藍(lán)牙心電采集終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉照陽(yáng)，舒明雷，孔祥龍，單 珂，趙 凱

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)山東省計(jì)算中心(國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心) 醫(yī)學(xué)人工智能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014；2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，山東 濟(jì)南 250353)

0 引言

心臟類(lèi)疾病具有突發(fā)性和高危險(xiǎn)性，患者需要進(jìn)行有效監(jiān)護(hù)才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理病情。而現(xiàn)階段醫(yī)護(hù)用心電(electrocardiogram,ECG)監(jiān)護(hù)設(shè)備存在價(jià)格昂貴、移動(dòng)性差的不足[1-3]。因此，研發(fā)一種經(jīng)濟(jì)、便攜、操作方便的心電監(jiān)護(hù)終端迫在眉睫。近年來(lái)，嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展為開(kāi)展這類(lèi)研究提供了良好的技術(shù)條件。

本文設(shè)計(jì)了一款基于ADS1298的藍(lán)牙心電采集終端。以TM4C123GH6PM為核心控制芯片，設(shè)計(jì)了硬件電路；結(jié)合電路濾波以及無(wú)限脈沖響應(yīng)(infinite impulse response，IIR)、有限脈沖響應(yīng)(finite impulse response，F(xiàn)IR)數(shù)字濾波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了軟件功能。該藍(lán)牙心電采集終端通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)了心電數(shù)據(jù)傳輸。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文的硬件電路以TI公司模擬前端ADS1298芯片和低功耗32位單片機(jī)TM4C123GH6PM為核心，輔以藍(lán)牙、SD卡、液晶顯示屏等相關(guān)外設(shè)，以及電源電路、單片機(jī)復(fù)位電路、USB接口電路等外圍電路。

系統(tǒng)前端采集傳感器捕捉、獲取人體電信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)ADS1298進(jìn)行數(shù)據(jù)處理然后發(fā)送至主控芯片。通過(guò)對(duì)主控芯片相關(guān)接口和寄存器配置，實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的顯示、存儲(chǔ)以及藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU主控模塊

TM4C123GH6PM是德州儀器公司生產(chǎn)的32位微處理器，具有高效的信號(hào)處理及浮點(diǎn)運(yùn)算功能，同時(shí)集成了高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)和正交編碼器接口(quadrature encoder interface，QEI)功能，USB及 CAN2.0等通信功能，精密模擬信號(hào)處理功能(如模擬比較器和12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器)，并且延續(xù)了Cortex-M處理器低功耗、低成本和易使用的優(yōu)點(diǎn)。

控制器功能框圖如圖2所示。由圖2可知，該控制器提供了廣泛的應(yīng)用能力和外設(shè)支持，包括一個(gè)工作頻率為80 MHz的ARM Cortex-M4F微處理器內(nèi)核、系統(tǒng)控制及外設(shè)、多種內(nèi)部存儲(chǔ)器、模擬比較器及高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，ADC)，同時(shí)還集成了聯(lián)合測(cè)試工作組(joint test action group，JTAG)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議和串行線調(diào)試接口。除此之外，該控制器還包括一個(gè)專(zhuān)用的單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元(float point unit,FPU)，大大增強(qiáng)了其信號(hào)處理能力。

圖2 控制器功能框圖

2.2 前端采集模塊

本文采用TI公司的ADS1298芯片作為心電信號(hào)采集前端。該芯片是一款8通道24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的集成芯片，具有8個(gè)低噪聲可編程增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)和8個(gè)高分辨率ADC，每個(gè)通道功率僅為0.75 mW，輸入偏置電流為200 pA，共模抑制比為-115 dB，數(shù)據(jù)傳輸速率在250 SPS～32 kSPS范圍可調(diào)[4-7]。芯片內(nèi)置右腿驅(qū)動(dòng)放大器，威爾遜中心終端(Wilson central terminal，WCT)以及起搏信號(hào)檢測(cè)電路等，可持續(xù)進(jìn)行導(dǎo)聯(lián)脫落的檢測(cè)，具有集成的呼吸阻抗測(cè)量以及數(shù)字起搏信號(hào)檢測(cè)功能[8-10]。

2.3 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊選用低功耗CC2541芯片。該芯片優(yōu)化了2.4 GHz的應(yīng)用功率，集成了射頻(radio frequency，RF)收發(fā)器、增強(qiáng)型8051微控制單元(microcontrol unit，MCU)、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存存儲(chǔ)器、8 KB的RAM及其他外設(shè)。本設(shè)計(jì)選用該芯片，實(shí)現(xiàn)了與外部設(shè)備的交互，通過(guò)藍(lán)牙端口對(duì)接，進(jìn)行心電數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 電源模塊

該系統(tǒng)使用內(nèi)置電池供電，設(shè)計(jì)充電電路，通過(guò)USB接口提供5 V電壓為電池充電。由于主控芯片、采集前端、外圍電路所需的供電電壓不同，所以要采用電壓轉(zhuǎn)換芯片為不同模塊提供相應(yīng)的供電電壓。

在設(shè)計(jì)中具體采用3.8 V的充電電池供電，選用芯片BQ24090進(jìn)行充電電路設(shè)計(jì)，選取TPS73201穩(wěn)壓芯片分別為主控芯片及部分采集前端電路提供3.3 V及2.5 V的供電電壓，利用芯片TPS60403將電壓反轉(zhuǎn)，選取TPS72301為采集前端電路提供-2.5 V的供電電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊軟件

本設(shè)計(jì)軟件部分按照不同外設(shè)劃分為不同模塊，初始化配置、相應(yīng)外設(shè)寄存器及功能均在相應(yīng)模塊中定義。主控模塊根據(jù)功能需求通過(guò)不同接口進(jìn)行模塊的調(diào)用，其流程如圖3所示。

圖3 主控模塊流程圖

主控模塊通過(guò)串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)接口對(duì)ADS1298進(jìn)行采集模塊的參數(shù)配置以及相關(guān)功能指令的收發(fā)，從而控制心電數(shù)據(jù)的采集、處理。數(shù)據(jù)處理完成后，使用通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)接口接收；按需求協(xié)議格式保留心電數(shù)據(jù)，并調(diào)用LCD液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示心電波形。由于心電數(shù)據(jù)量過(guò)大，本設(shè)計(jì)中配有SD卡模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。主控芯片通過(guò)SPI接口對(duì)SD卡進(jìn)行初始化配置以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與提取。另外，主控芯片通過(guò)UART接口配置藍(lán)牙模塊，按照通用藍(lán)牙協(xié)議與外部設(shè)備交互。

3.2 采集模塊軟件

采集模塊上電后，首先進(jìn)行初始化配置，包括外部的參考電壓、功能寄存器配置以及讀寫(xiě)指令等功能函數(shù)定義。配置完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、處理、傳送，導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)以及QRS算法檢測(cè)等流程。

在數(shù)據(jù)讀取時(shí)，通過(guò)定時(shí)器設(shè)定每250 μs產(chǎn)生的中斷來(lái)獲取8個(gè)通道中心電樣本點(diǎn)，采樣頻率為500 SPS。通過(guò)中斷服務(wù)例程(interrupt service routine，ISR)發(fā)送相應(yīng)指令，在所選傳輸通道中獲取24位心電數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在壓縮至20位后分別依次進(jìn)行IIR濾波以及FIR濾波處理。其中，每個(gè)相同通道的數(shù)據(jù)讀取間隔為2 ms。在讀取數(shù)據(jù)的同時(shí)，會(huì)發(fā)出導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)信號(hào)，獲取各通道導(dǎo)聯(lián)狀態(tài)位。該狀態(tài)位與濾波處理數(shù)據(jù)一同進(jìn)行QRS檢測(cè)后，通過(guò)串口發(fā)送至主控芯片。采集模塊流程如圖4所示。

圖4 采集模塊流程圖

3.3 藍(lán)牙傳輸軟件

藍(lán)牙模塊流程如圖5所示。

圖5 藍(lán)牙模塊流程圖

本系統(tǒng)藍(lán)牙軟件設(shè)計(jì)采用狀態(tài)機(jī)模式，通過(guò)AT指令來(lái)配置不同參數(shù)、編寫(xiě)指令以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，根據(jù)狀態(tài)反饋判斷進(jìn)程，從而進(jìn)入不同功能節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)完成對(duì)藍(lán)牙寄存器及功能初始化定義后，依次對(duì)藍(lán)牙名稱(chēng)、配對(duì)密碼、波特率(文中默認(rèn)波特率為115 200 bit/s)進(jìn)行設(shè)置。按要求設(shè)置成功后，會(huì)有等待連接請(qǐng)求。只有配對(duì)請(qǐng)求通過(guò)，才可調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送指令完成數(shù)據(jù)傳輸。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

對(duì)本設(shè)計(jì)心電采集終端進(jìn)行全面的功能測(cè)試，使用藍(lán)牙將心電數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，并通過(guò)上位機(jī)顯示相應(yīng)的心電波形。

4.1 心電模擬器測(cè)試

連接心電模擬器進(jìn)行心電信號(hào)波形測(cè)試。圖6為模擬輸出正常成人心率為60次/min時(shí)的心電波形。其中：增量為10 mm/mV;心電圖走紙速度為25 mm/s。

圖6 心電波形(心率60次/min)

4.2 人體心電測(cè)試

按照12導(dǎo)聯(lián)心電電極連接方法連接人體測(cè)試，圖7分別為不同測(cè)試者心電波形。其中：增量為10 mm/mV;心電圖走紙速度為25 mm/s。

圖7 心電波形(不同測(cè)試者)

對(duì)比測(cè)試心電波形可知，基準(zhǔn)寬度下降后的波形幅值大于原波形幅值的75%。該信號(hào)輸出幅值差異標(biāo)準(zhǔn)滿足國(guó)標(biāo)YY-1079-20084.2.8.8中輸入信號(hào)的重建準(zhǔn)確度。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，對(duì)于便攜式心電設(shè)備，有許多種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和軟件算法，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)人體遠(yuǎn)程心電數(shù)據(jù)的釆集、傳輸及實(shí)時(shí)分析。本文設(shè)計(jì)的藍(lán)牙心電采集終端具有體積小、功耗低的特點(diǎn)，用戶操作簡(jiǎn)單，攜帶使用方便，能夠?yàn)閺V大心臟疾病患者提供及時(shí)、便捷的醫(yī)療幫助。