一種生命體征信號采集裝置設計*

黃博強， 龐 宇， 彭良廣， 吳 優

(重慶郵電大學 光電信息感測與傳輸技術重慶市重點實驗室，重慶 400065)

0 引 言

心電信號作為人體的一項重要生理信號，是臨床上診斷心血管疾病的重要依據[1]。呼吸信號作為另一項重要的生理信號，通過對人體呼吸功能及狀況進行檢測,即可發現并預防呼吸道、肺部以及心血管等部位的病變。很多心血管類疾病在發病前期，心電與呼吸信號多處于異常狀態，若能及早檢測，便可作出相應的生理調節，以降低此類疾病的死亡率。因此，對心電、呼吸信號的檢測在醫療方面具有重要意義。

醫院使用心電圖機作為監測心電的常用儀器，以及睡眠呼吸檢測儀檢測睡眠時人體呼吸狀況，儀器操作復雜，且價格高昂，不利于信號的實時檢測，因此，研制一種可多場合使用，價格低廉的心電呼吸采集裝置意義重大。目前，部分高校與市場上開始出現一些便攜式生理參數監測裝置，例如集成多生理參數監測的終端設計[2]、穿戴式呼吸信號檢測裝置[3]，但一般的便攜式設備，很少具有同時檢測心電與呼吸信號的功能。

本文以低功耗芯片STM32L51CBT6作為處理器，結合心電呼吸采集芯片ADS1292R，設計了一種心電呼吸信號采集裝置，硬件端完成信號的采集和處理，通過無線傳輸將數據傳給手機端，應用程序(App)實時顯示信號波形。

1 總體設計

設計的生命體征信號采集裝置如圖1所示，采集部位為人體胸腔，采集方式為雙極胸導聯CM5方式[4～6]，通過導電硅膠和心電采集芯片采集心電、呼吸信號。原始信號傳入單片機處理計算后，體征信號(心電、呼吸)通過藍牙模塊發送給手機App進行實時顯示。

圖1 系統整體設計

2 硬件設計

裝置的硬件總體框圖如2所示，分為4個部分：主控模塊、心電呼吸采集模塊、電源模塊、藍牙模塊。

圖2 硬件框圖

2.1 主控模塊

主控模塊為單片機STM32L151CBT6及其外圍電路，其電路如3所示。主控芯片外接8 MHz無源晶振，為整個電路提供系統時鐘，BOOT0、BOOT1的設置，決定程序下載端口采用+3.3 V供電，SWDIO，SWCLK，GND四線SWD模式，STM32L151CBT6與ADS1292R通過串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)接口相連，ADS_RESET提供復位信號，ADS_START開啟SPI傳輸，ADS_DRDY作為外部中斷引腳，當接收ADS1292R的中斷請求時，該引腳電平被拉低，響應中斷并開始接收原始心電與呼吸數據，對其進行去噪處理后，按一定的數據格式，通過通用異步收發傳感器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)串口發送給藍牙模塊，藍牙模塊再傳給手機App進行顯示。

圖3 主控模塊

2.2 心電呼吸采集模塊

心電呼吸信號采集芯片為ADS1292R，使用兩導聯方式采集，如圖4為采集電路，ELA、ERA接兩電極傳感器(導電硅膠)，COM端接電極線內側的屏蔽線用于消除人體的共模干擾，原始心電呼吸信號經外圍一階微分電路濾除部分干擾，從IN1P、IN1N和IN2P、IN2N引腳進入ADS1292R，ADS1292R對采集的原始信號進行A/D轉換、放大，作為從機通過SPI_MISO、SPI_MOSI兩個數據引腳，以特有的幀格式將數據發送給主控模塊的單片機(MCU)，3B的幀頭、3B呼吸信號以及3B心電信號，組成每幀9B的數字信號[7]。每處理完一幀數據，向主機STM32L151CBT6發送請求，主機響應后進行數據傳輸。

圖4 心電呼吸采集電路

TPS73030DBV5為ADS1292R芯片提供模擬電壓ADS_AVDD，模擬地ADS_AVSS與數字地GND通過一個0 Ω電阻器進行轉換，有源晶振Y2輸出2.048 MHz，為采集芯片提供工作時鐘。

2.3 電源模塊

電源模塊由可充電電池、電池隔離與穩壓電路以及充電模塊構成，電池隔離電路采用了一個PMOS管SI2301，防止電池正負極反接時燒壞穩壓芯片，本文采用典型電壓3.7 V的鋰電池為采集裝置供電，通過撥動開關控制穩壓電路，由TLV70033DCK穩壓芯片輸出+3.3 V的工作電壓。

充電電路選用TP4057作為充電芯片，通過USB接口外接+5 V電源為電池充電，充電電流為256 mA。

2.4 藍牙傳輸模塊

藍牙傳輸模塊采用低功耗的BLE4.0模塊，工作頻段為2.4 GHz，調制方式是高斯頻移鍵控(Gaussian frequency shift keying,GFSK)，模塊最大發射功率為4 dBm，接收靈敏度-93 dBm。模塊的TXD,RXD引腳與主控芯片UART串口引腳連接進行通信，將接收的數據以無線方式發送給手機App， PIO13為模塊指示燈輸出管腳，可串接一個電阻器和一個LED指示燈，指示燈每2 s亮1 s，設備連接時，該LED指示燈常亮。

3 軟件設計

對單片機進行C代碼編程，編譯環境為keil μvision 5.10，由主控芯片完成心電和呼吸信號的處理，并對采集的數據進行傳輸。

程序工作流程如圖5所示。1)STM32初始化(配置時鐘、初始化SPI端口及UART串口)，初始化ADS1292R，給ADS1292R寄存器賦值，開啟全局中斷，等待ADS1292R的中斷請求(一幀數據轉換完成后由ADS1292R的DRDY引腳向主控芯片發出)。2)開啟SPI傳輸，一幀數據傳完成后，關閉全局中斷，主控芯片將接收的心電呼吸原始數據存入數組buff0；等待數據解析處理后(處理數據的時間為2 ms)，通過UART將心電呼吸數據發送至藍牙。3)再次打開全局中斷，重復以上步驟。

圖5 程序流程

4 信號預處理

4.1 心電信號處理

采集的原始心電信號，其成分中含高頻噪聲、50 Hz工頻干擾、基線漂移、肌電噪聲等[8]，因此，需要設計與之對應的抗干擾算法，高頻噪聲可設計0.03Hz有限脈沖響應(finite impulse response,FIR)數字高通濾波器去除，50 Hz陷波器去除工頻干擾，采用形態學濾波的方式濾除基線漂移[9]。圖6(a)為采集的原始心電數據，存在大量干擾，經過相應的算法去噪后可得到較為清晰穩定的波形，如圖6(b)波形所示。

圖6 處理前后的心電信號

4.2 呼吸信號處理

由于呼吸信號與心電信號采集時共用2個電極，因此采集的呼吸信號也會受到高頻噪聲干擾、50 Hz工頻干擾、基線漂移以及肌電干擾，而呼吸信號幅值和頻率與心電信號不同，因此,設計算法濾除高頻干擾時，采用40階FIR數字低通濾波器[10]，工頻干擾仍使用陷波器去除，中值濾波去除基線漂移。圖7(a)為采集的原始呼吸信號數據，波形存在很多的毛刺，這是一些高頻隨機噪聲引起的干擾，經過相應的算法去噪之后可得到較為清晰穩定的波形，如圖7(b)波形所示。

圖7 處理前后的呼吸信號

5 實驗驗證

單片機處理原始的心電呼吸信號，濾除干擾，在App上可得到清晰穩定的心電圖、呼吸波形，波形的特征點明顯。如圖8所示，采集時間段t的心電、呼吸信號。可通過特征點定位計算，心率和呼吸率等生理指標。由實驗可知，本裝置能夠采集較為可靠的信號波形。

圖8 心電和呼吸波形

6 結 論

設計了一種生命體征信號采集裝置，通過傳感器和生理信號采集芯片，在人體胸部采集原始的心電呼吸信號，采集方式容易實現、操作簡便。編寫的單片機程序能夠較好濾除原始生理信號中的噪聲，在App上顯示的心電呼吸波形比較穩定、特征點明顯，數據采用無線傳輸的方式，可完成信號波形的實時顯示，具有較好的用戶體驗。

[1] 劉 彬.心電信號特征識別及其在心血管疾病診斷中的應用[D].長春：吉林大學,2014.

[2] 陳帝良,方 震,趙 湛,等.集成多生理參數監測的終端設計[J].傳感器與微系統,2016,35(1):95-97.

[3] 周子健.可穿戴式呼吸信號檢測系統設計[D].廣州：廣東工業大學,2016.

[4] 葉玉玲,陳 訓.CM_5雙極胸導聯對無痛性心肌缺血的診斷價值[J].中國實用心電雜志,1996(2):93-94.

[5] 徐廷松,張 躍,楊 波.簡單快速實時R波檢測算法的研究[J].計算機工程與設計,2008,29(13)：3462-3464.

[6] 趙文哲,方 濱.心電信號中R波檢測方法的比較研究[J].生物醫學工程學雜志,2009,26(1)：55-58.

[7] 陳建鋒,孫 朋,林金朝,等.一種便攜式心電和呼吸信號采集裝置的設計[J].生命科學儀器,2015(6):31-35.

[8] 張 煜.可穿戴動態心電監護系統與心電信號處理方法研究[D].成都：電子科技大學,2014.

[9] 龐 宇,鄧 璐,林金朝，等.基于形態濾波的心電信號去除基線漂移方法[J].物理學報,2014,63(9):098701.

[10] 段 力,龐 宇,賀焱秋.基于數字濾波的呼吸信號去噪研究[J].數字技術與應用,2016(2):69-70.