穿戴式心電設備數據傳輸研究

周明璋，張庭旭，劉艷，張阿麗，張英，阿麗耶·麥提喀斯木，吳順華

新疆醫科大學 a.醫學工程技術學院；b.臨床醫學院，新疆 烏魯木齊 830011

穿戴式心電設備數據傳輸研究

周明璋a，張庭旭a，劉艷b，張阿麗b，張英b，阿麗耶·麥提喀斯木b，吳順華a

新疆醫科大學 a.醫學工程技術學院；b.臨床醫學院，新疆 烏魯木齊 830011

目的通過穿戴式心電設備數據傳輸研究，實現遠程醫療測量，實時監控人體心電數據，探索一條醫療檢測設備便攜化、智能化的醫療測量方法。方法該系統由心電采集部分，無線傳輸部分以及用戶智能手機組成。心電采集傳感器采集用戶心電數據，并通過無線傳輸模塊發送到用戶手機，手機接收無線傳輸的數據，并使用網絡將采集到的心電數據傳輸到指定醫院數據庫，從而對用戶實現遠程實時心電監護。結果該研究實現了心電測量設備的遠程化、便攜化，可以實時采集用戶心電數據并定時發送數據。結論該研究可以實時監測用戶心電，減少用戶住院觀察時間，并對建立用戶健康檔案有積極作用。

穿戴式；心電監測；無線傳輸；心血管疾病

引言

隨著生活節奏的加快，人體機能也在日漸衰退，心血管病的患病率、發病率及死亡率呈不斷上升趨勢，據我國衛生部數據中心統計，70%以上的心臟病用戶是在戶外或家中突然發生心臟急性事件，但是目前廣泛使用的心電測量儀器體積大，僅限醫院使用[1]，大大增加了患者住院觀察時間，另一方面，市面上的健康系統很多，但都只是記錄心率和運動里程的單機化服務，不具備與醫院交互的功能，穿戴式心電監測設備實現了心電測量設備的便攜化和無線化，實時采集患者心電數據[2]，按需發送到醫院數據庫，主治醫師可以隨時查閱，減少了患者住院觀察時間，有效投射了醫院醫療資源到患者身體上。

1 材料與方法

1.1 系統總體設計

穿戴式心電設備主要包括4個部分：心電數據采集器，數據傳輸部分、手機APP、醫院HIS系統。穿戴式心電設備工作方式，見圖1。

圖1 穿戴式心電設備工作方式

患者使用的心電監護設備，患者端設計尺寸小巧，功耗極低的，搭載紐扣電池控制在20 g以內，以方便佩戴。需要時可以用固定在患者身體上。無線傳輸模塊也搭載在單片機主板電路板上，實時采集用戶心電數據，通過藍牙或者其它無線方式傳輸到用戶手機，用戶手機通過手機網絡將心電數據發送給主治醫生，從而獲得適當的診斷結果與治療意見[3]。

1.2 心電數據采集

材料：醫用電極片、導電液、醫用心電傳感器，5 V/500 mAh max電池、Arduino單片機（深圳市世紀芯微電子有限公司生產）、AD8232芯片（深圳市默德軒電子有限公司生產）。

AD8232芯片應用廣泛，是全集成式單導聯ECG前端，低電源電流170 μA(典型值)，使用2個或3個電極配置，高信號增益（G=100），帶DC阻塞能力。2極點可調高通濾波器接受高達±300 mV的半電池電位，快速恢復功能減少了濾波器的建立時間，3極點可調低通濾波器，帶可調增益和導聯脫落檢測，集成右腿驅動放大器。單電源供電電壓為2.0～3.5 V，集成基準電壓緩沖器產生虛擬地軌到軌輸出。AD8232采用雙極點高通濾波器來消除運動偽像和電極半電池電位。該濾波器與儀表放大器結構緊密耦合，可實現單級高增益及高通濾波，從而節約了空間和成本。AD8232芯片采用一個無使用約束運算放大器來創建一個三極點低通濾波器，消除了額外的噪聲。用戶可以通過選擇所有 濾波器的截止頻率來滿足不同類型應用的需要。AD8232芯片引腳配置，見圖2。將2號、3號和5號引腳與人體左胸，右胸和右下腹位置上的傳感器連接，OUTPUT引腳輸出心電信號。

圖2 AD8232芯片引腳配置

AD8232芯片用于測量心電的電路，見圖3。

圖3 AD8232芯片用于測量心電的電路

Arduino單片機具有硬件可擴展性，開發者可以根據實際需求進行擴展，而且編程語言簡單，對于醫學背景的人來說也能快速學習，由于心電信號由皮膚電極取自人體表面，信號弱，加上周圍的電磁干擾，為了簡化心電信號提取電路，選擇成品心電檢測芯片AD8232芯片[4]，且芯片已經焊在基板上，可以直接連接I導聯心電圖電極線測定心電信號[5]。AD8232芯片搭配相應的外圍電路，具有在運動狀態下提取、放大以及過濾微弱生物電的作用，使得后級A/D轉換器可以輕松采樣該芯片的輸出信號，該芯片集成了儀表放大器、運算放大器、右腿驅動放大器以及導聯防脫落檢測等電路，按照該芯片圍電路即可提取系統所需的心電信號[6]。成品AD8232芯片，見圖4。

圖4 AD8232模塊

1.3 無線傳輸模塊

數據傳輸模塊主要負責采集模塊與智能終端之間的數據交互[7]，信息傳輸分為3個層次：一個是傳感器與主板之間的信息交互；二是穿戴設備與用戶智能手機間的通訊，三是用戶手機與遠程交互設備之間的通訊。要通過體表的信號傳輸將信息匯集到主板上，使之成為與外界通訊的門戶[8]。無線傳輸無需介質，不受卡口和線路限制，比較普及的無線傳輸方式有IEEE802.11、藍牙、紅外等[9]，而將這些無線傳輸方式進行比較，IEEE802.11功耗較高，傳輸距離約為100 m左右，帶寬為54 Mb/s，穿透性強、成本高、穩定性高、普及性低；藍牙功耗較高，傳輸距離為10 m左右，帶寬為1～10 Mb/s，穿透性強、成本低、穩定性較高、普及性高；紅外功耗低，傳輸距離1 m左右，帶寬為1～10 Mb/s，穿透性低、成本低、穩定性低、普及性高[10-13]，藍牙在手機上的廣泛使用使該設備與智能終端間的聯系變得更加簡易，所以該設備采用藍牙模塊，使用BDE-BLEM901型號的藍牙模塊（廣州碧德電子科技有限公司生產），BDE-BLEM901是一款高性價比的單模低功耗藍牙模塊，主芯片為ARM Cortex-M0內核，功能強大，兼容藍牙4.0單模式；其超低功耗，在深度睡眠僅為2 μA；發射功率為-20～+4 dBm；接收靈敏度為-95 dBm；指令集豐富的尺寸為25.00 mm×11.78 mm×2.3 mm，兼容BQB、FCC、CE、RoHS認證，且價格實惠。模塊集成了微信和京東等互聯網巨頭平臺的對接協議，一個硬件產品可對接多款APP，極大的方便了開發應用。手機就能接收到來自單片機的數據，故而藍牙模塊也就成為整個設備中最耗電的部分[14]，所以它需要的電池容量也要大一些，可以持續工作很長時間。數據傳輸總體模塊架構，見圖5。

2 程序設計

本系統的軟件主要有主程序、定時器中斷程序以及實時心率算法程序3部分組成。主程序循環檢測是否有定時器中斷發生以及實時心率是否超出正常范圍；定時器中斷程序設定相應的時問進入中斷去讀取A/D轉換器讀取的心電信號數據后存儲在SD卡中；實時心率算法程序對A/D轉換后的心電信號數據進行分析計算出實時心率[15]。單片機作為電路控制核心[16]，若未檢測到則中斷系統并重新發送；傳輸驅動負責在定時器的預設時間內將保存的數據傳輸給用戶手機，程序流程，見圖6。

圖5 數據傳輸總體模塊架構

圖6 程序流程

當采樣頻率大于原始信號最高頻率的2倍以上，采樣之后的數字信號才能完整地保留原始信號中信息。由于心電信號中有用成分的最高頻率是100 Hz，采樣頻率必須在200 Hz以上才能確保心電信號的信息不被丟失，本系統采用200 Hz頻率進行A/D轉換器采樣，單片機需要0.005 s進一次定時器中斷，讀取相應的值。AD8232芯片集成了一個運算放大器，可用于提供額外增益和濾波。對于不需要高階濾波器的應用，一個簡單的RC低通濾波器應該就足夠了，運算放大器則可緩沖或進一步放大信號。

3 結果

3.1 電路指標

因為整個系統以Arduino UNO為基礎，故無法直接測量靈敏度、阻抗信息。系統使用DC 5 V供電，功率在待機時和工作時不同。使用電流計測試待機和工作時的電流，計算得功率值。由電流計測得待機電流為0.01 A，功率為0.05 W；由電流計測得工作電流為0.08 A，功率為0.4 W。

3.2 心率測試

分別使被測者原地站立和速跑100 m后接受心率測量，同時測量脈搏，比較設備在不同心率下的測試效果。被測者在原地站立狀態下，測定的心率分別為75、69、75、70和68次/min；實際脈搏分別為74、70、75、70和68次/min；被測者速跑100 m后，測定的心率分別為111、106、114、138和182次/min；實際脈搏分別為118、110、114、130和108次/min。

經過測試，被測者原地站立時設備實測心率的誤差約為±5；速跑200 m后實測心率誤差約為±8，有一次異常數據，分析其出現異常數據的原因可能是未能準確濾去雜波，致使實測心率過大，后經多次測量，出現實測心率與脈搏大幅不符的情況約占所有測試數據的5%。

3.3 無線傳輸測試

使被測者逐漸遠離電腦無線接收端，首先測試有效傳輸的無障礙直線距離。經過測試，該情況下10 m內傳輸數據不會有延遲和干擾。使被測者和電腦無線接收端之間隔1.8 m，并有一堵普通墻體。經過測試，可以隔墻傳輸信號，不會有延遲和干擾。

3.4 心電測量

采樣率即Arduino單片機每秒接收自AD8232采集的數據個數，其值等于1/單次采樣間隔。若采樣率過小，有可能無法精確采集到心電信號的波峰和波谷，導致測量不準確；若采樣率過大，會造成數據的冗余和存儲空間的浪費。根據采集到的模擬數據，處理后的結果，見圖8。

圖8 模擬數據處理后的圖形

4 結論

該研究設計了一套穿戴式心電設備，充分利用了目前流行的無線技術，通過無線數據傳輸模式進行設備的交互，可以實時采集單路心電數據。該系統輕便方便、穿戴舒適、使用簡單，用戶還需要安裝相匹配的APP，這樣就能方便就醫，輕松地讓醫生了解每一位用戶的情況，及時給予健康指導和建議[17]，而且在大數據時代，還能為用戶健康檔案的建立提供寶貴的第一手資料。當今，穿戴式技術已日漸成為各國的前沿科學，也將成為醫療行業的重要部分。

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Research on the Data Transmission of Wearable ECG Monitor

ZHOU Mingzhanga, ZHANG Tingxua, LIU Yanb, ZHANG Alib, ZHANG Yingb, Aliya·Matkasimb, WU Shunhuaa
a.Medical Engineering College; b.Clinical Medical College, Xinjiang Medical University, Urumqi Xinjiang 830011, China

ObjectiveTo explore a way to make the medical device small and intelligent via achieving remote medical measure and real-time ECG signal collection based on researching of wearable ECG transmission device.MethodsThis system included ECG collecting part, wireless transmission part and users’ phones. The ECG signal data collected and pre-processed by the ECG collecting part was sent to the users’ phone via the wireless transmission module. Additionally, these data was transmitted to databases in the specific hospital by network, which enabled to realize remote real-time heart monitoring on the users.ResultsThis research achieved the locomotive and easy-taken of the ECG collector, which could collect the ECG signal in real-time and send data timely.ConclusionThis research achieves collecting the ECG signal in real-time and send data timely, which helps users to reduce time in hospital. In addition, it also has a positive effect on establishing user health records.

wearable; ECG monitor; wireless; cardiovascular disease

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.12.013

1674-1633(2017)012-0057-03

2016-12-19

2017-03-12

新疆醫科大學大學生創新計劃項目（CX2016053）。

吳順華，教授，主要研究方向為信息系統與管理。

通訊作者郵箱：wushunhua@126.com

本文編輯 袁雋玲