賴汝楠， 劉洪英,3， 皮喜田,2

(1．重慶大學 生物工程學院，重慶 400030；2．新型微納米器件與系統(tǒng)技術國防重點學科實驗室，重慶 400030；3．重慶市醫(yī)療器械電子工程技術研究中心，重慶 400030)

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基于Android的手持式心電檢測系統(tǒng)設計*

賴汝楠1， 劉洪英1,3， 皮喜田1,2

(1．重慶大學 生物工程學院，重慶 400030；2．新型微納米器件與系統(tǒng)技術國防重點學科實驗室，重慶 400030；3．重慶市醫(yī)療器械電子工程技術研究中心，重慶 400030)

設計了一種基于Android平臺的手持式心電(ECG)檢測系統(tǒng)，其終端產(chǎn)品以小型、低功耗為目標。本文設計了兩種心電信號采集方式，一是采用BMD101心電芯片，通過左右手手指分別觸摸金屬電極實現(xiàn)心電信號的快速采集和實時顯示；二是設計了一種單通道、三導聯(lián)的導聯(lián)線采集方式，可以長時間精確采集心電信號并實時顯示。系統(tǒng)還包括相應的手機APP，手持式心電檢測儀通過藍牙將數(shù)據(jù)傳輸給手機APP，方便使用者實時查看，以及醫(yī)患交流。

心電檢測； BMD101芯片； Android平臺； 手持式

0 引 言

目前，心血管病患病人數(shù)快速增長[1]，已成為危害人類健康的一大殺手。心電(ECG)信號對于檢測常見心臟病，具有直觀快速、簡單實用、無痛無創(chuàng)的優(yōu)點[2]，心臟病人的突發(fā)性死亡在早期會表現(xiàn)出心電信號的異常[3]，若能及時發(fā)現(xiàn)就可以盡早預防以達到降低死亡率的目的。

對于社區(qū)和家庭使用者而言，大型的心電監(jiān)護儀價格昂貴、使用過程復雜，不適于日常使用[4]，而便攜式心電檢測儀價格便宜，體積小巧，易于操作，方便攜帶，在功能上完全可以滿足使用者的需求[5]。市面上很多心電儀可以實現(xiàn)導聯(lián)線的心電信號采集但無法快速采集心電信號[6]。

本文設計了一種既可以只通過手指采集心電又可以連接導聯(lián)線的手持式心電檢測儀，可以滿足使用者快速測量和長時間精確測量兩種需求。并且設計了基于Android平臺的手機APP，手持式心電檢測儀通過藍牙傳輸向手機APP傳輸數(shù)據(jù)，可以方便使用者隨時查看，及時向醫(yī)生傳輸數(shù)據(jù)咨詢。

1 系統(tǒng)結構設計

1.1 系統(tǒng)整體設計

手持式心電檢測整體設計如圖1所示。

1.2 手指心電傳感器模塊設計

為了能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量，采用BMD101心電芯片來快速測量使用者的心電信號，BMD101心電芯片是一種高性能生物芯片，主要由一個模擬前端電路和一個數(shù)字信號處理電路組成[7]。模擬前端電路主要包括低噪聲放大器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。BMD101芯片采集生物信號的功能十分強大，可以采集從μV到mV級的生物信號，并通過神念科技專有的算法來處理。

圖1 手持式心電檢測系統(tǒng)整體設計

圖2 BMD101芯片內(nèi)部結構

BMD101生物芯片有兩個信號采集點，可以通過金屬干電極進行二指測量，并可以檢測到導聯(lián)是否脫落，可以輸出使用者的心電圖、心率以及心率變異性(heart rate variability,HRV)等信息。

1.3 導聯(lián)線精準檢測模塊設計

為了能夠?qū)崿F(xiàn)長時間精準測量，可由傳統(tǒng)的肢體導聯(lián)的采集位進行采集心電信號。針對心電信號具有的特殊性、微弱性和易受干擾等特點[8]，設計了由前置放大電路、50 Hz雙T陷波電波、高低通濾波電路及后級放大組成的心電放大電路。

1)前置放大及右腿驅(qū)動電路模塊

由于心電信號直接取自于人體，信號采集的過程中不可避免地會混入各種干擾信號,要求前置放大器應具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、具有一定的電壓放大能力等特點，為此，選擇儀表放大器AD620。

為了消除強共模信號通過屏蔽層電容造成放大器輸出的影響，一方面要求電極(導聯(lián))線的屏蔽層不予接地，另一方面設計了自舉屏蔽驅(qū)動電路，采用緩沖放大器將連接點的共模電位驅(qū)動到屏蔽線，使引線屏蔽層分布電容的兩端電壓保持相等，從而消除了共模電壓由屏蔽層分布電容引起的不均衡衰減。 為了進一步提高前置放大器的共模抑制比和抗干擾能力，采用右腿驅(qū)動電路，如圖3所示，從根本上降低空間電場在人體上產(chǎn)生的干擾。

圖3 前置放大及右腿驅(qū)動電路

2)高、低通濾波模塊及50 Hz陷波器模塊高、低通濾波器采用壓控電源二階濾波器，電路及引入了負反饋和正反饋。當信號頻率趨于零時，由于電容的電抗趨于無窮大，因而正反饋很弱；當信號趨于無窮大時，由于電容的電抗趨于0，因而負反饋趨于0。由于檢測信號中存在的主要干擾信號有電極板與人之間的極化電壓,50 Hz工頻干擾,儀器內(nèi)部噪聲和儀器周圍電場,磁場, 電磁場的干擾等等,50 Hz的陷波器尤為重要。

3)后級放大模塊

對后級電壓放大器的要求為應該具有低噪聲、低漂移，且具有足夠大的電壓放大能力和一定的頻帶寬度，同時輸出具有比較大的動態(tài)范圍。所以電路采用低噪聲、寬頻帶集成運算放大器OP07構成的后級放大器。

圖4 導聯(lián)線測量模式使用示意圖

2 A/D轉(zhuǎn)換及藍牙數(shù)據(jù)傳輸

為滿足系統(tǒng)高性能、低功耗的特點，設計選用ATmega128單片機作為A/D轉(zhuǎn)換主控芯片。ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz,具有128 kB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，即RWW,4 kB的EEPROM,4 kB的SRAM,53個通用I/O口線,32個通用工作寄存器,實時時鐘RTC,4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器/計數(shù)器(T/C),2個USART,面向字節(jié)的兩線接口TWI,8通道10位ADC(具有可選的可編程增益),片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器,SPI串行端口,與IEEE 1149.1規(guī)范兼容的JTAG測試接口(此接口同時還可以用于片上調(diào)試)，以及6種可以通過軟件選擇的省電模式，完全滿足設計需求。

A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給藍牙模塊。設計選用BMX—03A藍牙模塊，為藍牙轉(zhuǎn)串口模塊，采用CSR BlueCore芯片，配置有8 bit的軟件存儲空間，支持AT指令，用戶可根據(jù)需要更改設備名稱、主從模式、配對密碼、串口波特率等參數(shù)，使用靈活。

3 系統(tǒng)軟件設計

本文基于Android平臺設計了一種心電檢測APP，主要由3部分組成：1)數(shù)據(jù)讀取，通過藍牙模塊接收和實時顯示終端設備采集到的心電信號，用于分析和處理。2)數(shù)據(jù)管理，用于存儲使用者的心電信息，用戶可以隨時回放和查看，并可以將心電圖發(fā)送給家屬或醫(yī)生查看。3)賬號管理，可以滿足不同使用者使用系統(tǒng)檢測和存儲心電信息。

3.1 心電檢測算法

由于系統(tǒng)應用場景為手持式心電系統(tǒng)，考慮到計算能力以及功耗的限制，盡量挑選計算相對簡單、實時性高的算法[11]。系統(tǒng)采用中值濾波實現(xiàn)去基線漂移，采用自適應相干模板法濾除工頻干擾。

QRS波群是心電信號波形變化最顯著的地方，含有較高的能量[12]，其對應波形的斜率變化較大且與其他波形相比有顯著地差異，所以使用差分法能很好地檢測出QRS波群。通過對濾波后的信號應用差分法并與由經(jīng)驗獲得的閾值相結合，確定出QRS波群的大致起始點，再利用窗口和閾值確定QRS波群的特征點。系統(tǒng)以一階差分和二階差分相結合的的算法檢測QRS波群，可以提高檢測精確度，并可滿足手持式心電檢測儀對于實時性的要求。

3.2 Android客戶端編寫

系統(tǒng)采用基于Android4.1的開發(fā)環(huán)境，包括藍牙數(shù)據(jù)接收、心電波形存儲、心電信號實時顯示以及用戶賬號管理等功能。

圖5 軟件運行流程

4 系統(tǒng)測試

為了驗證系統(tǒng)的可行性，制作了一款原理樣機。將設備裝入電池，打開手機客戶端，進行藍牙配對。配對成功后分別進行手指心電快速檢測，和導聯(lián)線長時間精準檢測。實驗數(shù)據(jù)可以實時顯示在手機客戶端，如圖6。

通過調(diào)試測試，心電采集放大電路具有低噪聲、高共模抑制比、高輸入阻抗、低漂移等特點，達到了心電信號檢測的要求，具有實用價值，能夠滿足所提出的性能參數(shù)指標，并且可以檢測到較好的心電波形，

圖6 手機客戶端心電信號顯示

5 結束語

本文介紹了一種基于Android平臺的手持式心電檢測系統(tǒng)，設計了兩種心電信號采集方式。一是采用神念科技的BMD101心電芯片，通過左右手手指分別觸摸金屬電極實現(xiàn)心電信號的快速采集和實時顯示；二是設計了一種單通道、三導聯(lián)的導聯(lián)線采集方式，可以長時間精確采集心電信號并實時顯示。測試結果表明：兩種采集方式可以滿足使用者不同的需求，使得心電檢測更加靈活方便。

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Design of handheld ECG detection system based on Android*

LAI Ru-nan1， LIU Hong-ying1，3， PI Xi-tian1，2

(1College of Bioengineering, Chongqing University,Chongqing 400030,China;2.Key Laboration for National Defense Sciece and Technology of Innovation Micro-Nano Devices and System Technology,Chongqing 400030,China; 3.Chongqing Engineering Research Center of Medical Electronics Technology，Chongqing 400030,China)

A handheld ECG detection system based on Android platform is designed,which terminal products trend to small,low power consumption.This system with two kinds of ECG signal acquisition methods are degined,one is the use of BMD101 chip,through the left and right fingers touch metal electrodes to realize the fast acquisition and real time display of ECG signal.The second is to design a single channel,three-lead gurdline acquisition method,can be a long time accurate acquisition of EGG signals and real-time display.The system also includes the corresponding APP,the portable ECG monitor transmits data to the mobile phone though Bluetooth,so that facilitate users can view in real-time and communicate with doctors and patients.

ECG detection; BMD101; Android platform; handheld

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0083—03

2016—08—19

國家科技支撐計劃資助項目(2013BAI03B04,2015BAI01B14)

TH 776

A

1000—9787(2017)07—0083—03

賴汝楠(1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向為心電與互聯(lián)網(wǎng)健康,E—mail:lai_runan@163.com。

劉洪英(1982-)，女，通訊作者,副研究員，碩士生導師，從事生物醫(yī)學微系統(tǒng)研究工作,E—mail:liu_hongying@163.com。

皮喜田(1976-)，男，教授，博士生導師，主要從事新型醫(yī)療儀器設備，醫(yī)療信息化與健康物聯(lián)網(wǎng)研究工作。