李淑園，吳水才，賓光宇，賓光宏，蔡寶龍

1.北京工業(yè)大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程中心，北京 100124；2.北京東方泰華投資有限公司，北京 100176；3.利康醫(yī)院，北京 102609

可穿戴式無線低功耗心電記錄儀的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

李淑園1，吳水才1，賓光宇1，賓光宏2，蔡寶龍3

1.北京工業(yè)大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程中心，北京 100124；2.北京東方泰華投資有限公司，北京 100176；3.利康醫(yī)院，北京 102609

本文闡述了一種新型電極貼式無線低功耗動態(tài)心電記錄儀的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)過程。該心電記錄儀主要由電極貼連接模塊、心電前端、主控單元、藍(lán)牙模塊、無線充電模塊、鋰電池、穩(wěn)壓和電源管理模塊組成，采用低功耗心電采集芯片ADS1191和低功耗單片機(jī)MSP430F2112組成信號采集電路，心電信號可通過藍(lán)牙模塊發(fā)送至手機(jī)端進(jìn)行顯示和分析；選用鋰電池供電，可采用新型無線充電技術(shù)充電；無外置接口，具備防水功能，體積小、功耗低，可長時間記錄單導(dǎo)聯(lián)心電信號，適用于心電信號的日常實(shí)時監(jiān)護(hù)。

心電記錄儀；心電信號監(jiān)護(hù)；電極貼；無線充電技術(shù)

0 前言

心電信號是人類最早研究并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)與臨床的生物電信號之一，相較于其他生物電信號更易于檢測，并具有較直觀的規(guī)律性。由于心臟病有突發(fā)性以及長久性等特點(diǎn)，心臟病患者往往需要進(jìn)行長期治療和監(jiān)護(hù)，因此對患者進(jìn)行長時間的心電記錄有著極其重要的臨床價值[1-2]。長時間的心電記錄能記錄到普通心電圖檢測時患者不易出現(xiàn)的短暫異常心電活動，為病情分析提供重要依據(jù)。心電監(jiān)護(hù)儀在20世紀(jì)60年代首次應(yīng)用時只能監(jiān)測心電信號，稱為單參數(shù)監(jiān)護(hù)儀。隨著大規(guī)模集成電路和微處理器的出現(xiàn)，目前的心電監(jiān)護(hù)儀已經(jīng)能監(jiān)測數(shù)十種參數(shù)。鑒于心電信號的難識別性以及心電監(jiān)護(hù)相關(guān)操作的專業(yè)性，心電監(jiān)護(hù)的實(shí)施往往局限于醫(yī)院以及健康機(jī)構(gòu)，患者日常心電監(jiān)護(hù)不易實(shí)施[3-5]。

可穿戴式醫(yī)療儀器具有生理信號檢測和處理、信號特征提取和數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ苣K，可以實(shí)現(xiàn)對人體的無創(chuàng)連續(xù)監(jiān)測、診斷和治療[6-8]。傳統(tǒng)的心電監(jiān)測儀中，各硬件裝置之間主要通過通信線纜連接，其操作平臺也基于有線裝置，雖在一定的場合如醫(yī)院以及社區(qū)等有一定的適用性，但卻沒有與現(xiàn)有的個人通信終端（如移動電話、掌上電腦、便攜式電腦等）融合。針對這種狀況，本研究在保證信號采集質(zhì)量的前提下，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種更為便捷舒適的可穿戴式無線心電記錄儀，采用低功耗心電采集芯片ADS1191和低功耗單片機(jī)MSP430F2112組成信號采集電路，采集的心電信號可通過藍(lán)牙傳輸?shù)酵ㄐ沤K端進(jìn)行顯示和分析；并利用無線傳輸和無線充電技術(shù)使整個設(shè)備完全密封，實(shí)現(xiàn)了防水功能，符合醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計

可穿戴式無線心電記錄儀應(yīng)具備功耗低、體積小、處理速度高的特性。本研究采用的心電電極片大小約為30～75 mm?？紤]到心電電極貼的支撐能力，本研究預(yù)期的設(shè)備高度約0.5 cm，重量＜30 g。模擬實(shí)驗結(jié)果表明，心電電極貼能夠很好地支撐該體積和重量的設(shè)備，并且在運(yùn)動的時候不會脫落。

心電記錄儀主要由電極貼連接模塊、心電前端、主控單元、藍(lán)牙模塊、無線充電模塊、鋰電池、穩(wěn)壓和電源管理模塊組成。結(jié)構(gòu)框圖，見圖1。

圖1 可穿戴式無線心電記錄儀結(jié)構(gòu)框圖

1.1 心電數(shù)據(jù)采集部分（模塊A）設(shè)計

體表心電信號具有幅值微弱和易受干擾等特點(diǎn)。該模塊采集到的心電信號經(jīng)過具備高輸入阻抗的差分放大電路進(jìn)行前置放大，抑制零點(diǎn)漂移，減少共模信號的干擾；信號經(jīng)過進(jìn)一步放大（1000倍左右）后，再濾除干擾信號進(jìn)行電平提升；然后送入核心處理控制器進(jìn)行處理。該模塊選用TI公司的低功耗心電采集芯片ADS1191實(shí)現(xiàn)，使心電信號經(jīng)過濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等一系列處理后以SPI傳輸方式送入低功耗單片機(jī)MSP430F2112做進(jìn)一步的分析處理；無線傳輸采用適用于袖珍設(shè)備的HM-6藍(lán)牙模塊（華茂科技公司生產(chǎn)）實(shí)現(xiàn)。

1.2 電源部分（模塊B）設(shè)計

無線充電技術(shù)源于無線電力輸送技術(shù)，市場比較主流的無線充電技術(shù)主要通過3種方式（電磁感應(yīng)、無線電波及共振作用）實(shí)現(xiàn)。無線充電模塊選用Qi無線充電技術(shù)和BQ24201充電器實(shí)現(xiàn)。Qi是全球首個推動無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織-無線充電聯(lián)盟（WPC）推出的“無線充電”標(biāo)準(zhǔn)，具備便捷性和通用性兩大特征。Qi無線充電技術(shù)利用磁共振在充電器與設(shè)備之間的空氣中傳輸電荷，線圈和電容器則在充電器與設(shè)備之間形成共振，實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸，其基本原理是在兩個線圈間形成共振從而實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。BQ24201是一種用于鋰離子電池或者鋰聚合物的充電器，將內(nèi)部高精度電壓調(diào)節(jié)、功率MOSFET、溫度監(jiān)控、充電狀態(tài)及充電終止電路集成在一個芯片上；外圍元件少，節(jié)省空間及成本。

電源管理模塊選用BQ24312作為鋰離子充電器的前端保護(hù)方案，可提供4.25 V的過壓保護(hù)；選用ADuM5000實(shí)現(xiàn)電源隔離，ADuM5000是一款基于ADI公司技術(shù)的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，可為后續(xù)電路提供5 V電源隔離。

根據(jù)產(chǎn)品需求，心電記錄儀需要執(zhí)行＞4 h的無間斷心電信號的采集以及發(fā)送工作，對整體電路進(jìn)行估計后，本研究擬采用90 mAH可充電鋰電池供電。

電源部分充電電路圖，見圖2。鋰電池經(jīng)MIC5205LB穩(wěn)壓芯片為ADS1191、MSP430F2112以及藍(lán)牙模塊提供穩(wěn)定的3.3 V數(shù)字電壓和模擬電壓。

圖2 電源部分充電電路圖

1.3 嵌入式軟件設(shè)計

心電記錄儀軟件開發(fā)環(huán)境采用IAR公司為MSP430單片機(jī)設(shè)計的交叉編譯器IAR Embedded Workbench，編寫語言為C語言。系統(tǒng)軟件流程圖，見圖3。為滿足低功耗的設(shè)計要求，本研究在軟件設(shè)計上采用如下方法控制功耗：① 按照功能將軟件劃分為幾個相對獨(dú)立的模塊，由中斷觸發(fā)；② 使用軟件控制暫時不工作的芯片進(jìn)入休眠或空閑狀態(tài)；③ 采用機(jī)器周期短的程式優(yōu)化各模塊程序，降低整個系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行時間，從而降低系統(tǒng)功耗。

圖3 心電記錄儀軟件流程圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測試

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

設(shè)計并實(shí)現(xiàn)的心電記錄儀實(shí)物圖，見圖4。由圖4可知，記錄儀主要分成兩部分，其直徑均約30 mm，厚約5 mm，整體長度約10 cm，重25 g；相互之間的連接線包括地線和電源線；電極貼背部嵌有電極扣，使用時直接扣在電極貼上。電極貼使用位置為左鎖骨中線下3 cm左右，見圖5。

心電記錄儀心電采集前端ADS1191與處理器MSP430F2112運(yùn)行時的功耗為0.98 mA，藍(lán)牙實(shí)時發(fā)送數(shù)據(jù)的功耗為16 mA。圖6為一位男性受試者接受測試時的心電波形，可以看出，經(jīng)過去噪、平滑等預(yù)處理之后的心電波形穩(wěn)定、基線漂移不明顯，P、QRS、T波特征明顯，可用于心率失常分析。

圖4 心電記錄儀實(shí)物圖，其中(a)為正面圖，(b)為背面圖。

圖5 心電記錄儀使用示意圖

圖6 接收端心電波形圖

2.2 系統(tǒng)測試

（1）輸入阻抗。由信號發(fā)生器產(chǎn)生“100 mV 10 Hz”的正弦波，串一個620 kΩ的電阻接入心電記錄儀輸入端，實(shí)測信號發(fā)生器的正弦信號幅值U=98.8 mV，記錄儀輸入端的電壓U=95.84 mV，通過計算得知心電記錄儀的輸入阻抗R=20.07 MΩ。根據(jù)國家心電圖機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化文檔規(guī)定，心電圖機(jī)的輸入阻抗須≥2.5 MΩ。因此，心電記錄儀的輸入阻抗符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）頻率響應(yīng)。在測試電路中，使信號發(fā)生器的輸出信號頻率從0.1 Hz到150 Hz發(fā)生連續(xù)變化（即通常說的“掃頻”）并保持幅度100 mV不變，在輸出端通過示波器或者其他記錄儀將放大器對于這種連續(xù)變化的相應(yīng)輸出電平記錄下來，即可得到設(shè)備的頻率響應(yīng)曲線。經(jīng)測量在0.1～150 Hz的頻帶范圍內(nèi)，心電記錄儀信號放大倍數(shù)的波動幅度為2.37 dB，小于國家規(guī)定的3 dB，符合要求。

（3）共模抑制比。共模抑制比指的是差模輸入時的放大倍數(shù)與共模輸入時的放大倍數(shù)的比值，反應(yīng)了心電圖機(jī)的抗干擾能力。首先測量共模輸入時的放大倍數(shù)，從信號源引入“1.5 V / 50 Hz ”信號，將其輸入短接的輸入端，信號源地線接右腳驅(qū)動，記錄輸出信號幅值；然后與差分輸入時的信號放大倍數(shù)進(jìn)行對比，經(jīng)計算共模抑制比為106.4 dB，符合國家心電圖機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

本研究設(shè)計并實(shí)現(xiàn)的便攜式心電記錄儀功耗低、體積小，具有如下特點(diǎn)：① 操作方便,測量簡單,設(shè)備廉價,易于推廣使用；② 測量無創(chuàng)、安全、準(zhǔn)確、可重復(fù)性強(qiáng)；③可實(shí)時顯示波形；④ 具備無線充電功能。該心電記錄儀產(chǎn)業(yè)化后可廣范用于心電信號的長期實(shí)時監(jiān)護(hù)。

[1] 黃磊,萬遂人．基于MSP430的便攜式無線心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計[J]．中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2009,26(1):990-994．

[2] Lin BS,Chou NK,Chong FC,et al．RTWPMS:a real-time wireless physiological monitoring system[J]．IEEE Trans Inf Technol Biomed,2006,10(4):647-656．

[3] 戴真楨．基于GPRS的便攜式無線心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計[J]．中國醫(yī)療設(shè)備,2010,25(2):21-23．

[4] Feusli R,Gunnarson E,Gnndersen T．A wearable ECG-recordingsystem for continuous arrhythmia monitoring in a wireless tele-home-care situation[J]．IEEE Sym Comp Based Med Sys,2005,6:407-412．

[5] 李佳,吳水才,李艷崢,等．基于Linux和通用分組無線業(yè)務(wù)的心電無線監(jiān)護(hù)設(shè)計[J]．中國組織工程研究與臨床康復(fù),2007,11(22): 4349-4351．

[6] Masuda Y,Sekimoto M,Nambu M,et al．An unconstrained monitoring system for home rehabilitation．A wireless heart/ respiratory rate sensor accessible to home-visit therapists[J]．IEEE Eng Med Biol Mag,2005,24(4):43-47．

[7] Mundt CW,Montgomery KN,Udoh UE,et al．A multiparameter wearable physiologic monitoring system for space and terrestrial applications[J]．IEEE Trans lnf Technol Biomed,2005,9(3): 382-391．

[8] 蜀華,王美涵,郭飛,等．可穿戴式無線心電監(jiān)測儀的研究現(xiàn)狀[J]．生物醫(yī)學(xué)工程與臨床,2006,10(4):262-266．

Design and Implementation of a Wearable Wireless Low-Power ECG Recorder

LI Shu-yuan1, WU Shui-cai1, BIN Guang-yu1, BIN Guang-hong2, CAI Bao-long3
1.Bio-medical Engineering Center, College of Life Science and Bioengineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2.Oriental Taihua Limited Corporation, Beijing 100176, China; 3.Likang Hospital, Beijing 102609, China

This paper introduced the design and implementation of a new wireless low-power electrodepad ECG (Electrocardiogram) recorder, which mainly consisted of the electrode-pad connection module, ECG front end, main unit, Bluetooth, wireless charging module, lithium battery, stable voltage module and power management module. The low-power ECG capture chip ADS1191and single-chip microcomputer MSP430F2112 constituted the signal capture circuit. The ECG signal was sent through the Bluetooth module to the mobile terminal for displaying and further analysis. The recorder was powered by lithium battery and can be charged through a new wireless charging technology. The wireless Low-power ECG recorder had no external interface and was equipped with the waterproof function. Additionally, this portable and low-power recorder could record one-lead ECG signals for several hours, which should be applied to daily real-time monitoring of ECG signals.

electrocardiogram recorder; electrocardiogram signal monitoring; electrode pad; wireless charging technology

TH772

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.03.005

1674-1633(2015)03-0021-03

2014-07-18

作者郵箱：lishuyuanyuan@163．com