基于物聯網的可穿戴式動態心電實時監測終端設計與實現

【作 者】湯明，姚劍，陳澤寬，黃海，耿晨歌

1 浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院，杭州市， 310013

2 浙江銘眾生物醫用材料與器械研究院，杭州市， 310000

0 引言

心電圖檢測是一項常規且有效的心臟問題檢測項目，對于像心率失常等臨床心臟疾病的診斷及治療具有十分重要的醫學價值[1-3]。目前常用的心電圖檢測有靜態心電圖檢測（使用心電圖機）和動態心電圖檢測（使用Holter）。靜態心電圖檢測適用于患者到醫院在靜態平躺狀態下進行檢測，檢測的是30 s左右的心電圖，準確性高但往往不容易檢測到異常情況。動態心電圖檢測可以在院外對患者在正常生活狀態下進行連續24 h的心電圖檢測。動態心電圖檢測能夠較充分檢測到心臟的異常，提高對非持續性心律失常，尤其是對一過性心律失常及短暫的心肌缺血發作的檢出率，但也存在無法實時分析、不能自感標記、檢測過程繁瑣等不足。

基于移動物聯網的可穿戴式醫療儀器是當今的一個研發熱點[4-8]。本文提出了一種基于物聯網的可穿戴式動態心電實時監測終端，結合智能手機APP、云平臺和專業的讀圖分析軟件，該終端能夠實現24 h的動態心電信號實時采集、處理、無線通信、顯示與存儲，典型心律失常實時分析、記錄與報警、自感狀態標注、專業醫生實時讀圖與診斷，動態心電圖實時分享和云平臺自動分析診斷等功能[9]。

1 原理與設計

1.1 總體方案設計

如圖1所示，整個系統由用戶、監測終端、智能手機、云平臺、醫生讀圖端等幾部分組成。該系統通過電極導聯從人體體表獲得心電信號，經過前端采樣后送至主控模塊，主控模塊對心電信號進行分析診斷、數據寫卡等操作后，將數據通過藍牙發送至智能手機終端，智能手機終端不僅可以實時展示心電數據及心律失常事件，同時將數據通過Internet傳輸至遠程云平臺，醫生端可通過訪問云平臺獲取用戶數據，進行專業讀圖分析[10-11]。

圖1 系統總體框架示意圖Fig.1 System overall frame diagram

其中，本文重點關注監測終端的設計與實現。該監測終端的設計基于先進的移動物聯網和可穿戴式設計理念，采用高集成度低干擾的信號采集芯片、低功耗嵌入式處理系統、低功耗高速率的藍牙4.0無線通信等技術。

監測終端由如圖2的幾個模塊：主控模塊、心電信號前端模塊、存儲模塊、數據傳輸模塊、無線通信模塊、電源管理模塊等組成。其中，主控模塊實現對整個系統的控制；信號采集模塊實現心電小信號的調理、采樣，并通過SPI接口傳輸至主控模塊；TF卡模塊作為系統的存儲單元，用于存儲來自前端的心電數據以及分析處理后的心律失常事件數據；USB讀卡模塊通過HDMI接插件，對外提供了USB接口，方便讀取TF卡數據；BLE4.0藍牙模塊是監測終端對外提供的無線通信的接口，用于監測終端與手機終端之間的數據通信；電源管理模塊為系統提供穩定的電源供應，同時管理鋰電池的充電過程。此外，監測終端采用LED、蜂鳴器以及按鍵作為人機交互的接口，用于表征系統運行狀態并接收來自用戶的控制指令。

1.2 硬件設計

1.2.1 心電信號處理與采集模塊

心電信號具有如下特點：近場檢測，離開體表微小的距離，就幾乎檢測不到信號；通常比較微弱，至多為mV量級；屬低頻信號，且能量主要在幾百赫茲以下；干擾特別強，干擾既來自生物體內，如肌電干擾、呼吸干擾等，也來自生物體外，如工頻干擾、信號拾取時因不良接地等引入的其他外來串擾等。

圖2 監測終端模塊示意圖Fig.2 Monitoring terminal module diagram

前端模塊電路圖如圖3所示。TI推出的ADS1293有3個以高達25.6 ksps的速率工作的高分辨率（24位）的采樣通道，且體積小、功耗低（0.3 mW），滿足本課題的設計要求。信號輸出接口主要包括4線SPI接口、DRDYB引腳和ALRAM引腳。4線SPI接口用于與外部SPI主機設備進行數據通信；DRDYB為模數轉換結束引腳，ALARMB為報警引腳。

圖3 前端模塊電路圖Fig.3 Front-end module circuit diagram

1.2.2 主控模塊

主控模塊實現整個終端的控制，包括配置采集前端、SPI讀取前端數據、分析處理數據、存儲數據至TF卡、藍牙通信、控制人機外設等。復雜的控制處理邏輯、長時間的連續監測，要求主控芯片具有高速的計算能力、豐富的外設接口、節能低功耗等特點。本設計采用STM32F429/39系列芯片。該系列芯片基于最新的180 MHz的ARM Cortex-M4處理器內核，具有強勁的計算能力；提供最大2 MB閃存或1 MB雙區閃存，每種閃存內置256 kB RAM；同時提供了豐富的外設資源，如高速UART、SPI、SDIO等接口。

1.2.3 存儲模塊

本設計需存儲來自前端的心電信號波形數據，以及計算處理后的心律失常事件數據，連續監測24 h的波形數據量在百兆量級。快閃存儲器具有容量大、體積小的特點，滿足系統的設計要求。

TF卡一般都支持 SDIO和SPI兩種讀寫操作方式，所以可以選擇SPI接口或者SDIO接口驅動TF卡的讀寫。如圖4所示，本設計中主控芯片通過4線SDIO接口驅動TF卡，實現MCU對TF卡的高速讀寫操作。

圖4 TF卡驅動電路圖及USB讀卡器模塊電路圖Fig.4 TF card and USB reader module circuit diagram

1.2.4 數據傳輸模塊

為了便于外部USB主機設備讀取TF卡的數據，監測終端通過USB讀卡模塊，對外提供了USB接口。

如圖4所示，TF卡通過多路選擇器，復用至讀卡器芯片AU6465，由AU6465對外提供USB接口，方便PC設備通過標準USB接口讀取TF卡數據。

1.2.5 無線通信模塊

本設計通過無線通信將監測終端的數據傳送至智能手機，要求通信低功耗、低時延。BDE-BLEM201藍牙透傳模塊是基于TI CC2541芯片設計的兼容藍牙4.0低功耗（BLE）單模藍牙模塊。它將所有來自MCU的串口數據通過BLE無線信道透明傳輸給另一端設備。該模塊具有低功耗、低時延、快速開發的特點，滿足系統設計要求。

1.2.6 電源管理模塊

電源管理模塊為終端提供穩定的電源供應，同時管理鋰電池的充電過程。本設計采用小體積、高容量、可充電的鋰電池作為整個終端的供電來源。采用降壓/升壓穩壓器芯片LP5912Q3.3DRVRQ1，其輸入電壓動態范圍為1.6～6.5 V，穩壓輸出（3.3±2%）V，最大輸出電流為500 mA，滿足終端要求。采用電源管理芯片BQ24257，該芯片支持外部電阻器設定輸入電流限值、充電電流限值和輸入 DPM 電平。

同時，為了有效抑制信號間的串擾，將整個終端中的模擬電路部分和數字電路部分使用磁珠進行了隔離。此外，讀卡器模塊、前端模塊、藍牙模塊均采用三極管控制電源的通斷，進一步降低功耗。穩壓器電路圖及充電管理模塊電路圖如圖5所示。

圖5 穩壓器電路圖及充電管理模塊電路圖Fig.5 Regulator and charge management module circuit diagram

1.3 軟件設計

軟件設計采用分層、模塊化的的思想。各層分工如圖6所示。

圖6 軟件分層架構圖Fig.6 Software layered architecture diagram

軟件設計部分主要包括系統初始化、采樣、實時監測、在線查詢等。

1.3.1 初始化

系統初始化階段主要完成對前端采集模塊的配置。ADS1293提供了諸多控制寄存器，可靈活配置前端芯片的工作模式。在系統初始化階段，主控模塊通過SPI通信接口，操作ADS1293的寄存器單元，配置其工作模式。

1.3.2 采樣

主控模塊完成對ADS1293的工作模式配置并啟動后，ADS1293進入采樣轉換過程，并通過4線SPI、DRDYB引腳、ALARM引腳通知SPI主機設備讀取數據。DRDYB為模數轉換結束引腳，低電平有效。ADS1293工作流程圖如圖7所示。

圖7 ADS1293工作流程圖Fig.7 Work fl ow chart of ADS1293

1.3.3 實時監測

實時監測功能是動態心電實時監測終端提供的核心功能，實現用戶通過智能手機實時查看當前心電波形、心律失常事件等。當監測終端通過藍牙連接上手機并在其APP中確認開啟監測后，監測終端每采集滿1 s的數據，進行濾波、歸一化等處理，并計算當前心率及心律失常事件后，將心電數據及心率數據保存至TF卡，同時通過藍牙傳輸至手機端進行顯示。監測過程時序如圖8所示。

圖8 監測過程時序圖Fig.8 Timing diagram of monitoring

1.3.4 在線查詢

在線查詢過程時序如圖9所示。實時監測過程中，監測終端向手機端實時傳輸數據。除此之外，終端還提供了在線查詢的功能，手機端可以請求任意歷史時刻的心電數據及心律失常事件數據。手機端向監測終端請求歷史記錄列表，并從返回的歷史記錄列表中請求需要瀏覽的歷史記錄，監測終端返回歷史數據至手機端進行顯示。

圖9 在線查詢過程時序圖Fig.9 Timing diagram of online query

2 實現、測試與結果

設計的可穿戴式動態心電實時監測終端實物如圖10所示，其中圖10左為PCB樣片，右為最終樣機。

圖10 監測終端PCB樣片與最終樣機Fig.10 PCB and prototype of monitoring terminal

測試分兩步進行，分別為：生理信號發生器測試和人體佩戴實測。

2.1 生理信號發生器測試

生理信號發生器是信號發生器的一種，用于產生近似人體體表的生物電信號。測試中采用福祿克生理信號發生器（型號ProSim 2/3）。

測試中，生理信號發生器分別模擬產生正常心電信號、二聯律事件信號、三聯律事件信號，并送入監測終端，最終在手機上顯示的波形如圖11所示，上為正常心電信號，中為二聯律事件信號，下為三聯律事件信號，同時顯示當前心率信息、當前事件預警信息。

圖11 生理信號發生器信號波形Fig.11 Signal waveform of physiological signal generator

2.2 人體佩戴測試

在監測終端通過藍牙連接上手機后，可選擇進行實時監測或者在線查詢。

實時監測模式下，如圖12(a)所示，監測終端實時采集心電數據，并通過藍牙傳輸至手機，最終在手機上實時繪制心電波形，并顯示出當前心率信息、當前事件信息。此外，用戶也可通過“自感標記”按鈕標記當前的自感異常，方便后期對自感異常期間波形圖的快速定位，輔助讀圖診斷。

在線查詢模式下，如圖12(b)所示，手機端選擇查看的歷史片段，終端將相應的歷史數據傳送至手機端，并顯示該歷史片段的心電波形圖、該片段的心率信息、該片段的事件信息。

綜上所述，整套系統協調工作，完成了心電信號采樣、存儲、處理、通信、展示等功能。

3 結束語

本文采用可穿戴嵌入式設備、通過低功耗藍牙4.0與手機終端通信，設計并實現了一款動態心電實時監測終端，功能包括：心電信號采集、心電數據存儲、心律失常事件分析、藍牙通信等。生理信號發生器測試和病患佩戴測試均表明，設計的基于物聯網的可穿戴式動態心電實時監測終端的技術性能指標滿足醫用電氣設備檢測要求，能夠滿足家庭、醫院、養老院、戶外等諸多場所的需求。

圖12 手機端心電波形Fig.12 ECG waveform on phone

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