李思君 張 偉 卜世俊 黃 敏

（同濟(jì)大學(xué)，上海 嘉定 201804）

可穿戴式心電心音聯(lián)合測(cè)量設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)

李思君 張 偉 卜世俊 黃 敏

（同濟(jì)大學(xué)，上海 嘉定 201804）

在孕婦和胎兒監(jiān)護(hù)領(lǐng)域，移動(dòng)健康監(jiān)測(cè)可有效提升監(jiān)測(cè)的易用性并獲取更加豐富的數(shù)據(jù)輔助診斷，同時(shí)提高應(yīng)急反應(yīng)速度，保護(hù)孕婦和胎兒的安全。文章設(shè)計(jì)了一種基于ARM Cortex-M3微控制器的可穿戴式測(cè)量設(shè)備，能同步采集心電信號(hào)、心音信號(hào)和運(yùn)動(dòng)信號(hào)，支持無線數(shù)據(jù)傳輸，較目前常用的單通道多普勒超聲胎兒心動(dòng)測(cè)量技術(shù)可獲得更加全面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，且對(duì)孕婦和胎兒安全，可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間動(dòng)態(tài)連續(xù)測(cè)量，有助于更全面的評(píng)估孕婦和胎兒健康狀態(tài)。

生理體征測(cè)量；心電信號(hào)（ECG）；心音信號(hào)（PCG）；可穿戴計(jì)算；胎兒監(jiān)護(hù)

1 引言

可穿戴式智能醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠很方便的隨時(shí)隨地的采集到病人的生理信號(hào)，以便用于輔助醫(yī)生診斷，同時(shí)也能夠用于醫(yī)生的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)病情，及時(shí)發(fā)現(xiàn)病情，甚至可以在智能設(shè)備上通過信號(hào)處理的方法，檢測(cè)出病情的變化并及時(shí)通知醫(yī)生[1]。

對(duì)孕婦和胎兒的健康狀況監(jiān)護(hù)能幫助醫(yī)生查看胎兒的發(fā)育狀況，以及檢側(cè)孕婦的健康狀況，還可用于輔助判斷預(yù)產(chǎn)期等。B超技術(shù)能較全面地檢查胎兒情況，較為昂貴且不便于長時(shí)間監(jiān)控；胎心監(jiān)護(hù)儀（Cardiotocography）是通過超聲波檢測(cè)胎兒心率的設(shè)備，適合較長時(shí)間的監(jiān)測(cè)，但測(cè)量設(shè)備比較大不便于日常的監(jiān)側(cè)，且能提供的信息量比較小。上述兩種設(shè)備中使用到超聲波，目前尚缺乏足夠證據(jù)證明超聲波對(duì)胎兒是安全的。心電圖儀可以測(cè)量多導(dǎo)聯(lián)的心電信號(hào)，心音圖儀測(cè)量心音信號(hào)，但這兩種裝置的測(cè)量較為復(fù)雜，只能用作臨床使用。

對(duì)于長時(shí)間的生理信號(hào)監(jiān)測(cè)，需要設(shè)備功耗低、體積重量小并且最好能支持?jǐn)?shù)據(jù)的無線傳輸，便于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。在文獻(xiàn)[2]中，研究人員設(shè)計(jì)一種基于手機(jī)的心電監(jiān)測(cè)，用與手機(jī)匹配的數(shù)據(jù)采集卡測(cè)量信號(hào)，但是依賴指定的手機(jī)接口，缺乏通用性；文獻(xiàn)[3]中提出一種ECG和三軸加速度采集的可穿戴式設(shè)備方案，并使用藍(lán)牙的方式與手機(jī)連接，可以在手機(jī)查看波形數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)[4]利用一種可貼在體表的麥克風(fēng)來采集心音信號(hào)，減輕了設(shè)備對(duì)病人日?；顒?dòng)的影響；文獻(xiàn)[5]提出了一種同步測(cè)量心電、心音以及血氧飽和度的可穿戴式測(cè)量設(shè)備，通過NI的數(shù)字采集卡讀取信號(hào)，在PC端編寫信號(hào)采集程序，但是有線連接的方式不便于日常測(cè)量。上述方案中存在至少一個(gè)如下問題：

（1）測(cè)量信號(hào)單一；

（2）缺少遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的支持；

（3）需要外部設(shè)備較多，不便于日常測(cè)量。

本文提出一種便攜的心電心音信號(hào)聯(lián)合測(cè)量設(shè)備，并支持無線數(shù)據(jù)傳輸。可有效解決在日常監(jiān)護(hù)中對(duì)孕婦胎兒長時(shí)間連續(xù)生理信號(hào)檢測(cè)的問題，有助于提升該領(lǐng)域監(jiān)護(hù)水平。

2 系統(tǒng)需求分析

本系統(tǒng)最重要的幾點(diǎn)需求如下：多通道信號(hào)測(cè)量，能夠同步測(cè)量心電、心音和運(yùn)動(dòng)信號(hào)（包括3軸加速度和3軸陀螺儀）；無線數(shù)據(jù)傳輸，并且需要服務(wù)器端程序支持，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程監(jiān)控；測(cè)量設(shè)備體積小、重量輕、功耗低。

多通道生理信號(hào)測(cè)量的核心在于心電心音信號(hào)的聯(lián)合測(cè)量。心電信號(hào)是在心跳時(shí)，心肌細(xì)胞的去極化過程引起的皮膚表面電位變化。心電信號(hào)的波形能用于對(duì)心肌梗塞、心律不齊等疾病的診斷。在妊娠過程中，心電和心音信號(hào)已經(jīng)成為醫(yī)生的一個(gè)重要手段用于判斷胎兒的健康狀況。心音信號(hào)是血液在心臟收縮時(shí)流經(jīng)心臟產(chǎn)生的震動(dòng)波，可以用來表征心臟瓣膜的開閉，當(dāng)心臟瓣膜或大動(dòng)脈發(fā)生病變的時(shí)候，心音波形會(huì)與正常波形不同，而且由于各個(gè)瓣膜開閉時(shí)機(jī)不同，如果動(dòng)脈血管堵塞或者發(fā)其他病變，則心音的持續(xù)時(shí)間和波形變化趨勢(shì)會(huì)發(fā)生改變或是增加異常噪音，醫(yī)生可根據(jù)這點(diǎn)來判斷病癥。另外，通過心電心音信號(hào)的結(jié)合處理，能提取到更準(zhǔn)確的胎兒心率值（Fetal Heart Rate，F(xiàn)HR），可用于判斷胎兒健康狀況和判斷預(yù)產(chǎn)期等[6]。

與臨床監(jiān)測(cè)不同的是，可穿戴式設(shè)備會(huì)在病人移動(dòng)或環(huán)境干擾嚴(yán)重的時(shí)候進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)，測(cè)量到的信號(hào)中會(huì)混入環(huán)境噪聲和運(yùn)動(dòng)偽像，需要通過濾波、噪聲補(bǔ)償方式將噪聲信號(hào)剔除[7]。運(yùn)動(dòng)偽像是指在電生理信號(hào)采集過程中，由于人體以及測(cè)量電極運(yùn)動(dòng)而引入的噪聲信號(hào)，它的產(chǎn)生主要是由于在電極或人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，電極以及周圍皮膚的形變?cè)斐呻娞匦宰兓热珉娮杩沟淖兓?，?dǎo)致測(cè)量信號(hào)變形。由于運(yùn)動(dòng)偽像信號(hào)在頻譜上的分布是與ECG重疊的，很難利用頻率特性將其分離。本設(shè)計(jì)中使用了 3軸加速度計(jì)和陀螺儀，采集電極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以便作為參考信號(hào)用于運(yùn)動(dòng)偽像的消除。

智能終端通過低功耗Wi-Fi模塊與云平臺(tái)通信，能將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送都便于醫(yī)生查看或信號(hào)處理。相較于其他的無線方案，Wi-Fi的通信速率比較高，而且連接到功率比較大的路由器上以后，通信距離能達(dá)到 100米以上，所以在低功耗要求不算太苛刻的場(chǎng)合還是比較方便的。

在服務(wù)器端使用TCP協(xié)議接收終端的數(shù)據(jù)，并保存于數(shù)據(jù)庫。服務(wù)端提供數(shù)據(jù)接口用于遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了做到更輕更小，筆者將復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理放到服務(wù)端進(jìn)行，這樣終端設(shè)備不太需要考慮運(yùn)算性能，而盡可能選用低功耗、高測(cè)量精度的器件。

圖1　設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖 1所示，設(shè)備的主要由四個(gè)功能模塊組成：（1）心電采集模塊，由心電電極以及信號(hào)處理電路組成；（2）心音采集模塊，由聽診器頭、麥克風(fēng)以及信號(hào)處理電路組成；（3）運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集模塊；（4）無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，主要通過設(shè)備上Wi-Fi模塊收發(fā)數(shù)據(jù)。各個(gè)模塊在ARM內(nèi)核處理器的統(tǒng)一調(diào)度下工作。

3.2智能終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)

終端設(shè)備的核心處理器采用ADI（Analog Device Inc.）的ADμCM360芯片，該芯片具有ARM cortex-M3的處理器，低功耗高運(yùn)算性能，片上具有兩個(gè)單獨(dú)的 24位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）外設(shè)，能夠同時(shí)采集心電和心音信號(hào)。

心電采集模塊通過貼在體表的心電電極連接到電路板上，以獲取體表心電。由于心電信號(hào)通常比較微弱，需要通過模擬前端芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，心電信號(hào)在功率譜上的主要分量集中在100Hz以下，而且P、R、T三個(gè)波的頻譜分布基本在30Hz以下，所以在模擬前端處理模塊中，選擇截止頻率為100Hz的低通濾波器對(duì)心電信號(hào)濾波，然后ADC模塊以500Hz的采樣率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，能得到較準(zhǔn)確的心電信號(hào)。心電信號(hào)使用AD8232芯片進(jìn)行預(yù)處理。AD8232芯片是ADI公司的一款集成單導(dǎo)聯(lián)ECG前端處理電路，主要包含一個(gè)增益 100倍的儀表放大器以及一個(gè)用于低通濾波的運(yùn)算放大器，通過配置 AD8232外圍電路參數(shù)實(shí)現(xiàn)一通頻帶為0.3～200Hz的帶通濾波器。電極暫使用傳統(tǒng)的一次性銀-氯化銀電極，因?yàn)樾滦碗姌O材料性能并沒有達(dá)到理想適用的狀況：導(dǎo)電紡織電極噪聲大并且有極化效應(yīng)，而反復(fù)使用的電極往往又存在接觸不良的問題。

心音采集模塊通過麥克風(fēng)采集心臟附近的心音信號(hào)。利用聽診器的原理，使用聽診器頭通過軟管與麥克風(fēng)連接，能有效的集中心音信號(hào)并屏蔽掉大部分的環(huán)境噪聲。對(duì)心音信號(hào)的頻率分布分析，第一心音和第二心音的頻率約為 50～100Hz，第三第四心音頻率主要為 10～50Hz，舒張期噪音為50～80Hz也可達(dá) 140～400，其他噪音約為 120～660Hz在1000Hz內(nèi)亦有分布[8]。由于心音信號(hào)在200Hz以上基本上都是噪聲信號(hào)， 筆者采用截止頻率200Hz的低通濾波器處理心音信號(hào)，并用ADC模塊以500Hz的采樣頻率采集濾信號(hào)。麥克風(fēng)信號(hào)會(huì)接到音頻放大器MAX9812L芯片，該芯片為固定增益為20dB（放大10倍）的麥克風(fēng)，用于放大信號(hào)和濾除低頻分量， MAX9812L的輸出信號(hào)再通過RC低通濾波器處理，最后再使用ADC模塊收集信號(hào)。

運(yùn)動(dòng)信號(hào)刺激模塊中使用了MEMS（Microelectromechanical Systems，微電子機(jī)械系統(tǒng)）傳感器，采用3軸的加速度計(jì)和 3軸的陀螺儀采集到心電電極以及患者的運(yùn)動(dòng)信息，用于后續(xù)對(duì)電生理信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)偽像消除等處理。運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集使用MPU6050芯片，在MCU中使用I2C接口通信獲取運(yùn)動(dòng)信號(hào)。MPU6050是一款集成的MEMS傳感器，內(nèi)嵌了 3軸加速度和陀螺儀傳感器，最高采樣速率達(dá)到1kHz。

3.3服務(wù)端數(shù)據(jù)接入

服務(wù)程序分為用于數(shù)據(jù)收發(fā)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及提供 HTTP接口的數(shù)據(jù)查詢模塊三部分。在服務(wù)端使用TCP協(xié)議與終端通信，獲取終端采集的數(shù)據(jù)。在終端設(shè)備中按照預(yù)先設(shè)計(jì)協(xié)議把數(shù)據(jù)封裝成幀，而服務(wù)端同樣會(huì)按照相同的協(xié)議對(duì)字節(jié)流進(jìn)行分解成獨(dú)立的數(shù)據(jù)幀。服務(wù)端接收到數(shù)據(jù)后存入數(shù)據(jù)庫中，并提供了 HTTP查詢接口便于遠(yuǎn)程查看。

服務(wù)端與終端通過TCP協(xié)議發(fā)送網(wǎng)絡(luò)字節(jié)流數(shù)據(jù)通信，為了保證接收數(shù)據(jù)的正確性，終端發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)按照表 1的格式封裝成幀，一遍服務(wù)端校驗(yàn)和劃分?jǐn)?shù)據(jù)包，如表 1中所示，以幀頭、幀尾劃分一個(gè)完整數(shù)據(jù)幀，并提供數(shù)據(jù)長度信息，校驗(yàn)和用于判斷數(shù)據(jù)接收是否有誤。在數(shù)據(jù)內(nèi)容中，如果包含幀頭、幀尾等特殊的字符，為了避免誤讀需要把他們轉(zhuǎn)義為其他字符，轉(zhuǎn)義后通常由原來的一個(gè)字符變成兩個(gè)字符。轉(zhuǎn)義規(guī)則如表2所示。

表1　接收數(shù)據(jù)分幀結(jié)構(gòu)

表2　字符轉(zhuǎn)移

每一幀數(shù)據(jù)包含一組測(cè)量信號(hào)，每幀數(shù)據(jù)包括了心電信號(hào)、心音信號(hào)、加速度信號(hào)和陀螺儀信號(hào)，同時(shí)用 2個(gè)字節(jié)用于記錄采樣時(shí)間，以便記錄兩次采樣的時(shí)間間隔。他們數(shù)據(jù)幀中的順序和字節(jié)數(shù)如表3中所示。

表3　測(cè)量數(shù)據(jù)

4 設(shè)備評(píng)測(cè)與結(jié)果分析

圖2　心電心音聯(lián)合測(cè)量設(shè)備

圖2為測(cè)量設(shè)備實(shí)物圖，電路板大小約為45cm×65cm，適合放入襯衣口袋或者固定在腰帶上。其中心電電極需要額外的電極線連接到電極；運(yùn)動(dòng)模塊固定在心電電極處，并使用導(dǎo)線連接到板子上；心音麥克風(fēng)套入聽診器管中。

使用終端設(shè)備進(jìn)行了心電心音以及運(yùn)動(dòng)信號(hào)的測(cè)量，使用500Hz數(shù)據(jù)采樣率，且終端設(shè)備與服務(wù)器在同一個(gè)無線局域網(wǎng)中或其他網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量良好的情況下，服務(wù)端程序能有效接收到所有數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)庫中。

圖3展示了實(shí)測(cè)的心電（ECG）信號(hào)波形。

圖3　（a）實(shí)測(cè)ECG波形與（b）帶阻濾波器濾波后波形比較

圖4展示了實(shí)測(cè)的心音（PCG）信號(hào)波形。

圖4　實(shí)測(cè)心音信號(hào)

從圖3中可以看出，ADC模塊采集到的ECG信號(hào)波形上有較為明顯的50Hz工頻噪聲。使用帶阻濾波器能消除工頻干擾，獲得質(zhì)量較好的信號(hào)以支持后續(xù)處理。心音信號(hào)能夠清晰的分辨出第一心音（圖4中S1）和第二心音（圖4中S2），而第三心音（圖4中S3）和第四心音由于幅值較小且頻率低容易被低頻噪聲淹沒，難以分辨。

5 小結(jié)

本文提出了一種適合孕婦與胎兒監(jiān)測(cè)應(yīng)用、可實(shí)現(xiàn)心音心電同步測(cè)量的便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備方案，能夠支持長時(shí)間動(dòng)態(tài)測(cè)量并得到較高質(zhì)量的測(cè)量數(shù)據(jù)?；赪i-Fi的無線數(shù)據(jù)傳輸還能方便地將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端服務(wù)器，便于存儲(chǔ)、分析和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。心音和心電的同步測(cè)量能為醫(yī)生提供更全面的診斷數(shù)據(jù)，提升這一領(lǐng)域的監(jiān)護(hù)水平。

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Development of wearable ECG and PCG acquisition device

Ambulatory health monitoring of expectant mother and fetus could improve the availability of long-term monitoring, and improve the speed of emergency service. This paper present a design of wearable monitoring device based on ARM Cortex-M3 microcontroller, simultaneously acquiring electrocardiogram （ECG）, phonocardiogram （PCG） and motion information. This device transmits data to server via Wi-Fi module. Compare to the Doppler ultrasonography, our device can provide more information of physiological signal and safer measurement, so it’s useful for long-term dynamic health monitoring.

Physiological measurement; ECG; PCG; wearable device; fetal monitoring

TP3

A

1008-1151(2015)12-0015-03

2015-11-10

李思君（1990-），男，同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)樾盘?hào)處理；張偉（1975-），男，同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院副教授，博士，研究方向?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)、多通道生物醫(yī)學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)與處理；卜世?。?990-），男，同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)槎鄠鞲衅麽t(yī)學(xué)信號(hào)處理。