可穿戴式醫療心電信號監測終端的設計

孫斌 何宏

引言

對心血管疾病的早期診斷和檢測一直是醫學界的研究的熱點問題。1957年Holter動態心電圖的發明，給心臟病疾病患者帶來了福音。在傳統的心電監測設備中，通常使用線纜來傳輸數據，線纜連接到專用的處理設備進行處理，患者需佩戴全套設備才可以接受監測治療。這些設備，在一定程度上提高了患者突發心臟病的檢出率。但是其體積與復雜度，限制了其在心臟病早期診斷的應用。隨著現代電子技術的發展與成熟，類似于心電信號的小信號的檢測傳感器集成度提高，為便攜式的心電監測帶來了更多的可能。 本文采用美國神念公司的BMD101芯片作為心電信號采集傳感器，并且通過nRF51822藍牙芯片技術將數據上傳到Android 或Windows上位機進行數據處理和心電圖顯示。可穿戴技術的采用，使得系統的體積大大減小，同時擁有友好的人機界面，符合現階段關于可穿戴設備的要求。同時在設計時充分考慮低功耗需求，在軟件和硬件層面聯合降低功率。

一、系統的組成與原理

可穿戴式心電監測終端的總體結構如圖1所示。分為傳感器模塊，藍牙處理器模塊，和上位機部分。人體心電信號通過兩片電極片采集后，經過低通濾波器消去運動或皮膚震顫產生的高頻干擾進入BMD101芯片。在芯片內部采集的模擬心電信號經過芯片內部的模擬前端，濾波，放大，模數轉換后進入數字處理階段。在數字處理中，將工頻干擾消除，并經過帶通濾波器，通過心率算法將心率算出后，原始的心電數據和心率將通過串口輸出。nRF51822芯片內部集成了MCU和藍牙模塊。采集的心電數據被串口讀取后，經過處理后在OLED上顯示出來，同時也會通過藍牙發送出去。在電腦或安卓手機的接收端接收了藍牙信號后，可將藍牙轉為串口讀出，將數據再次濾波處理并顯示出來。

二、硬件設計

2.1傳感器部分

弱電傳感器應包含，前置濾波，高增益放大，陷波濾波等部分。本文采用的BMD101是美國神念公司專為心電生物信號采集開發的片上系統，集成了模擬前端和數字后端，功能強大。其模擬前端集成高增益的線性低噪聲放大器和高精度模數轉換器，極低的系統噪聲和可控的增益使其可以采集微伏到毫伏級的生物信號。內置50Hz或60Hz陷波濾波器可對心電監測的最大干擾源工頻干擾進行過濾。而芯片的封裝僅為3X3mm。且無需外圍電路，特別適用于可穿戴式的設計。但由于是小信號處理，需對模擬地和數字低進行嚴格的區分以減小干擾。在電源部分加入PI型濾波以減小電源的紋波干擾。同時由于是穿戴式設計，佩戴者運動產生的高頻信號對信號的采集有較大的干擾，可在電極到傳感器間加入截至頻率100Hz左右的低通濾波器。電源部分電路和前端低通濾波器如圖2所示。

2.2藍牙處理器模塊

藍牙透傳具有低功耗，傳輸速度快的特性。nRF51822是Nordic公司生產的一款功能強大、高靈活性的多協議的超低功耗的片上系統 （Soc） ， 包含一個32位ARM Cortex-M0 CPU。非常適用于Bluetooth低功耗和2.4GHz超

低功耗無線應用。BMD101芯片串口發出的心電信號進過nRF51822芯片讀取后，根據神念官方提供的數據包解包方式進行解包。提取出心率數據，和512Hz的心電采樣數據。處理后通過SPI接口在OLED顯示器上顯示出來。同時串口數據通過藍牙轉發出去。nRF51822內部集成的DC-DC轉換器和ADC可以控制和檢測鋰電池電壓?？梢詫㈦姵氐膶崟r電壓情況反饋出來。在上位機中只需要將檢測設備作為藍牙串口讀取即可。

三、軟件設計

3.1下位機程序設計

下位機程序主要完成心電數據包解包，電源電壓采樣，OLED顯示，藍牙轉發。為了實現OLED顯示和電源電壓采樣使用了兩個定時器。定時器1按照刷新頻率刷新顯示心電波形，定時器2按照采樣頻率對電池的電壓采樣。心電數據解包按照給出的操作手冊，一步一步進行解包提取。其程序流程圖如圖3所示。

3.2上位機程序設計

上位機程序在Microsoft Visual Studio 集成開發環境下編程。其內部集成的豐富的函數庫和開發例程提供了友好的開發環境。在官方操作手冊幫助下，根據其提供的API接口即可方便的訪問USB串口。無需編寫復雜的硬件驅動。使得開發難度大大降低。在IDE中調用ThinkGear串口數據解析器API可對心電數據包進行解析。將解析出的原始數據通過Bresenham 算法以描繪直線的方法繪制出來即為ECG波形。根據簡潔易用的原則，設計了一款友好的的人機交互界面。功能涵蓋有串口選擇，實時心率顯示，ECG波形繪制，ECG數據存儲。

Andriod手機的上位機程序在android studio下開發完成。在ThinkGearSDK的幫助下，可以方便的對心電數據包進行讀取和解析，同時將串口得到的數據用SurfaceView繪制ECG波形圖。SurfaceView可以直接從內存或者DMA等硬件接口取得圖像數據，因此大大減小了系統設計難度。上位機效果圖如圖4和圖5所示。

本方案基于的BMD101和nRF51822均為低功耗高集成度soc。所需的外圍芯片很少，終端結合電池和電極片僅為10g。其采用80mAH鋰電池以512Hz采樣率可連續工作5天以上。硬件電路的周全考慮，將可能的噪聲降至最低，佩戴者可以在大多數情況下得到實時的心電監測。系統結構簡單實用，抗干擾能力強，可以適應于各種復雜情況監測。

參 考 文 獻

[1] 楊凱，叢林，胡文東，徐文濤，惠鐸鐸，宋博. 基于BMD101的嵌入式無線心電監測系統[J]. 電子技術應用. 2014（01）

[2] 余冠成，趙曉東，俞乾，張云鵬，陳驍，王守巖. 超低功耗智能移動心電監測設備[J]. 傳感器與微系統. 2015（03）

[3]NeuroSky.BMD101ProductBrochure-1_1[DB/OL].（2012-05-29][2013-07-4].www.neurosky.com.cn.

[4] NeuroSky， BMD101 Integration ReferenceDesign/Schematic [2012-06-14].www.neurosky.com.cn

[5] 岳蜀華，王美涵，郭飛，孟兆輝，白凈. 可穿戴式無線心電監測儀的研究現狀[J]. 生物醫學工程與臨床. 2006（04）

[6]無名士. nRF5182嵌入式系統智能手環設計[J]. 世界電子元器件.2015（06）