一種基于USB接口的數字心電傳感器

【作 者】石波，孔祥勇，馬小智，張根選

1 蚌埠醫學院醫學影像學系，蚌埠市，233030

2 上海理工大學醫療器械與食品學院，上海市，200093

一種基于USB接口的數字心電傳感器

【作 者】石波1，孔祥勇2，馬小智1，張根選1

1 蚌埠醫學院醫學影像學系，蚌埠市，233030

2 上海理工大學醫療器械與食品學院，上海市，200093

該文基于BMD101心電專用集成電路芯片設計了一種數字心電傳感器，使用時只要通過USB接口插到電腦或手機等上位機，即可在上位機上實現心電數據的顯示、報警、存儲及傳輸等操作。經過測試，該傳感器可以用于二聯律、期前收縮等心律失常問題的檢測。它成本低，體積小，使用方便，操作簡單，可以用于醫院外人群的心臟健康監護和管理。

心電圖；隨身心臟監護；傳感器

0 引 言

在全球范圍內，心血管疾病(Cardiovascular Disease，CVD)已經成為導致人類住院和死亡的主要疾病之一。據美國心臟協會(AHA)發布的《心臟病和卒中統計數據（2015版）》統計，全球每年有1 730萬人因CVD死亡[1]。隨著生活水平的提高、生活節奏的加快以及全球老齡化社會的到來，CVD的發病率將愈發上升。

心律失常是指心臟電活動的頻率、節律、起源部位、傳導速度或激動次序產生異常，是CVD中常見的、重要的一組疾病，可引起心悸、胸悶、頭暈等癥狀，嚴重者可出現暈厥，甚至猝死。心電圖檢查是目前臨床上診斷心律失常的唯一有效方法。但是，心律失常具有突發性和一過性的特點，等患者出現不適到醫院進行心電圖檢查時，癥狀可能完全消失，心電圖檢查一切正常。Holter是一種便攜式的心電圖記錄設備，可以24 h連續記錄病人的動態心電圖信息，能有效捕捉偶發性的心律失常，但是缺乏實時報警功能，而且價格昂貴，無法滿足個人隨時隨地的心臟健康監護和管理需求。

隨著電子技術的飛速發展，體積小、可穿戴、能隨時隨地進行心電監測的便攜式心電設備應運而生[2-4]。目前已經商業化的產品，如飛利浦公司的Digitrak XT Recorder、迪美泰公司的Dicare-m1CP、歐姆龍公司的HCG 801等。用戶利用這些設備測出自己的心電圖，通過無線或有線的方式與手機、電腦等設備連接，將心電圖數據發送到醫院或者健康服務機構，然后由臨床專家進行分析，并給出各種建議或診斷。這些便攜式心電設備，大都具有獨立的電源模塊和顯示模塊，相對來說，體積較大，使用也比較繁瑣，尤其是把數據從心電設備傳輸到手機或電腦等上位機，對于老年人來說，操作難度較大。本文設計了一種具有USB接口的數字心電傳感器（Digital Electrocardiogram Sensor, DeSensor），使用時只要將DeSensor通過USB接口插到手機或電腦等上位機，即可在上位機實現心電數據的顯示、報警、存儲及傳輸等功能。

1 系統設計

1.1 總體設計

心電采集系統的核心一般由模擬前端（AnalogFront End，AFE）、模數轉換器(Analog to Digital Converter，ADC)、微處理器（Micro Processor，MP）或者數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）等部分組成。傳統的AFE一般采用由儀表放大器集成電路（Integrated Circuit Instrumentation Amplifier，ICIA）組成的多級模擬電路來實現[3,5-6]。多級模擬電路需要使用較多的電子器件，不僅增加了電路的體積和功耗，同時也增加了電路的內部噪聲。隨著超大規模集成電路技術的發展，AFE采用專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）[7-9]成為一種發展趨勢。集成度高的芯片，不僅集成有AFE，同時還包括ADC、MP或者DSP、電源管理、無線收發模塊等。考慮到DeSensor使用的便攜性，本設計采用ASIC芯片；同時，由于DeSensor需要與手機或電腦等上位機連接，根據醫療器械安全法規，在設計中需要增加隔離模塊。因此，整個硬件系統主要由導聯線、心電ASIC、信號轉換模塊、隔離模塊和接口等部分組成，原理框圖如圖1所示。

1.2 硬件系統設計

1.2.1 心電ASIC

心電ASIC采用BMD101（NeuroSky，USA）芯片。BMD101是一款集心電信號采集和處理于一體的片上系統，體積僅3 mm × 3 mm，內置AFE、16 bit ADC、DSP、電源管理和時鐘模塊。AFE由低噪聲放大器和抗混疊濾波器組成。16 bit ADC可以有效地檢測微伏到毫伏級的心電信號并將其轉換成數字信號。DSP主要是完成各種數字濾波運算和心率(Heart rate，HR)的計算。BMD101芯片輸出心電信號的采樣率為512 Hz，信號帶寬為0.5 ～ 100 Hz。芯片使用3.3 V單電源供電，工作電流不超過0.8 mA。BMD101內部結構如圖2所示。

圖2 BMD101內部結構圖Fig.2 Block diagram for BMD101

1.2.2 信號轉換模塊

由于BMD101以串口的方式輸出心電和HR等數據，而目前的手機、電腦等最常使用的是USB接口。因此，需要設計串口到USB接口轉換電路。常用的串口轉USB接口芯片有FT232RL、PL2303、CP2014等，本設計選用FT232RL。FT232RL是一款高度集成的雙向RS232 - USB接口轉換器，其最大的優點是可以應用于各種上位機的操作系統。此外，FT232RL內置USB功能控制器、振蕩器等，應用電路設計簡單，只需外接幾只電容即可實現串口到USB接口的轉換功能。

1.2.3 隔離模塊

由于設計的DeSensor在使用過程中需要與手機、平板電腦、筆記本電腦等設備連接，為了保證使用者的安全，可以采用浮地形式，以實現人體與這些上位機之間的隔離，同時降低干擾。本文選用ADuM4160（ADI，USA）數字隔離器和F0505S（MORNSUN，China）電源模塊進行信號隔離及電源隔離。ADuM4160采用16腳SOIC封裝，內部集成了USB收發器、數字隔離通道、上拉與下拉電阻等；可以精確的驅動USB通信模式，不影響數據交換速率。F0505S采用SIP封裝、工作穩定、轉換率高達80%，直接耦合輸入與輸出電流，通過浮地接地，有效地抑制了漏電流的發生。

1.3 軟件系統設計

1.3.1 數據解析

BMD101的通信協議和NeuroSky的其他產品一樣，采用的是ThinkGear技術。BMD101的ThinkGear數據包主要包括信號品質（Poor Signal Quality，PSQ）、HR和原始心電數值（Raw Wave Value，RWV）。PSQ表示所測信號的噪聲水平，取值范圍為0 ～ 200。PSQ值越高，意味著噪聲越大。當PSQ為200時，表示傳感器脫離使用者的皮膚，只有當PSQ的值為零時HR才有輸出（每秒鐘更新一次）。RWV表示原始心電的采樣值。該變量由兩個字節組成，取值范圍為-32 768 ～ 32 767。在進行數據解析時，需要把第一個字節左移8位，再和第二個字節按位或，用公式可表示為：

其中，Value[0]為高8位，Value[1]為低8位。在一些位運算不方便的編程語言中，可以采用算術運算來實現。

1.3.2 上位機軟件開發

上位機軟件主要實現心電圖和HR的實時顯示及存儲、異常HR報警等功能，本設計采用C#編寫。C#繼承了微軟COM組件，簡單、穩定的特點，方便程序的編寫、升級與維護。為了提高程序的運行速度，開發中采用了多線程技術。

2 結 果

基于上述原理，設計了USB式數字心電傳感器DeSensor。為了驗證DeSensor的性能，使用iBUSS信號源（Dimetek，China）和Dicare-m1CP型心電記錄儀（Dimetek，China）進行了測試。

2.1 MIT-BIH ECG數據測試

美國麻省理工學院的MIT-BIH數據庫是國際上公認的三個主流心電數據庫之一，其中的心律失常數據庫已經成為一種驗證參照標準。iBUSS信號源支持MIT-BIH心電數據庫的下載。我們選擇MIT-BIH心電數據庫中的aami3a（二聯律）和aami3d（雙向收縮）兩個信號作為基準信號進行測試對比，結果如圖3和圖4所示。

圖3 aami3a測試波形Fig.3 aami3a test waveforms

圖4 aami3d測試波形Fig.4 aami3d test waveforms

從圖3和圖4可以看出，DeSeneor測得的波形與信號源產生的原始心電波形在趨勢上保持一致，可以滿足心律失常的判斷。

2.2 與Dicare-m1CP型心電記錄儀測試比較

Dicare-m1CP型心電記錄儀（Dimetek，China）信號帶寬可調，我們將其設置為和DeSensor相同的帶寬（0.5～100 Hz），使用iBUSS信號源產生的信號作為基準進行測試對比。iBUSS信號源可產生按照YY 1079-2008標準進行制定和擴展合成心電信號。選擇iBUSS中的增強型合成心電波作為測試信號，分別使用DeSensor和Dicare-m1CP型心電記錄儀進行測試，結果如圖5所示。

圖5 DeSensor和Dicare-m1CP型心電記錄儀記錄的波形Fig.5 Waveforms recorded by the Dicare-m1CP ECG recorder and DeSensor

從圖5可以看出，DeSeneor測得的波形與Dicarem1CP型心電記錄儀記錄的波形各波群間期一致，P波和T波幅值也一致，僅Q波、R波、S波幅值分別產生了約0.04 mV、0.07 mV、0.06 mV的誤差。對于一些需要心電圖波形精確分析的應用場合，如病理性Q波、破碎的QRS波等分析，DeSeneor可能無法滿足要求。但是QRS波幅值的差異并不會引起RR間期、PR間期、QT間期等間期的計算誤差，對于心臟節律異常的判斷影響不大，因此DeSeneor可以滿足醫院外人群心臟健康管理和監護的需求。

3 結 論

本文基于BMD101芯片設計了一種USB接口的數字心電傳感器——DeSensor，使用時只要將DeSensor通過USB接口插到電腦或手機等上位機，即可在上位機上實現心電數據的顯示、報警、存儲及傳輸等操作。經過測試，可以滿足心律失常問題的檢測。由于在DeSensor設計中所采用的BMD101芯片的信號帶寬為0.5 ～ 100 Hz，導致心電信號中直流和近直流成分（如ST-T段）失真較大，不能滿足心電P-QRS-T波群精確分析的要求，因此無法實現心肌缺血、心肌梗死等疾病的診斷。BMD101內置放大器的增益為128倍，ADC為16 bit，這種設計在一定程度上增加了系統的動態范圍，提高了抗干擾能力，但是進一步降低放大倍數，使用更高分辨率的ADC還是必要的。這樣可進一步增加系統的動態范圍，從而降低放大器的高通濾波截止頻率，使得如ST-T段等低頻信號的采集成為可能，從而可以滿足P-QRS-T波群精確分析的要求，為心肌缺血、心肌梗死等疾病的診斷提供更多有價值的信息。

本傳感器成本低，體積小，使用方便，操作簡單，可以用于醫院外人群的心臟健康管理和監護，具有廣闊的市場前景。開發不同應用平臺的上位機軟件，在上位機軟件上增加心率變異性分析、心電數據傳送、即時通信等應用，是我們下一步將要開發的功能。

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A USB-Based Digital ECG Sensor

【 Writers 】SHI Bo1, KONG Xiangyong2, MA Xiaozhi1, ZHANG Genxuan1
1 Department of Medical Imaging, Bengbu Medical College, Bengbu, 233030
2 School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093

electrocardiogram (ECG), mobile cardiac telemetry (MCT), sensor

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.01.012

1671-7104(2016)01-0041-03

2015-09-28

石波，E-mail: shibohome@qq.com

【 Abstract 】Based on the ECG-specific BMD101 integrated circuit chip, this study designed a digital ECG sensor. In practical application, users just need to connect the ECG sensor to upper computer (such as PC or mobile phone) through USB interface, to realize the functions including display, alarm, saving, transfer etc. After tests, They demonstrate that the sensor can be applied to the detection of arrhythmia, such as bigeminy coupled rhythm, proiosystole etc. Besides, the sensor has various advantages in monitoring and managing the heart health of people out of hospital, including low cost, small volume, usableness, simplicity of operation etc.