理的手機(jī)模塊組成，給出了硬件電路的設(shè)計(jì)方案及軟件程序流程圖。經(jīng)測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)功耗低、攜帶方便、有較好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)心電信號(hào)實(shí)時(shí)的顯示和存儲(chǔ)，非常適合在普通家庭中使用。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙4.0;CC2540;心電圖;醫(yī)療監(jiān)護(hù)

中圖分類號(hào)：TP316 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-1302（2015）01-00-02

0 ?引 ?言

隨著人們生活水平的不斷提高和社會(huì)壓力的不斷增大，人們的生活節(jié)奏不斷加快，生活方式越加不規(guī)律，心臟病、高血壓等慢性疾病正日益嚴(yán)重威脅著人們的健康[1]。由于醫(yī)院傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)儀體積龐大，價(jià)格昂貴，不適合普通家庭在日常監(jiān)護(hù)中使用，因此設(shè)計(jì)一款體積小、價(jià)格低、便攜式的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)十分重要。

藍(lán)牙4.0技術(shù)是2010年推出的一種短距離無(wú)線電通信技術(shù)，與其他短距離無(wú)線通信技術(shù)相比具有功耗低、體積小、速度快、抗干擾能力強(qiáng)以及輻射范圍更廣等優(yōu)點(diǎn)[2]。另外，利用藍(lán)牙4.0技術(shù)還能夠快速有效地與Android智能手機(jī)終端設(shè)備進(jìn)行通信。因此，本文給出了一個(gè)由便攜式醫(yī)療電子設(shè)備、移動(dòng)通信設(shè)備構(gòu)成并通過(guò)藍(lán)牙4.0進(jìn)行傳輸?shù)募彝ケO(jiān)護(hù)系統(tǒng)。以心電信號(hào)為例，設(shè)計(jì)一個(gè)以CC2540為核心的人體心電檢測(cè)模塊，利用藍(lán)牙4.0技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并在Android智能手機(jī)上完成自動(dòng)顯示分析與報(bào)警等功能。

1 ?系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)分為心電信號(hào)采集模塊、藍(lán)牙4.0無(wú)線發(fā)送模塊和用于心電顯示與處理的手機(jī)模塊組成。心電信號(hào)采集模塊由信號(hào)采集、濾波放大電路和A/D轉(zhuǎn)換幾個(gè)部分組成。傳感器檢測(cè)到生理信號(hào)并把生理信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)，通過(guò)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、隔離等預(yù)處理得到完整的心電信號(hào)后，然后再將模擬的心電信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換傳送到CC2540微控制器。CC2540微控制器的功能是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行處理、特征提取等功能，同時(shí)將數(shù)字信號(hào)送入基于藍(lán)牙4.0技術(shù)的RF發(fā)射器，利用藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)發(fā)送到Android手機(jī)端顯示。

圖1 ?心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)框圖

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?心電采集模塊設(shè)計(jì)

心電信號(hào)是一種很微弱的電信號(hào)，通常為毫伏級(jí)信號(hào)，很容易受到外界的干擾，這些干擾包括機(jī)電干擾、運(yùn)動(dòng)干擾、電極接觸不良和外部電磁干擾等。為了濾除各種干擾需要利用信號(hào)調(diào)理電路，從干擾中提取出心電信號(hào)[3，4]。如圖2所示，為心電信號(hào)采集模塊電路的框圖。

圖2 ?心電信采集模塊電路框圖

由于有些干擾的頻率具有不確定性，所以這部分干擾不能通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路全部的濾除掉，可以在心電信號(hào)采集模塊之后，使用上位機(jī)進(jìn)行軟件再次濾基本上消除干擾。

本設(shè)計(jì)中前置放大電路選用AD公司生產(chǎn)的儀表放大器AD62芯片。AD620是一個(gè)價(jià)格低、功耗低、精度高的儀表放大器，設(shè)置接入電阻Rg為6.8 kΩ，使前置放大電路的放大倍數(shù)約為8倍。右腿驅(qū)動(dòng)電路選用OP07放大器，它的主要功能是抑制50 Hz工頻干擾。高通濾波器電路和低通濾波器電路的功能是濾除基線漂移和高頻噪聲。50 Hz陷波電路進(jìn)一步濾除50 Hz工頻干擾，這樣就基本上可以完全濾除工頻干擾。經(jīng)過(guò)濾波后的心電信號(hào)還需要進(jìn)行后級(jí)放大才能發(fā)送到處理器中處理，采用OP07芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行后級(jí)放大[5，6]。如圖3所示為心電采集模塊實(shí)物圖。

圖3 ?心電采集模塊實(shí)物圖

2.2 ?信號(hào)處理和傳輸模塊

目前，主流的短距離無(wú)線通信包括藍(lán)牙、WiFi、Wireless USB、ZigBee，不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域。由于距離、功耗、數(shù)據(jù)傳輸速率、復(fù)雜度、成本等因素的限制，并不是所有的無(wú)線通信技術(shù)都適用于無(wú)線體域網(wǎng)。本文的研究采用藍(lán)牙4.0技術(shù)作為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的核心。

藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)是使用范圍最廣泛的全球短距離無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)之一，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）于2010年7月發(fā)布了藍(lán)牙4.0版本核心規(guī)范，以低功耗（BLE）作為新版本的主要技術(shù)特點(diǎn)，藍(lán)牙邁入4.0時(shí)代。隨后各大廠商紛紛推出支持藍(lán)牙4.0的智能設(shè)備。TI公司推出了完全兼容藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議的SoC芯片CC2540，同時(shí)也開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的軟件協(xié)議棧。

藍(lán)牙4.0規(guī)范的核心是低功耗技術(shù)（Low Energy），即藍(lán)牙4.0 BLE。該技術(shù)最大特點(diǎn)是擁有超低超低的運(yùn)行功耗和待機(jī)功耗，藍(lán)牙低功耗設(shè)備使用一粒紐扣電池甚至可以連續(xù)工作數(shù)年之久。

信號(hào)處理模塊采用TI公司生產(chǎn)的CC2540藍(lán)牙芯片， CC2540集成了2.4 GHz射頻收發(fā)器，該芯片包含一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051內(nèi)核的無(wú)線射頻單片機(jī)，它與藍(lán)牙低功耗協(xié)議棧共同構(gòu)成高性價(jià)比、低功耗的片上系統(tǒng)解決方案，能完成數(shù)據(jù)采集、處理、藍(lán)牙通信的任務(wù)，非常適合藍(lán)牙低功耗應(yīng)用。系統(tǒng)編程閃存記憶，8 KB RAM 和其他功能強(qiáng)大的配套。CC2540適用于低功耗系統(tǒng)、超低的睡眠模式，以及運(yùn)行模式的超低功耗的轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了超低功耗。

心電信號(hào)通過(guò)心電采集模塊采集到以后，將心電信號(hào)連接到CC2540自帶的A/D轉(zhuǎn)換傳到CC2540芯片處理。每個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)終端的核心是CC2540片上系統(tǒng)， CC2540微控制器主要負(fù)責(zé)心電數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、處理、存取、控制藍(lán)牙模塊數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3 ?軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?BLE協(xié)議棧

本設(shè)計(jì)用到的CC2540芯片使用的是TI公司的藍(lán)牙4.0 BLE協(xié)議棧。藍(lán)牙4.0 BLE規(guī)范中定義了GAP（Generic Access Profile）和GATT（Generic Attribute）兩個(gè)基本配置文件，協(xié)議棧中的GAP層負(fù)責(zé)設(shè)備訪問(wèn)模式和進(jìn)程，包括設(shè)備發(fā)現(xiàn)、建立和終止連接、初始化安全特性和設(shè)備配置。GATT層用于已連接的藍(lán)牙設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。BLE協(xié)議棧的運(yùn)行機(jī)理為：通過(guò)tasksEvents指針不斷的訪問(wèn)事件表tasksEvents[tasksCnt]來(lái)判斷是否有事件發(fā)生，如果有事件發(fā)生，則在函數(shù)表中找到對(duì)應(yīng)的事件處理函數(shù)進(jìn)行處理。處理完后，繼續(xù)訪問(wèn)事件表tasksEvents[tasksCnt]，如此無(wú)限循環(huán)。

3.2 ?心電數(shù)據(jù)采集流程圖

將心電采集模塊作為節(jié)點(diǎn)設(shè)備，手機(jī)中的藍(lán)牙作為集中器設(shè)備。集中器設(shè)備掃描發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)備并且建立連接的流程如圖4所示。

圖4 ?建立連接的流程

當(dāng)集中器設(shè)備和節(jié)點(diǎn)設(shè)備建立連接后，集中器設(shè)備讀取節(jié)點(diǎn)設(shè)備提供的應(yīng)用數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行GATT數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)現(xiàn)。集中器進(jìn)行GATT數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)現(xiàn)時(shí)，需要給出想要發(fā)現(xiàn)的主服務(wù)的UUID，只有主服務(wù)UUID匹配，才能獲得GATT數(shù)據(jù)服務(wù)。設(shè)備之間的心電數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D5所示。

圖5 ?系統(tǒng)流程圖

4 ?系統(tǒng)測(cè)試

心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的顯示是基于Android手機(jī)平臺(tái)的，實(shí)現(xiàn)了和心電采集模塊的配對(duì)、數(shù)據(jù)的接收、心電的顯示和存儲(chǔ)等功能[7，8]。當(dāng)程序啟動(dòng)后監(jiān)測(cè)周圍的藍(lán)牙設(shè)備，監(jiān)測(cè)到心電采集模塊以后就可以實(shí)現(xiàn)配對(duì)，然后按下開(kāi)始按鈕，就可以接受到藍(lán)牙發(fā)送的心電數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)的顯示。如圖6所示。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

該設(shè)計(jì)僅僅是監(jiān)測(cè)了心電一個(gè)生理參數(shù)，今后可以把體溫、脈搏、心率等無(wú)創(chuàng)生理參數(shù)利用藍(lán)牙4.0組成人體傳感網(wǎng)，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)上實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。另外，接下來(lái)還要將采集模塊進(jìn)一步的優(yōu)化和集成，使其更加便于攜帶。該設(shè)計(jì)能廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)健身、移動(dòng)醫(yī)療等領(lǐng)域，具有重要的臨床使用價(jià)值。

圖6 ?手機(jī)心電監(jiān)護(hù)界面

參考文獻(xiàn)

[1]李肅義，楊美玲. 動(dòng)態(tài)心電采集記錄系統(tǒng)的發(fā)展與展望[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2012（1）：175-178.

[2]彭?；? 基于藍(lán)牙及Android的便攜式心電儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

[3]羅治偉. 基于移動(dòng)互聯(lián)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.

[4] Ko J G， Lu C， Srivastava M B， et al. Wireless sensor networks for healthcare[J]. Proceedings of the IEEE， 2010， 98（11）： 1947-1960.

[5]操端. 基于智能手機(jī)的遠(yuǎn)程心電顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].成都：西華大學(xué)，2010.

[6]邱明林. 基于人體傳感網(wǎng)的穿戴式遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[7]李高尚，沈巍. 一種應(yīng)用于移動(dòng)健康醫(yī)療的Android客戶端的研究[J]. 電子測(cè)試，2012（2）：64-67.

[8] Bansal D， Khan M， Salhan A K. A computer based wireless system for online acquisition， monitoring and digital processing of ECG waveforms[J]. Computers in biology and medicine， 2009， 39（4）： 361-367.