余冠成，趙曉東，俞 乾，張?jiān)迄i，陳 驍，王守巖

(1.中國(guó)科學(xué)院 蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所 醫(yī)用電子室，江蘇 蘇州215163;2.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春130033;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

0 引 言

隨著老齡化社會(huì)的到來(lái)，家庭個(gè)人監(jiān)護(hù)和社區(qū)醫(yī)療呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)，市場(chǎng)對(duì)移動(dòng)式低功耗醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備的需求正在不斷增加，其中心電長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)健康狀態(tài)評(píng)估、突發(fā)心血管疾病預(yù)警等具有重要意義［1～3］。目前，醫(yī)用心電監(jiān)護(hù)儀發(fā)展較為成熟，該類設(shè)備常通過(guò)有線傳輸模式與個(gè)人電腦或工控機(jī)通信，在醫(yī)院廣泛用于病人臥床監(jiān)護(hù)，而不適用于健康或活動(dòng)監(jiān)測(cè)。

基于移動(dòng)技術(shù)的健康監(jiān)測(cè)是目前正在快速發(fā)展的領(lǐng)域［4～6］，其核心是低功耗、微型的智能傳感器技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、微負(fù)荷監(jiān)測(cè)。已有的一類產(chǎn)品為小型的Holter 系統(tǒng)，該類產(chǎn)品將采集數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)需手動(dòng)導(dǎo)出至電腦分析，這犧牲了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，且存儲(chǔ)操作的功耗較大。目前的發(fā)展趨勢(shì)是將智能傳感器與無(wú)線傳輸技術(shù)相結(jié)合，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至電腦或智能手機(jī)［7～11］，通過(guò)客戶端軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并可進(jìn)一步將數(shù)據(jù)傳送至醫(yī)院等衛(wèi)生部門服務(wù)器終端，以建立完整的健康云系統(tǒng)。如何盡可能地降低系統(tǒng)功耗，從而解決微負(fù)荷與長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的矛盾，是研發(fā)健康監(jiān)測(cè)設(shè)備需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

為滿足便攜化、微型化、長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)以及心電圖(electrocardiogram，ECG)分析對(duì)信號(hào)采集的需求，本文遵循低功耗設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了傳感、處理、通信三個(gè)低功耗模塊，更從整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)上協(xié)調(diào)配合以進(jìn)一步降低功耗，研發(fā)貼片式、具備分析功能、可連續(xù)工作的心電監(jiān)測(cè)設(shè)備。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

1.1 硬件總體設(shè)計(jì)

根據(jù)ECG 信號(hào)特征與對(duì)采集系統(tǒng)基本參數(shù)的要求，設(shè)計(jì)了針對(duì)活動(dòng)人體的微負(fù)荷ECG 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件由采集發(fā)射端電路和接收端電路組成，采集發(fā)射端電路由電源模塊、傳感模塊、信號(hào)處理與無(wú)線通信模塊構(gòu)成，接收端電路由無(wú)線通信模塊、UART 通信模塊構(gòu)成并由PC 機(jī)USB口供電。系統(tǒng)整體硬件架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體硬件框架Fig 1 Frame of system overall hardware

1.2 發(fā)射端電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用單電源供電、前置儀表放大器與運(yùn)算放大器采用鋰聚合電池直接供電，nRF51822 的供電由ADI 公司超低靜態(tài)電流CMOS 線性穩(wěn)壓器ADP162 提供，模擬前端基準(zhǔn)電壓由TI 公司低漂移低功耗電壓基準(zhǔn)REF3312 提供。

ECG 信號(hào)微弱，易混合肌電信號(hào)和共模工頻噪聲，并存在基線漂移現(xiàn)象。為了更好地提高心電信號(hào)的分辨率，采用差分輸入方式，并將心電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和去漂移處理。針對(duì)ECG 信號(hào)高內(nèi)阻的特性，要求前置輸入端具有高輸入阻抗，以減小偏置電流引起的干擾。如圖2 所示，模擬前端(analog front end，AFE)主要包含四部分:前置放大、二級(jí)放大、陷波濾波器、低通濾波器。為兼顧單電源供電與ADC 采樣特性，設(shè)定模擬前端的基準(zhǔn)電壓為1.2 V。

圖2 模擬前端原理圖Fig 2 Principle diagram of AFE

前置ECG 放大電路的性能指標(biāo)決定了整個(gè)放大電路的輸入特性，系統(tǒng)選用ADI 公司提供的AD8236 儀表放大器。在反饋回路中將一個(gè)積分器連接到AD8236 組成高通濾波器，用以消除信號(hào)的基線漂移。運(yùn)算放大器采用ADI公司提供的低功耗運(yùn)算放大器AD8659，與電容器和電阻器組成陷波濾波器與低通濾波器。

核心控制芯片選用Nordic 公司的nRF51822 微處理器，該芯片自帶ADC，具有內(nèi)部參考電壓，內(nèi)核與ADC 均有正常、空閑、掉電工作模式，非常適合于低功耗應(yīng)用場(chǎng)合。同時(shí)，nRF51822 集成了雙模式無(wú)線模塊，其采用私有協(xié)議的射頻(radio frequency，RF)模式與目前主流的nRF24L01等芯片兼容，也可以使用藍(lán)牙低功耗(bluetooth low energy，BLE)模式與藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行通信。

1.3 接收端設(shè)計(jì)

接收端主要完成對(duì)采集發(fā)射端發(fā)送的無(wú)線數(shù)據(jù)接收、分析，再通過(guò)USB 將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)以做進(jìn)一步顯示、處理等操作。USB 電源經(jīng)ADI 公司CMOS 線性穩(wěn)壓器ADP151 穩(wěn)壓作為供電電源，控制芯片仍然采用nRF51822。通過(guò)無(wú)線模塊接收數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓，之后通過(guò)串口輸出，最后PL2303 接收串口數(shù)據(jù)并將串口數(shù)據(jù)通過(guò)USB 將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

發(fā)射模塊程序結(jié)構(gòu)如圖3 所示，為了實(shí)現(xiàn)電源監(jiān)控與AFE 采樣，采用了2 個(gè)定時(shí)器，分別在兩個(gè)定時(shí)器中斷中完成A/D 配置與轉(zhuǎn)換，定時(shí)器Timer1 按照采樣率定時(shí)AFE采樣，定時(shí)器Timer2 負(fù)責(zé)定時(shí)電源電壓采樣。得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)融合分解之后在定時(shí)中斷的間隙有序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、無(wú)線傳出。

接收模塊程序結(jié)構(gòu)如圖4 所示，通過(guò)無(wú)線模塊將心電采集部分發(fā)送來(lái)的心電數(shù)據(jù)接收下來(lái)，再通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。

圖3 發(fā)射端程序流程圖Fig 3 Flow chart of transmitting terminal program

2.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用NI 公司LabVIEW 軟件及其附帶的VISA驅(qū)動(dòng)來(lái)操作，上位機(jī)整體程序圖如圖5 所示。串口不斷地接收3 組8 位帶標(biāo)志位數(shù)據(jù)，根據(jù)標(biāo)志位對(duì)數(shù)據(jù)分類與拼接。得到心電信號(hào)之后可以作心電、心率實(shí)時(shí)顯示與表格文件(excel，txt，csv 等)生成等操作;得到的心電信號(hào)表格文件可以通過(guò)Matlab 等分析軟件對(duì)心電信號(hào)作進(jìn)一步分析，用以判斷人體健康狀況，實(shí)現(xiàn)疾病的預(yù)防。

圖4 接收端程序流程圖Fig 4 Flow chart of receiving terminal program

圖5 上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)圖Fig 5 Structure diagram of upper PC program

3 結(jié)果與討論

圖6 所示為采用BLE 方式心率測(cè)定實(shí)驗(yàn)圖。圖7 中所示為實(shí)驗(yàn)使用PC 端作為上位機(jī)，LabVIEW 實(shí)時(shí)記錄被測(cè)對(duì)象ECG，分別顯示12，1.6 s 時(shí)間內(nèi)的ECG，實(shí)驗(yàn)采樣率為1 024 Hz。圖中可以明顯分辨出人體心電信號(hào)QRS 波、P波等波，心電信號(hào)包絡(luò)線包含有呼吸信息。

圖6 采用BLE 傳輸實(shí)驗(yàn)Fig 6 Experiment of BLE transmission

該心電數(shù)據(jù)可以生成表格文件，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)上傳到社區(qū)監(jiān)護(hù)中心或者醫(yī)院，醫(yī)護(hù)人員可以根據(jù)EEG 作一些疾病的預(yù)防。發(fā)射端連同電池、電極總質(zhì)量為5.6 g，大小為24 mm×16 mm×10 mm，極大地降低了佩戴時(shí)的不適感。

為將心電數(shù)據(jù)全部上傳到上位機(jī)，無(wú)線傳輸采用RF模式，0 dB 增益條件下實(shí)際傳輸距離可以在5 m 范圍內(nèi)，分別對(duì)系統(tǒng)心電信號(hào)采集不同工作狀態(tài)下功耗進(jìn)行測(cè)定。表1列出了無(wú)線關(guān)閉狀態(tài)系統(tǒng)功耗、無(wú)線開啟狀態(tài)系統(tǒng)功耗，測(cè)量平均電流時(shí)間為5～10 s。為了實(shí)現(xiàn)小體積、便攜目的，系統(tǒng)采用鋰聚合電池容量為80 mAh，開啟無(wú)線模式時(shí)，采樣率1 024 Hz 時(shí)可以工作3 天以上，以256 Hz 采樣率則可以工作7 天以上。表2 列出了藍(lán)牙模式時(shí)功耗情況。

圖7 LabVIEW 實(shí)時(shí)記錄ECGFig 7 Real time recorded ECG by LabVIEW

表1 RF 模式系統(tǒng)平均電流Tab 1 Average current of system of RF mode

表2 BLE 模式系統(tǒng)平均電流Tab 2 Average current of system of BLE mode

采用私有協(xié)議方式可以在低功耗下將個(gè)人的心電數(shù)據(jù)上傳到個(gè)人電腦或者云端，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供給對(duì)應(yīng)的社區(qū)醫(yī)生。

本系統(tǒng)具有功耗低、操作簡(jiǎn)便、便攜性好和聯(lián)網(wǎng)方式多樣等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，用戶可以很方便地?cái)y帶設(shè)備活動(dòng)，所測(cè)定的心電信號(hào)也滿足監(jiān)護(hù)的要求。

4 結(jié) 論

本設(shè)備具有多采樣頻率，具有信號(hào)處理功能，擁有私有協(xié)議RF 與BLE 兩種無(wú)線傳輸方式等特點(diǎn)。設(shè)備具有很大的靈活性，可以做標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)、病人監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)記錄、健康評(píng)估等應(yīng)用。設(shè)備采用了低功耗設(shè)計(jì)方法，微型與智能的特性使其與其他產(chǎn)品比較具有很大的先進(jìn)性。

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