基于藍牙的便攜式心電監護儀的設計

賽客（廈門）醫療器械有限公司 黃藝聰

本文以藍牙技術為基礎，研究設計了一種便攜式心電監護儀，可實時處理與儲存心電信號，為患者提供動態心電變化情況，使用價值高，值得臨床廣泛推廣運用。

便攜式心電監護儀是一種新型設備，為心臟病患者提供了更多的便捷。傳統心電監護儀中，通信線纜將各種硬件裝置連接起來，并以串口電纜、互聯網TCP/IP協議將數據傳輸到服務器上，在一定場合中這一系統具有較強的適用性，但是復雜的連線在一定程度上影響了患者的日常生活，導致這一診斷只能夠在醫院開展，在一定程度上影響了患者的康復。針對這一情況，設計一種低功耗、高效率的無線傳輸技術尤為必要，可使得患者不再受線路的制約，可自由行動。藍牙技術具有組網靈活、微功率、抗干擾能力強等優勢，是無線醫療設備系統構建的關鍵。

1 基于藍牙的便攜式心電監護儀的設計要求

鑒于便攜性的要求，藍牙便攜式心電監護儀的設計需要考慮以下幾個基本要求：

（1）電池供電。由于便攜式心電儀為長時間隨身攜帶的儀器，在患者隨身攜帶時只能依靠電池供電。

（2）低功耗。因電池的供電量極為有限，因此系統設計要以低功耗為前提，保證系統的待機時間。

（3）數據存儲。需要具備心電數據存儲功能，存儲時間不小于24h，且數據應可導出與查看。

（4）通訊接口。需要具備數據傳輸接口，使測量數據通過數據傳輸接口傳輸到電腦，實現心電波形的顯示與回放。

2 硬件設計

2.1 系統硬件結構

系統硬件主要由心電模塊、數據存儲模塊、供電模塊、藍牙BLE模塊、MCU主控單元、報警模塊以及上位機組成。系統硬件的總體框圖如1所示。

2.2 心電模塊

由于心電信號較為微弱，頻率一般處于0.5～100Hz范圍之間，幅值處于10μV～5mV范圍之間，對此，需放大一千倍以上才能夠對心電數據進行分析。因工頻干擾等不良影響，會造成心電信號被噪聲所掩蓋，可使用儀表放大器實行差分放大，對共模干擾予以抑制，并適當地放大心電信號，同時可在電路中設計右腿驅動電路，強化整個電路抗工頻50Hz干擾能力，并同人體、放大電路構建成閉合回路，維持心電放大電路能夠正常運行。

圖1 系統整體框圖

傳統心電信號放大電路，大多采用多級運算放大器的分立元件組成，硬件調試繁瑣，信號易受干擾。本文采用全集成單導聯心率監護（ECG）芯片AD8232設計。AD8232是一款用于ECG及其他生物電測量應用的集成信號調理模塊，可以通過放大器來幫助獲得PR和QT間隔的一個明確的信號；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；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；內置一個放大器，用于右腿驅動(RLD)等受驅導聯應用；包含一項快速恢復功能，可以減少高通濾波器原本較長的建立長尾現象。AD8232的電源供電為2～3.5V，典型工作電流為170uA，超低功耗。AD8232是單導聯解決方案，它放大濾波處理一對兩片電極的差分信號，使用第三個電極作為右腿驅動，來抑制共模干擾。AD8232電路原理圖如圖2所示。

圖2 AD8232電路原理圖

2.3 藍牙BLE模塊

藍牙BLE模塊采用DX-BT22，內置NRF52832射頻芯片，支持藍牙BLE 4.2和5.0，自帶高性能ARM CORTEX-M4內核，并擁有UART、I2C、SPI、ADC、DMA、PWM等豐富的外設資源, 集成2.4GHz無線電收發器，在低功耗藍牙模式下擁有-96dBm靈敏度，支持數據傳輸速率1Mbps和2Mbps，供電電壓為1.7～3.6V, RX和TX(0dBm)的峰值電流僅為5.5mA，功耗非常低。藍牙BLE模塊使用串口與MCU主控單元通訊，MCU通過AT指令即可控制藍牙模塊的連接、斷開、數據傳輸等功能。

2.4 數據存儲模塊

為了實時存儲心電數據，采用Micro SD卡進行數據存儲。Micro SD卡功能兼容SD卡和Mini SD卡，其尺寸更小，更適合小型化的產品。MCU主控單元使用SPI接口與Micro SD卡通訊，可讀取或寫入數據。Micro SD卡工作在SPI模式，其控制接口共有6個引腳，分別是GND、VCC、MISO、MOSI、SCK和CS。

2.5 MCU主控單元

MCU主控單元采用STM32F103RB，為高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器，豐富的增強10端口和聯接到兩條APB總線的外設，包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：I2C、SPI、UART、USB和CAN等，MCU供電電壓范圍2.0～3.6V。

心電模塊的輸出信號第10腳OUT，輸入到MCU的12位ADC轉換器的通道0，以1KHz采樣率采樣心電信號。心電模塊的LO-和LO+分別接MCU的中斷GPIO口，作為心電極貼脫落檢測信號。

經過ADC轉換后的心電數據再經過軟件數字濾波后，實時保存到Micro SD中。若藍牙與電腦處于連接狀態，則心電數據通過串口發送到藍牙模塊，再傳輸到電腦端軟件顯示。

2.6 其他模塊

系統供電模塊采用18650鋰電池供電，電池電壓為3.7V，經過LDO穩壓后提供3.3V輸出給其他各個模塊供電；同時，系統設置有源蜂鳴器作為聲音報警系統，為了使蜂鳴器聲音盡可能大，采用SS8050 NPN型三極管集電極對蜂鳴器驅動，當心電極貼脫落時給予提醒。

3 軟件設計

系統軟件包含MCU軟件和上位機軟件兩部分。MCU軟件包含系統初始化、心電數據采集和心電數據傳輸三部分內容。

3.1 MCU軟件

使用C語言設計，使用IAR Embedded Workbench for ARM 6.4編譯環境，C語言程序相對較為簡單，移植性佳，可靠性高，成本投入低且系統維護較為便捷。

MCU使用串口與藍牙模塊通訊，調用STM32的串口初始化函數USART_Init()，設置波特率為115200，8位數據，1位停止位，無奇偶校驗。

MCU使用SPI接口與SD卡通訊，調用STM32SPI初始化函數SPI_Init()，設置為SPI主設備模式。SD卡在SPI模式下的典型初始化過程如下：復位卡（CMD0）；激活卡（內部初始化并獲取卡的類型）；查詢OCR（獲取供電情況）；是否使用CRC（CMD59）；設置讀寫塊大小（CMD16）；讀取CSD獲取存儲卡的其他信息（CMD9）；發送8個CLK后禁止片選。

心電信號屬于低頻微弱的信號，極易受到外界噪聲信號干擾，因此在進行系統軟件設計時，既要實現系統的基本功能，即對心電信號的采集、分析以及傳輸與顯示，又需要考慮心電信號的典型特征，對心電信號數據進行軟件部分的預處理等操作。

3.2 上位機軟件

采用C#語言編程，Visual Studio 2013開發環境，使用windows 10自帶的藍牙BLE控件Windows.Devices.Bluetooth開發。軟件運行流程為：搜索藍牙設備，連接藍牙設備，開啟接收監聽服務，接收藍牙數據并繪制波形圖，同時對數據進行存儲以便于回放查看。對于心電波形，其實就是電壓時間曲線V/t，把連續的電壓數據點按時間順序連成曲線即可。

結語：本文采用AD8232前端心電模塊采集心電信號，通過藍牙BLE傳輸，在電腦端顯示心電圖曲線。通過積極調試軟硬件，確保軟硬件能夠采集、傳輸、處理和存儲心電信號。不同于其他心電儀，這一便攜式心電儀以藍牙技術為基礎，體積小、功耗低，可無限傳輸數據，使得患者能夠對心電信號進行隨時隨地24h的動態監測，實用性較強。