張根選，石波，張賽，曹陽

1 蚌埠醫(yī)學院醫(yī)學影像學系，蚌埠市， 233030

2 深圳迪美泰數字醫(yī)學技術有限公司，深圳市， 518067

0 引言

據統(tǒng)計我國每年約有60萬人死于心源性猝死，90%以上心臟病急性發(fā)作發(fā)生在醫(yī)院外，發(fā)作后搶救的存活率不到1%?，F代醫(yī)學研究證明，心電圖異常出現的頻率和復雜程度，是預測心臟病急性發(fā)作或猝死的重要指標之一。也就是說，一般心臟病急性發(fā)作或猝死患者，在發(fā)病前1～2周內，都會有不同程度的心電圖異常，而及時捕捉到這些心臟病發(fā)作前稍縱即逝或是不易察覺到的異常，并及時采取有效的臨床措施，可以防患于未然?，F有的便攜式心電圖儀成本高、體積大、操作復雜，一般用戶在沒有經過專門培訓的情況下，難以正確使用。近幾年隨著電子技術的高速發(fā)展，可穿戴心電采集技術的研究成為熱門[1-4]，其主要形式有布帶式、背心式等，這些穿戴衣在使用和抗干擾能力方面還不是很理想。

本文針對目前便攜心電圖儀和可穿戴心電采集系統(tǒng)所存在的不足，提出一種用于移動醫(yī)療的微型無線心電傳感器(Miniature Wireless ECG Sensor，MWEsensor)，該微型無線心電傳感器采用單導聯(lián)方式，只需兩個電極，采集的信號經過一定的算法處理后，通過藍牙將心電數據傳輸到Andriod手機端顯示心電波形和心率，并可通過移動網絡隨時將心電數據發(fā)送給健康顧問或家人以實現對病人遠程監(jiān)護。該微型無線心電傳感器具有操作簡單、測量準確度高、抗干擾能力強、實時性好等特點，做到了人體長時間佩戴在胸部而不會有什么明顯不適的感覺，不會影響到人的正?；顒?，為家庭連續(xù)心電監(jiān)護提供可靠保障。

1 系統(tǒng)設計

1.1 總體設計

目前，大多數的心電采集系統(tǒng)都是由心電信號放大電路、心電信號濾波電路、模數轉換電路、心電信號處理電路等幾個各自分離的獨立模塊連接而成[5-7]，這種方式構成的心電采集系統(tǒng)一般具有體積較大、重量較重，成本也比較高等缺點。本文所設計的微型無線電傳感器主要由心電采集處理模塊（該模塊集心電放大、濾波、模數轉換和信號處理于一體）、超低功耗藍牙傳輸模塊、電源管理模塊三部分構成，如圖1所示。由Ag/AgCl 一次性心電電極片采集的人體心電信號經過兩根很短的導聯(lián)線送到心電采集處理模塊內部進行放大、模數轉換、濾波、計算處理后經串口再由藍牙傳輸模塊將心電數字信號無線傳送至Andriod手機端即可完成心率及心電波形的顯示、存儲等功能。

圖1 系統(tǒng)總體結構框圖Fig.1 Block diagram of the system

1.2 硬件系統(tǒng)設計

1.2.1 心電模塊設計

本文的心電采集處理模塊采用美國神念科技公司的生物信號檢測和處理芯片BMD101。BMD101芯片的模擬前端（AFE）由高通濾波器（HPF）、可變增益低噪音放大器（LNA）、16位高精度模數轉換器（ADC）和一個檢測感應器脫落的電路(Sensor-Off)構成，能夠有效地檢測到人體μV到mV級的微弱心電信號。BMD101芯片的系統(tǒng)管理單元，主要實現整體系統(tǒng)配置、內外通訊、專有算法計算和電源管理等功能。在BMD101芯片內部還固化了一個數字信號處理模塊(DSP)來加速對系統(tǒng)管理單元監(jiān)控下的50 Hz(或60 Hz)工頻數字陷波器和截止頻率為100 Hz的數字低通濾波器的計算。該心電采集處理芯片表面積只有3 mm×3 mm，供電電源的電壓范圍為2.5 V～3.6 V，典型值為3.3 V，正常工作狀態(tài)芯片總電流不超過 0.8 mA。BMD101芯片內部結構如圖2所示。圖3為BMD101在本文中的應用電路。

圖2 BMD101內部結構框圖Fig.2 Block diagram of BMD101

圖3 BMD101應用電路Fig.3 BMD101 application circuit

1.2.2 藍牙傳輸模塊設計

藍牙傳輸模塊采用基于藍牙4.0BLE設計的HJ580DA14580透傳模塊，該藍牙傳輸模塊使用德國Dialog的DA14580作為主控制器芯片，具有內嵌16 MHz 32位ARM Cortex M0TM處理器、支持多個數字接口，具有重量輕、超小尺寸(5 mm×6.2 mm)、超低功耗(平均工作電流1.5 mA，最大5 mA)等特點。特別適合應用在對體積和高度有特殊需求的，如智能手環(huán)、藍牙手表等智能穿戴式設備中。該藍牙傳輸模塊默認狀態(tài)為透傳模式，模塊可以從串口一次性最大接收256個字節(jié)的數據包，模塊在接收到串口數據后，會根據是否處于連接并發(fā)出使能通知，自動將數據分包發(fā)送出去。在本文中心電采集處理芯片將心電數據通過異步通信的方式傳送該藍牙傳輸模塊，藍牙傳輸模塊收到心電數據后再將數據無線發(fā)送到Andriod手機，使用時為了和心電模塊BMD101實現串口異步信號傳送，需將該藍牙傳輸模塊串口的波特率設置為57 600 bps。在本文中的應用電路如圖4所示，藍牙傳輸模塊的10腳為串口數據接收端與EMD101的5腳相連。

圖4 藍牙傳輸模塊電路Fig.4 circuit diagram of Bluetooth module

1.2.3 電源管理模塊

為了減小微型無線心電傳感器的體積，本文使用一片CR2032 紐扣電池為心電采集處理模塊和藍牙傳輸模塊提供工作電壓。為了保證微型無線心電傳感器供電電壓的穩(wěn)定性，這里使用了德州儀器公司的升壓降壓轉換器芯片TPS63001，該芯片除集成了升壓與降壓兩種功能外，還包括開關FET、補償與保護功能等，且只需很少的外圍部件即可保證正常工作。該穩(wěn)壓電源芯片輸入電壓范圍為1.8 V～5.5 V，采用3 mm×3 mmQFN封裝形式。在本文應用中將TPS63001穩(wěn)壓芯片輸入端接3 V的CR2032紐扣電池，利用該芯片的升壓功能使電源管理模塊輸出電壓穩(wěn)定在3.3 V，為心電模塊和藍牙傳輸模塊提供工作所需能量，在本文中的應用電路如圖5所示。

1.3 軟件系統(tǒng)設計

由于心電采集處理芯片BMD101串口輸出的心電數據是經過神念科技公司專利算法處理后的含有心率、心電數據等數據包，因此本文省去了下位機的軟件編程工作，只需在上位機應用程序中對心電數據包進行解析使用就可以了。

圖5 電源管理模塊電路Fig.5 The circuit diagram of power module

上位機應用程序即Andriod手機端[8]的應用程序主要完成微型無線心電傳感器的藍牙與手機藍牙的通信、根據接收的心電數據實時地繪制心電波形、心率顯示、心電數據的存儲等功能。本部分采用Andriod4.3版本和Eclipse工具進行開發(fā)。主線程負責實時顯示心率和心電波形顯示，先將接收到的心電信號數據轉換成坐標點的表示形式存入到緩存區(qū)，然后應用程序再從該緩存區(qū)中依次提取數據點使用View控件來描繪出一個連續(xù)的心電波形圖使其顯示在一個二維坐標中。在微型無線心電傳感器與Andriod手機端建立連接后會開辟一個工作線程以完成心電數據接收和簡單處理。同時Andriod手機端應用程序還采用File方式將采集到的心電數據存儲在手機端的SD卡中。

2 實驗結果

本文設計的微型無線心電傳感器表面積只有1.5 mm×2 mm，重量僅為8 g，功耗為10 mW。使用時只需將本微型無線心電傳感器和它的兩個Ag/AgCl一次性心電電極片貼到胸部，打開藍牙和手機端軟件就可以接受到穩(wěn)定的心電信號和心率值。

為了驗證本文微型無線心電傳感器的測量的準確性，這里使用深圳迪美泰數字醫(yī)學技術有限公司的交互式生物醫(yī)學萬用信號源（iBUSS）對該微型無線心電傳感器進行了測試。iBUSS具有提供P-QRS-T波各項參數分別可調的合成正?；虍惓Ｐ碾娦盘柕墓δ埽疚氖褂胕BUSS合成了5組參數各異的心電信號作為微型無線心電傳感器的輸入，對手機端輸出的心電信號測量、分析，結果如表1。眾所周知，目前醫(yī)院打印的心電圖，人眼所能準確分辨橫軸代表的時間最小單位是40 ms，人眼所能準確分辨縱軸代表的電壓幅度最小值為0.1 mV，由此可見，本文設計的微型無線心電傳感器造成的心電參數誤差是不會影響對心電圖的正確判斷的，完全可以勝任對漏博、停博、心動過緩、心動過速等心律失常疾病進行測量、分析、判斷。

表1 測試結果Tab.1 Test results

3 結論

本文設計了一種用于移動醫(yī)療的微型無線心電傳感器，該微型無線心電傳感器只使用兩根導聯(lián)線，一片紐扣電池供電，具有操作簡單、測量準確度高、抗干擾能力強、實時性好等特點，經過測試表明該微型無線心電傳感器能夠準確測得使用者的心率和心電波形，完全可以用來對心律異常的病人進行長時的貼身心電監(jiān)護。并且可以將本微型無線心電傳感器采集到的心電數據通過WIFI或3G/4G移動網絡連至互聯(lián)網發(fā)送個人醫(yī)生或醫(yī)院心電監(jiān)測中心站的數據庫。把常見心臟疾病的自動分析診斷功能嵌入手機端軟件中，實現常見心臟疾病的自動診斷、異常報警是我們下一步的工作目標。