人體活動的微負荷監護系統設計

黃銀 陳浩

摘 要 目前老齡化已成為中國面臨的大問題，心血管疾病的發病率也變得越來越高，通過調查我們初步了解到，心血管疾病在我國病發率仍在持續增加，在五個成年人中就有一個患有心血管類的疾病。心血管疾病目前已經引起了大眾廣泛的注意，并得到了高度的重視。根據社會需求，我們研發一套包含監測分析、監護預警的心電監測設備則非常重要，其除具有心電監測之外，便捷攜帶性和易操作性決定了其設備是否能夠普及。

1 前言

依據目前的市場需要，研發了一套可以用來監測分析心電、防護預警并且可以長時間檢測和隨身攜帶的針對人體活動的微負荷的心電監護系統。此系統根據心電信號特征以及對采集系統基本參數的要求，設計了針對活動人體的微負荷的心電監護系統。心電采集發射部分和心電數據接收處理部分支撐著整個硬件系統。此系統由采集部分、發射部分、電源板塊、信號采集發射板塊組成，心電數據接收處理部分由數據處理模塊、信號接收模塊以及通訊模塊構成，并由PC機USB口供電。為此設計出一套功能齊全、使用便捷、攜帶便捷的心電監護系統會獲得廣大消費群體的喜愛以及很好的發展前景。

2 整體功能設計

根據信號特征和采集系統基本參數的基本要求，設計了針對活動人體的心電監護系統。心電采集發射部分和心電數據接收處理部分支撐著整個硬件系統[1]。由心電采集、發射單模塊、電源、信號采集處理板塊、信號發射板塊組成，心電數據接收處理單元由心電數據處理板塊、信號接收板塊、通訊板塊組成，并由PC機USB口供電。整體系統構造如圖1所示。

（1）心電機理

人體體液中存在大量氯離子、鈉離子等正負離子，由于細胞膜對于離子的通透性不同，使細胞膜兩邊產生了電位差，細胞膜對于不同粒子的吸收作用不同而產生了生物電。心臟是由大量的心肌細胞組成的，其中每個心肌細胞都相當于一個起電單位。當心肌細胞處于安靜狀態時，細胞膜內外兩側存在的電位差稱為心肌細胞的靜息電位。對于大多數細胞來說，細胞膜外電位為正、細胞膜內電位為負，電位差約為90mV，這種“外正內負”的狀態稱為極化狀態。而當心肌細胞受到神經遞質等因素的刺激而發生興奮時，處于興奮部位的膜電位會突然變化，通過改變離子通道將原來的“外正內負”狀態迅速變為“外負內正”狀態，但這種電位變化只是短時間的，經過短暫的變化，離子濃度會恢復原來狀態，膜電位自動變為“外正內負”的靜息電位，此過程稱為復極化。心肌細胞在不停地去極化、復極化過程轉換，這也就構成了心電信號。

體表任何區域都可以記錄到心臟的電活動。記錄心電流的方法是將電通過身體不同部位，將電極連接到心電圖信號采集器的正負兩極，微弱的心電流由導線進入信號采集器再返回人體，通過構成一個完整回路來對新電流進行接受和處理，處理得到直觀的圖形輸出，并在終端顯示出心電圖。

（2）人體心電的采集發射板塊設計

該系統由獨立電源供電、放大電路和濾波組成，A/D由聚合電池直接供電。超低靜態電流CMOS現行穩壓器ADP162提供nRF51822板塊的供電，模擬前端基準電壓基準電壓由TI公司提供，其特點為低漂移低功耗。由于心電信號為毫伏級弱信號，因此很容易受到外界環境的影響。易混合手機等電信號，并存在溫度漂移基準漂移等現象。由于心電信號內阻高，所以要求前置信號采集輸入端要具有高輸入抗阻，以此來減小誤差，因此我們通過在心電信號的采集心電流回路中串接高電阻來減小誤差，通過接受串聯電阻兩端的電壓信號來獲得心電信號[2]。

信號放大器的性能決定生物信號放大電路的采集模塊輸入特性，因此我們選用由ADI生產的AD8236儀表放大器。將積分器連接到AD8236的負反饋中，以此來組成的高通濾波器用以消除信號的基線、零點漂移。控制芯片是核心，選用nRF51822微處理器，該芯片優點為存在正常、空閑、掉電三種工作模式，對于低負荷設備來說具有極大優勢，并且nRF5182將雙模式無線模塊集成，其采用私有協議的射頻模式，其模塊目前主流芯片兼容，兼容通過藍牙低功耗模式與藍牙設備進行通訊。

（3）心電數據接收處理板塊

心電數據接收處理單元采用了嵌入式PDA設計，采用NXP公司LPC2400系列32位處理器，其是基于ARM1TDMI-S內核的。通過PDA進行中央處理的模塊設計具有界面美觀簡潔、靈活、操作性強等特點。基于ARM1TDMI-S內核的，編程采用內嵌式，較容易實現簡潔的界面設計。工具按鈕等軟件設計幫助實現心電信號的采集、顯示、保存的便捷性，并具有對波形進行縮放、移動和重放的功能。在完成無線數據的接收和分析之后，再通過USB將數據發送到LCD以做進一步的顯示。通過無線模塊接收數據并通過串口輸出，并將其傳給LCD。

（4）軟件設計

科室PC服務器采用性能適中的電腦即可，通過RS232與心電終端有線連接，一次對心電數據進行分析和儲存。PC端采用NI公司LabVIEW軟件及其附帶VISA驅動來操作，其整體程序如圖2所示。通過串口來接收3組8位帶標志位的數據，再通過標志位對數據分類和拼接。接收心電信號之后可以進行心電、心率實時顯示與圖像文件生成等操作；得到的心電信號圖像等文件可以通過Matlab等分析軟件對心電信號作進一步處理和分析，以此判斷人體健康情況從而實現疾病預防。

數據采集模塊主要是對電機從人體來的數據進行模/數轉換。首先初始化變量，然后進行模/數轉換。數據采集模塊軟件處理流程如圖3所示。

3 系統分析功能

當產品的信息搜集模塊手機、典型信號處理以及產品處理模塊構建完之后便可初步投入使用，我們通過在不同的測試者身上進行試驗，收集測試者在睡覺、工作、吃飯、運動等一系列活動時的心率情況收集起來，將分好類的心率信息輸入程序中，并對不同患者不同時間不同狀態下的心率進行分析歸類。當軟件收集到信息之后進行分析，這樣便可記錄使用者的活動情況以及分析出其健康狀況，并對患者做出相應的參考建議。

4 結論

如今社區醫院醫療蓬勃的發展，家庭監護設備有頗受大眾歡迎，在人們對移動低功耗便攜帶高精度的健康檢測設備的需求正在不斷增加，通過開發出一款能針對手機人體活動的微負荷心電監護系統并對健康狀態的評估，以此來防范突發心血管疾病的健康系統具有重大意義，因此本項目設計了一個有傳感、處理分析、通信三個低功耗板塊，通過整體上協調配合以進一步降低功耗的心電檢測分析系統，其方便攜帶、操作便捷，方便人們可以隨時隨地、方便快捷地查看自己身體的健康狀況，使人們生活得到保障。

參考文獻

[1] 阮榮灣.基于STC單片機的火災報警器設計[J].科技展望，2016，（6）：54.

[2] 秦志強.C51單片機應用于C語言程序設計[M].北京：電子工業出版社，2007：116.