盧潭城，劉 鵬，高 翔，陸起涌

（復(fù)旦大學(xué)電子工程系，上海 200433）

基于AD8232芯片的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀設(shè)計

盧潭城，劉 鵬，高 翔，陸起涌

（復(fù)旦大學(xué)電子工程系，上海 200433）

設(shè)計了一種基于手機(jī)的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀。該系統(tǒng)使用ADI公司新推出的單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護(hù)儀模擬前端的AD8232芯片，僅需2個電極連接便可測量人體的心電信號，并通過藍(lán)牙通信技術(shù)實時地把心電信號顯示在手機(jī)上。敘述了軟硬件設(shè)計。此系統(tǒng)具備心電信號分析、心率計算、心律失常檢測、失常心電圖的回放、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測、快速自動恢復(fù)心電信號等功能。結(jié)果表明該心電監(jiān)護(hù)儀具有低成本、低功耗、小尺寸、便于攜帶等優(yōu)點。

便攜式心電監(jiān)護(hù)儀；AD8232；小尺寸低功耗

隨著人口老齡化問題的日趨嚴(yán)重，心臟類疾病的發(fā)病率越來越高，對疾病老年人的心電監(jiān)護(hù)也就越來越受到重視。許多研究表明，一半以上的猝死者在死前的數(shù)周有過心電圖失常的癥狀。雖然很多病人在猝死前曾診治過，但因為病人心電圖失常的癥狀很少出現(xiàn)，診斷時病人的癥狀已經(jīng)消失，導(dǎo)致許多不易被檢測到的癥狀被忽視［1］。心電監(jiān)護(hù)儀是一種新一代的醫(yī)用電子儀器，用戶不需要親自到醫(yī)院，在家中使用它就可以完成心電圖的測量，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)［2－3］。它與監(jiān)護(hù)診斷儀器不同，心電監(jiān)護(hù)儀必須長時間實時監(jiān)護(hù)病人的心電圖，才能檢測出心率變化趨勢，保存失常的心電圖信號，為醫(yī)務(wù)人員提供治療的參考依據(jù)，起到緩解并移除病情的作用［4］。

近年來，在智能手機(jī)平臺上研發(fā)了一些基于數(shù)碼相機(jī)檢測心率功能的應(yīng)用軟件［5］，其測量方法是利用手機(jī)的補光燈充當(dāng)光源，然后在手機(jī)相機(jī)上感應(yīng)出皮下毛細(xì)血管的跳動來測心率。此種方法適合于心率的測量，但無法提供心電圖形的測量。

便攜式心電監(jiān)護(hù)儀一般由信號的采集、處理和顯示模塊組成，運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)病人心電的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，實時地確保病人的安全。但目前多數(shù)的心電信號采集模塊存在的不足有：（1）采用儀表放大器和運算放大器等分立器件實現(xiàn)對人體微弱生物信號的放大和濾波，模塊的功耗和體積一般比較大［6－7］；（2）心電采集模塊采用三電極單導(dǎo)聯(lián)的測量方式，其中的一個電極是右腿驅(qū)動［8］（本文中基于AD8232的心電監(jiān)護(hù)儀可以不用此電極），主要是改善系統(tǒng)的共模抑制性能；（3）心電信號采集模塊與顯示模塊連接在一起［9］，不僅不方便測量，而且身上的導(dǎo)線會給測量者帶來心理壓力，影響測量結(jié)果。

AD8232芯片是ADI公司新推出的一款用于心電及其他生物電測量的集成信號調(diào)理模塊，大小僅為4 mm×4mm，集成了儀表放大器、增益放大器、右腿驅(qū)動電路、休眠電路設(shè)計、基準(zhǔn)電壓緩沖以及導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路，主要是提取、放大及過濾微弱的生物電信號［10］。因其低成本、低功耗、小尺寸等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用在便攜式健身設(shè)備、遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)終端、汽車、手表、手機(jī)等多種電子設(shè)備上。AD8232芯片還具有導(dǎo)聯(lián)脫落檢測功能、創(chuàng)新的快速恢復(fù)模式、可實現(xiàn)高共模抑制能力［11］。本文主要針對心電監(jiān)護(hù)儀的心電信號采集模塊，采用AD8232芯片作為監(jiān)護(hù)儀的模擬前端，設(shè)計了基于AD8232的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀，并將心電圖實時地顯示在手機(jī)上，同時對心電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，檢測出心律情況。

1 硬件設(shè)計

心電監(jiān)護(hù)儀由電源管理電路、心電信號采集模塊、處理器控制電路、藍(lán)牙模塊和嵌入式操作系統(tǒng)的手機(jī)移動終端等部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。心電信號的采集模塊是由AD8232芯片加外圍電路組成，這一部分的設(shè)計比分立元器件構(gòu)成的采集模塊節(jié)省空間與能耗，而且還有快速自動恢復(fù)和導(dǎo)聯(lián)脫落檢測等功能，符合便攜式低功耗產(chǎn)品設(shè)計的要求。采集模塊的模擬輸出信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過處理器將數(shù)據(jù)以一定的數(shù)據(jù)格式送至藍(lán)牙緩存區(qū)，與具有藍(lán)牙功能的手機(jī)實現(xiàn)通信。

便攜式心電監(jiān)護(hù)儀最主要的特點就是體積小、功耗低、攜帶方便，由AD8232芯片、小尺寸的AT－mega328p處理器、簡單的HC－07藍(lán)牙模塊、帶有藍(lán)牙功能的手機(jī)即可組裝成方便攜帶的心電監(jiān)護(hù)儀［12］，總大小為3．5cm×3．5cm，戴在胸前時可以照?；顒?，不會對用戶造成不適的感覺。

圖1 便攜式心電監(jiān)護(hù)儀結(jié)構(gòu)框圖

1．1 電源管理模塊

作為心電監(jiān)護(hù)儀的供電電源，鋰電池一般的輸出電壓范圍是3．3～4．2V，但有可能因為電池電壓的不穩(wěn)定或鋰電池充電期間的電壓超過AD8232的最大額定值而影響AD8232芯片、處理器和藍(lán)牙模塊的正常工作。為了保證心電監(jiān)護(hù)儀各模塊能夠穩(wěn)定工作，系統(tǒng)使用ADI公司的ADP150電源芯片，配合使用電容和電感，它可以為AD8232芯片、ATmega328p處理器、藍(lán)牙模塊提供3．3V的電壓，保證系統(tǒng)穩(wěn)定地工作。此外，電源引腳上的噪聲過高會降低芯片的性能，必須使用旁路電容來對片式電容去耦。一般在電源引腳附近放置一個0．1μF電容，如果去耦電容過大則會導(dǎo)致功耗的增加。

1．2 心電信號采集模塊

根據(jù)人體微弱心電信號的頻率和幅值范圍，設(shè)計高低通濾波器電路的截止頻率和幅值增益?？紤]到一般心電信號的頻率范圍在0．5～100Hz之間，而且主要集中在低頻區(qū)域，本系統(tǒng)所設(shè)計的高通濾波器的截止頻率HPF為0．3Hz，低通濾波器的截止頻率LPF為100Hz，幅頻特性曲線如圖2所示。心電信號的采集電路主要使用AD8232芯片，雖然有ADI提供的外圍參考電路圖，但是實際的電路還是需要進(jìn)行調(diào)試。電路在調(diào)試時，低通濾波電路可能會出現(xiàn)自激振蕩現(xiàn)象，采用電容校正法即可以解決。

圖2 高通、低通濾波器的幅頻特性曲線

根據(jù)芯片內(nèi)部的電路設(shè)計，AD8232通過給儀表放大器提供一個100kHz的小電流源來檢測電極何時斷開。如圖3所示，此電流在儀表放大器輸入端產(chǎn)生一個差分電壓，該電壓經(jīng)同步檢測并與內(nèi)部閾值進(jìn)行比較，判斷是否有導(dǎo)聯(lián)脫落的情況。圖3中的2個電阻過小會使差分壓降過低而檢測不到導(dǎo)聯(lián)脫落，同時也會降低心電采集模塊的輸入阻抗，所以2個電阻的阻值的大小最好是10MΩ。當(dāng)某一端的心電電極出現(xiàn)脫落時，AD8232芯片的LOD引腳會輸出高電平。在軟件設(shè)計中，可以容易判斷心電監(jiān)護(hù)儀是否處于正常工作狀態(tài)，不會因為導(dǎo)聯(lián)脫落的原因而造成偽報警。

圖3 導(dǎo)聯(lián)脫落檢測的電路配置

一般的心電圖應(yīng)用中高通濾波器采用低截止頻率，信號建立的時候可能長達(dá)數(shù)秒，用戶可能會對此感到沮喪。AD8232在內(nèi)部通過檢測導(dǎo)聯(lián)的連接，可以快速地讓較低的等效電阻把電極切換到較高的頻率，從而縮短建立時間。當(dāng)用戶在運動過程中暫時斷開電極連接或者出現(xiàn)導(dǎo)聯(lián)脫落時，當(dāng)電路恢復(fù)正常后，AD8232芯片可以在1s內(nèi)就自動恢復(fù)心電信號，相比沒有此功能的心電采集模塊，恢復(fù)的時間要縮短很多，此功能可以顯著改善用戶的最終體驗［11］。

1．3 處理單元模塊

處理核心選擇開源電子原型的Arduino Pro Mini ATmega328p控制芯片，大小為10mm×10mm，使用其專門的IDE編程環(huán)境實現(xiàn)對芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)運算等進(jìn)行處理。采用處理器內(nèi)部集成的10bit分辨率AD轉(zhuǎn)換器完成心電信號的采樣。ATmega328p芯片主要負(fù)責(zé)心電信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送、設(shè)置休眠等功能，而對于該芯片中不需要使用到的功能，比如模擬比較器、掉電檢測BOD、監(jiān)視定時器（看門狗）等可以設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，使得處理器的功耗最小化。

構(gòu)成ATmega 328p最小系統(tǒng)的方法與其他處理器的一樣：采用1個外部16MHz晶振和2個22pF的電容組成。不同的是，新的ATmega 328p沒有引導(dǎo)程序，不能將主程序直接燒錄，還需要初始化處理器的硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間映射圖，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。下載引導(dǎo)程序的方法可以采用高速同步串行口（SPI）的連接方式，用額外的Arduino開發(fā)板進(jìn)行下載。需要特別注意的是，配置熔絲位時必須與外部的晶振匹配，否則芯片將被鎖死，最小系統(tǒng)需要更換與設(shè)置相匹配的晶振才可以重新和外部通信。

2 軟件設(shè)計

2．1 處理器的程序

由于心電監(jiān)護(hù)儀需要實時對人體心電信號進(jìn)行采集，并且要無失真地顯示出來，這對信號的采樣頻率有一定的要求。根據(jù)Nyquist采樣定理，在進(jìn)行模擬－數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率大于信號中最高頻率的2倍時，采樣之后的數(shù)字信號可以無失真地恢復(fù)出原始信號，完整地保留原信號的信息［13－14］。一般人體的心電信號的頻率范圍在0．5～100Hz之間，而且其中大部分的信號集中在低頻范圍，這要求AD采樣頻率必須大于或等于200Hz。在處理程序中使用延時函數(shù)，設(shè)置采樣頻率為200Hz。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈适? 600bit／s，為了保證藍(lán)牙通信過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，程序以表1的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳輸，當(dāng)在接收端（手機(jī)）收到“0xFF”字符時即表示這是一幀數(shù)據(jù)的開始，使用奇偶校驗方法還可以檢測出數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出現(xiàn)錯誤。

表1 數(shù)據(jù)格式

2．2 心電監(jiān)護(hù)儀的手機(jī)應(yīng)用設(shè)計

手機(jī)的應(yīng)用設(shè)計是基于Java的可擴(kuò)展開發(fā)平臺（Eclipse）進(jìn)行開發(fā)的。Eclipse最初是由IBM公司開發(fā)的替代商業(yè)軟件Visual Age for Java的下一代著名跨平臺IDE開發(fā)環(huán)境。它是一個框架和一組服務(wù)，用于通過插件組件構(gòu)建開發(fā)環(huán)境。程序主要通過手機(jī)的藍(lán)牙接收數(shù)據(jù)，再使用SurfaceView控件實時地完成心電圖的繪畫，同時還有對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理等操作［15］。

為了能夠給用戶使用時帶來好的體驗，測量時心電圖必須實時地顯示在手機(jī)上，如果存在延時，就會出現(xiàn)用戶的心臟跳動瞬間和心電圖的QRS波不在同一個節(jié)奏上的情況。為此應(yīng)用軟件設(shè)計時，手機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)存放在隊列的數(shù)據(jù)類型中，當(dāng)隊列有數(shù)據(jù)時，就使用SurfaceView控件繪畫出波形，達(dá)到實時的目的。在繪畫之前，程序會根據(jù)表1的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行初始幀的判斷，然后在每一幀結(jié)束后，對所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗，若校驗出數(shù)據(jù)在傳輸過程中無錯誤，則使用白色的曲線繪圖；若有錯誤，則在繪畫這幀數(shù)據(jù)的波形圖時用紅色的曲線標(biāo)記開來。

2．2．1 心率算法

系統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)軟件功能主要包括：心電波形顯示、心率計算、實時心律失常分析、心電數(shù)據(jù)管理、心電波形歷史回放等內(nèi)容。

根據(jù)心電信號的特性，QRS波的頻率一般在12～22Hz之間，而P波和T波的頻帶都是在此頻帶的低端以外［16］，所以QRS波的提取可以使用差分算法處理［17］，定義：將式（1）和（2）分別乘以比例系數(shù)后相加，得實驗結(jié)果表明，當(dāng)取a＝1．5，b＝1．2時，式（3）能很好地增強QRS波，減弱T波和P波，QRS波的提取效果如圖4（a）所示。相比在原始信號直接使用閾值法計算心率，使用差分算法可以取得每個QRS波的準(zhǔn)確位置，而且當(dāng)心電信號發(fā)生基線漂移時，也能計算出正確的心率值。原始心電數(shù)據(jù)經(jīng)過上式的差分算法處理后，再通過設(shè)定適當(dāng)?shù)拈撝?，可以檢測出一定時間內(nèi)QRS波出現(xiàn)的次數(shù)［18－19］。一般可以通過下式計算出瞬時心率HR：

其中，N為這段時間內(nèi)QRS波出現(xiàn)的次數(shù)，f為采樣頻率，Tl和Tf分別為最后一個和第一個QRS波峰的位置。但由計算公式得出的瞬時心率變化過大，本文的軟件設(shè)計中增加了一種計算平均心率的方法，即直接計算1min內(nèi)QRS波出現(xiàn)的次數(shù)，然后取2種方法計算結(jié)果的平均值作為用戶的心率測量值。其中，心率的測量值是每5s計算1次，也是每5s更新1次。如圖4（b）是實時地心電信號在手機(jī)上的顯示結(jié)果。

圖4 QRS波的提取效果和心電波形

2．2．2 實時心律失常分析

用戶需要24h隨身佩戴便攜式心電監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行監(jiān)護(hù)，假如沒有針對性地對心電信號進(jìn)行分析，那么在所記錄下來的大量數(shù)據(jù)中很難找到異常的信號，這也不便于醫(yī)務(wù)人員的診斷。心律失常分析方法是根據(jù)表2所示的指標(biāo)進(jìn)行判定，分別可以判定出漏搏、停搏、心動過速、心動過緩、心律不齊5種不同類型的心律失常［20］。

表2 心律失常的判定標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)出現(xiàn)心律失常時，程序?qū)⒆詣颖４孀罱?min的心電數(shù)據(jù)，并以“心律失常類型的名稱＋當(dāng)時的時間”命名，方便過后查閱。手機(jī)異常類型判定流程圖如圖5所示。應(yīng)該說明的是，心動過速和心動過緩分生理性、病理性兩種。比如跑步、緊張時心律加快為生理性的心動過速，而生理性竇性心動過緩常見于運動員、睡眠等。當(dāng)檢測出心動過速或心動過緩時，也不一定是病理性的心律失常，還需要根據(jù)實際情況分析。

圖5 異常類型判定流程圖

2．2．3 性能參數(shù)

該系統(tǒng)的性能參數(shù)如表3所示。實際的功耗取決于3種工作模式。

（1）藍(lán)牙搜索設(shè)備模式。此時監(jiān)護(hù)儀上的藍(lán)牙指示燈會不停地閃爍，表示等待配對，工作電流為20～40mA。

（2）藍(lán)牙已配對模式。此時監(jiān)護(hù)儀上的藍(lán)牙指示燈會一直亮，表示藍(lán)牙模塊與手機(jī)已經(jīng)完成配對，工作電流大約為20mA。

（3）數(shù)據(jù)通信模式。此時監(jiān)護(hù)儀的工作電流大約為28mA。

現(xiàn)有的心電監(jiān)護(hù)儀一般使用三電極方式測量，其中一個電極作為右腳驅(qū)動，主要是為了提高心電信號測量時的共模抑制，降低干擾信號。而本文設(shè)計的心電監(jiān)護(hù)儀使用均值濾波，也可以達(dá)到濾除噪聲的效果。用戶使用時可以節(jié)省1片心電電極片，降低使用成本。

表3 性能參數(shù)

3 結(jié)果與討論

基于AD8232的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀在測量實驗中，采用I導(dǎo)聯(lián)的測量方式，其測量的心電圖信號干擾小，具有醫(yī)學(xué)意義的T波和QRS波明顯可見，而且相比分立器件構(gòu)成的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀，不容易發(fā)生基線漂移的現(xiàn)象。采用差分算法處理后，QRS波的正確檢測率很高。作者通過對不同的人進(jìn)行心率測量實驗中，所測量的心臟跳動次數(shù)與實際值相差最大不超過3次／min。造成誤差的原因，其中也包括用戶在測量期間心跳速率變快或者變慢。另外，為了驗證發(fā)生心動過速或心動過緩時能夠被程序正確檢測并記錄，作者分別對在運動后和睡眠時候的人進(jìn)行了實驗。實驗結(jié)果表明，對于運動后的測量，當(dāng)心跳次數(shù)超過100 beat／min時，手機(jī)應(yīng)用程序提示“心動過速”，并保存1 min的心電數(shù)據(jù)；對于睡眠者的心率測量，當(dāng)心跳次數(shù)低于60beat／min時，手機(jī)應(yīng)用程序提示“心動過緩”，并保存1min的心電數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)基于ADI公司的單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護(hù)儀模擬前端AD8232芯片，完成了心電信號采集的功能。借助當(dāng)今普遍使用的手機(jī)設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、信號分析、信號顯示、心率計算、心律失常檢測等功能。從其他有關(guān)便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的研究中可以看出，心電信號的采集模塊是由分立器件構(gòu)成的，沒有本文中所提的快速恢復(fù)電路、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測等功能，而且需要3個電極才能完成心電測量。本文設(shè)計的心電監(jiān)護(hù)儀，其儀表放大器和運算放大器等都被集成在AD8232芯片上，為心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計節(jié)省空間和成本。此外，手機(jī)應(yīng)用程序?qū)π碾姅?shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以在測量過程中檢測到心律失常并自動記錄，為用戶快速鎖定對心臟疾病有參考價值的失常心電圖，這也是目前許多便攜心電監(jiān)護(hù)儀所不具備的優(yōu)點。需要指出的是，便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的大小僅為3．5cm×3．5cm，而且功耗非常小，這對遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)儀的發(fā)展有一定的作用。

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Design of portable ECG monitor based on AD8232chip

Lu Tancheng，Liu Peng，Gao Xiang，Lu Qiyong
（Department of Electronic Engineering，F(xiàn)udan University，Shanghai 200433，China）

This paper designs a portable ECG monitor based on mobile phone．Using the single－lead heart rate monitor simulates the front－end of AD8232chip produced by ADI company，and this monitor can measure the human ECG signal with only two electrodes and display the ECG signal on the mobile phone via Bluetooth communication in real time．The system has many functions like ECG signal analysis，heart rate counting，arrhythmia detection，abnormal ECG playback，lead off detection，fast recovery signal，etc．The result shows that the ECG monitor has several advantages such as low cost，low power consumption，small size，easy to carry，etc．

portable ECG monitor；AD8232；small size and low power consumption

TH772；TP273

A

1002－4956（2015）3－0113－05

2014－08－13

國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目（2011AA100701）

盧潭城（1989—），男，廣東陸豐，碩士研究生，研究方向為智能控制和物聯(lián)網(wǎng)

E－mail：12210720033＠fudan．edu．cn

陸起涌（1966—），男，江蘇大倉，教授，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用．

E－mail：lqyong＠fudan．edu．cn