一种可穿戴式心电采集系统的设计

缪 洁,徐文龙,徐冰俏

(中国计量学院 信息工程学院,浙江 杭州 310018)

一种可穿戴式心电采集系统的设计

缪 洁,徐文龙,徐冰俏

(中国计量学院 信息工程学院,浙江 杭州 310018)

结合蓝牙4.0通信协议,提出了一种便携式心电采集系统的设计方法,其中包括了硬件电路和软件配置的实现过程.系统设计使用集成芯片ADS1293来代替传统的模拟采集前端,以利于避免信号传输时与外界噪声的耦合,减少外围器件,缩小体积.以Tiva Cortex M4为MCU,完成对ADS1293和蓝牙芯片CC2564的初始化以及它们之间的数据转换与传输.最后以蓝牙模块为发送端,Android设备为客户端显示心电数据,两者利用Socket机制进行蓝牙连接与传输数据.双导联的测量方式能在保证心电信号的准确性的同时简化使用步骤.这种小体积、易操作的设计方案为可穿戴医疗设备提供基础.

便携式心电采集系统;集成芯片ADS1293;双导联;可穿戴设备

心电测量是一项传统的医疗检测项目.随着无线技术的快速发展,越来越多的研究者致力于移动卫生保健,使得远程医疗系统依然是一个热点话题[1].蓝牙4.0是最新的蓝牙通信协议,它在BR/EDR(标准/增强速率型)模式的基础上,又加入了新的BLE(低功耗)模式,这使得它更加适合用于移动医疗设备的数据传输.

伴随着物联网的发展、网络的普及以及成熟的嵌入式微电子技术,基于物联网技术的面向家庭个人的小型化低成本低功耗的无线传感生命信息采集监控系统的实现成为可能[2].

本文将介绍一种便携式心电采集系统,它通过电极和导联从人体体表获得心电信号,经过处理后通过蓝牙发送到移动设备端.相较于常用心电检测仪,该系统利用智能手机代替嵌入在仪器上的显示屏,很大程度地缩小了体积.而蓝牙传输的方式省去了数据传输的线缆,增加了系统的灵活性,更适合人体的穿戴.它具有小巧、低功耗、无传输线缆、无需网络接入的特点.可适用于长期的心电监测、日常家庭检查以及野外身体状况的实时测量[3].

1 系统总体设计

图1 系统总体结构框图Figure 1 Block diagram of the system

如图1,以Tiva Cortex M4为核心,硬件系统由心电采集前端和蓝牙射频电路两大部分组成.其中,心电采集前端包含了模拟前端电路和数字信号处理.首先,用医用干电极和导联从人体体表获得心电信号,送入心电采集前端进行电平抬升、滤波放大、A/D等处理.然后,通过SPI接口将数字心电信号传输到MCU存储,再由UART串口把存储的数据发送给蓝牙模块.蓝牙模块收到的数据后,将其转换为调制信号,以无线的方式发送出去,而手机端则通过内置的蓝牙适配器,接收蓝牙模块发送的数据.利用后期APP处理并在屏幕上显示心电信号.

2 心电采集前端

心电采集的模拟前端是指将人体中微弱的生物电信号通过一系列处理后获得可送入单片机的心电信号的模拟电路模块.传统心电采集的硬件电路由输入缓冲、仪用放大、滤波放大、右腿驱动以及ADC组成.输入缓冲是为了匹配人体的高内阻,减少电极和皮肤接触阻抗引起的信号衰减;另一方面,它具有极低的输出阻抗,能够有效驱动后级电路.其基本原理为电压跟随器.仪用放大作为心电信号处理的第一级,它具有高输入阻抗、高共模抑制比、低温漂、低噪声的良好特性.一般来说,这级的信号放大倍数不宜过高,应控制在10倍以内来避免共模信号过大而影响仪用运算放大器抑制噪声的效果.由于便携式手持设备都由电池供电,不提供负压,同时也为了不丢失送入单片机的心电数据,需要在仪用运放的REF端加入一个电压为VCC/2的直流电平将信号的抬升至零伏和单片机供电电压之间.心电信号中带有肌电干扰和50 Hz工频干扰引起的噪声.因此需要对信号进行带通和带阻滤波.带通滤波电路的通频带0.5 Hz至100 Hz[4].滤波后的信号经过比例放大后即可送入单片机.右腿驱动的作用是取出仪用放大器中前置放大级里的共模电压,经驱动电路反相后加回体表以提高共模抑制比.

常用的生物电极是导电胶,但导电胶通常会使人的皮肤产生过敏反应,不适合长期佩戴,而干电极却恰好解决了这个问题[5-6].这里使用医用干电极和导联线从人体的体表获得微弱的心电信号.电极的合适位置时在胸部的左侧和右侧,也可以在左右手的手腕,但此时尽量保持双臂平行以使两路信号有相等的参考电位.建议连接左右胸的导联线相互缠绕,以减少空间磁场耦合的干扰.

随着手持式医疗设备的不断发展,各类高集成的传感器芯片也应运而生.ADS1293包含了如上文所述传统心电采集电路的所有功能,可满足便携式健康设备和低功率医疗设备的ECG应用,它使得医疗器械在朝着体积微小、低功耗和、低成本及可穿戴的方向发展中有了新的突破.

TI ADS1293有三个高分辨率的通道,采样率可以达到每秒25 600次,每个通道都可以独立编程,以获得特定的采样率和带宽.所有的输入管脚都与一个电磁干扰(EMI)滤波器整合,通过灵活的多路开关连接到任何一个通道.如此灵活的连接方式也使得电极脱落检测、右腿驱动和威尔逊/戈德伯格参考端在一个微小的空间内相互独立,不需要其他外部设备.获得的心电数据通过SPI串行接口发送到MCU.内置自我诊断的报警系统,所有的错误标记都可以在ALARMB管脚获得.

利用一个通道来实现双导联ECG的实例如图2.在该实例中,将右臂(RA)、左臂(LA)和右腿(RL)的电极分别连接到ADS1293的IN1、IN2和IN4引脚.利用ADS1293内部的共模检测模块以取IN1和IN2电压的均值的方式来测量人体的共模信号,并将这个信号输入到右腿驱动的反馈回路中.右腿驱动放大器的输出被默认引出到IN4,所以IN4引脚自然要连接到人体右腿的电极,来驱动人体的共模信号.ADS1293的时钟源由跨接在XTAL1和XTAL2引脚之间的4.096 MHz的外部晶振提供.图3为心电采集模块实物图.

图2 ADS1293双导联应用原理简图Figure 2 Principle sketch of double-lead ADS1293 application

图3 心电采集模块实物图Figure 3 Physical map of ECG acquisition module

3 蓝牙模块

BLE蓝牙的完整协议栈由应用层、Host层、HCI(host controller interface)层和Radio层构成,其中Radio层包含了链路层和物理层.蓝牙芯片是蓝牙模块的核心,它为整个蓝牙通信提供了硬件基础.蓝牙芯片通常集成了协议栈的射频(Radio)层,是HCI层的运行平台.HCI(host control interface)层为蓝牙模块和蓝牙设备(PC/移动设备)提供软硬件接口来实现数据的蓝牙传输.HCI的上层协议则运行在蓝牙设备上.

蓝牙模块主要完成蓝牙协议中HCI层以下层的功能,数据通过UART串口(主要是两条UART数据线和RTS、CTS流量控制信号线)传输到蓝牙芯片,蓝牙芯片将数据处理为调制信号再以无线的方式发送出去.与此同时,另一端有蓝牙设备在不断搜索蓝牙模块发送的连接请求,连接成功后便会接收无线数据,再将调制信号解调后获得所需要的数据.蓝牙芯片一般不带有内核,但也有例外,如nRF51822.对于一个只提供Radio层解决方案的蓝牙芯片,仍需要一个MCU与蓝牙芯片进行通信,来完成建立蓝牙链路、处理数据等功能.对于蓝牙来说,不断升级的协议栈,实质上是对于蓝牙Radio层的不断改进而引发的一系列更新.系统中蓝牙控制芯片使用的是TI CC2564,它为设计工作提供蓝牙4.0双模式(BR/EDR/LE)协议的解决方案.内置电源管理模块,可与电池直接相连,针对激活、待机和扫描的蓝牙状态添加关断和睡眠模式以减小功耗.

射频天线是蓝牙信号传输的关键组件[7].如图4,CC2564从BT_RF引脚发射单端射频信号,其物理基带时钟由低频晶振经过PLL锁相环倍频生成,内部功放为信号提供放大.FL1为蓝牙滤波器,C31用于匹配板载天线阻抗.设计中使用的是倒F型板载天线,如图5,它具有尺寸小,成本低的特点.

图4 蓝牙模块部分原理图Figure 4 Section schematic of Bluetooth module

4 电源管理

出于便携的因素考虑,一般选用可充电的纽扣电池作为整个系统的供电来源,再通过升压或降压电路来获得所需要的电压值.加入稳压电路可为整个系统提供合适的电源,也防止了工频电压中可能会产生的不稳定状态[8].对于ADS1293来说,它需要5 V和3.3 V两个供电电压,其中5 V用于模拟信号回路,3.3 V用于数字信号回路,两个回路的地用磁珠分隔,这样做可以有效抑制信号间的串扰.除此之外,当系统进入待机模式时切断模拟电路的电源,进一步降低功耗[9].同样,对于蓝牙芯片CC2564,虽然只需要1.8 V供电电压,但仍需要区分时钟回路和信号回路.

5 软件配置

5.1 ADS1293的软件配置

以图2为例,双导联ECG应用下,ADS1293的初始化过程由以下几个步骤组成:

1)设置地址0x01=0x11:将通道A的仪用运放同相端连接到IN2,反相端连接到IN1.

2)设置地址0x0A=0x03:使能输入引脚IN1和IN2的共模检测.

3)设置地址0x0C=0x04:选择右腿驱动放大器的输出连接到IN4.

4)设置地址0x12=0x04:使用外部时钟.

5)设置地址0x14=0x36:关闭未使用的通道B和C,避免信号干扰.

6)设置地址0x21=0x02:配置R2抽取率(数字抽取滤波器的抽取因子)为5.

7)设置地址0x22=0x02:配置通道A的R1抽取率为6.

8)设置地址0x27=0x08:配置DRDYB由通道A的ECG信号触发.

9)设置地址0x2F=0x30:启用通道A的LoopRead-back模式.

10)设置地址0x01=0x01:开启数据转换.

通过延伸CSB标准的16个时钟周期和读取DATA_LOOP寄存器,可在Loop Read-back模式下对数据进行流读取.在并不要求完整数据的情况下,利用流读取的方式访问Pace and ECG Data Read Back寄存器是非常有效的,可在CH_CNFG寄存器中选择要读取的通道.在流读取的模式下,CSB的时钟周期须延伸为8×(1+N)个,其中N是某个通道数据源的字节数.数据源中通道的PACE信号数据占两个字节;ECG数据占三个字节;数据状态占一个字节.以双导联ECG应用为例,我们只读取通道A的ECG数据,则取N为3.这三个字节分别为一个24 bit数组的高位、中位和低位,它们共同组成了一个心电数据,所以在数据读取时必须保证从3n+1,n=0,1,2…个数据开始,避免数据遗漏和错误组合.

5.2 蓝牙传输的软件设计

在MCU上运行的软件实现蓝牙芯片的配置、链路的建立与管理,以及数据包的处理与发送.在蓝牙设备上软件主要是实现对数据的接收及后期处理.

BLE蓝牙是一种对数据传输速率要求不高的通信协议[10].它的实现灵活多变:协议的分层结构决定了系统的清晰度和任务切换的速率;数据的Buffer会影响系统的效率;数据包接收时轮询或中断的方式会影响系统的响应速度或打断任务进程从而降低了效率.

在进行蓝牙通信时,把便携心电采集模块的蓝牙作为主设备发送数据,把手机端的蓝牙作为从设备来接收数据.当两端蓝牙进行连接时,利用Socket机制相互收发数据.如图6,主设备端先对蓝牙芯片进行配置以完成初始化,再设置设备信息用于从设备蓝牙的连接认证;设置串口信息用于MCU和蓝牙芯片的UART数据的通信,此时主设备蓝牙等待连接.对于移动端,首先确认开启从设备的蓝牙功能,然后从设备蓝牙将会搜索其周围已开启的蓝牙设备.这个搜索过程中,从设备蓝牙担任扫描者的角色以搜寻信息,用于获取设备ID与名称等信息,而这些信息将在手机的界面上以列表的形式显示,以供用户选择要进行连接的设备.在进行连接之前,从设备停止搜索,调用BluetoothSocket的Connect()方法实现连接,此时作为广播者的主设备监听到连接请求后,获取从设备的设备信息,并验证从设备发送的PIN码是否和自己的一致,核对无误后便可完成连接.验证不通过会直接结束通信,需要重新搜索.

图6 蓝牙通信原理流程图Figure 6 Flowchart of Bluetooth communication

在设计实现时需要注意,这个蓝牙连接是阻塞调用的过程[11],为了不影响主线程的畅通运行,蓝牙连接任务需要另外新建一个单独的线程来完成.在主、从设备完成连接后,便可以开始数据的传输了.

在BLE模式下,当从存储UART串口状态的寄存器返回挂起状态标识后,流量控制信号RTS高电平有效,蓝牙芯片不再从串口读取数据,并关闭蓝牙数据的发送,此时可判定为闲置状态.当满足闲置状态的条件时,MCU进入低功耗模式.低功耗模式下,关闭Timer 1系统时钟(该时钟用于RTOS,任务调度优先级最高,需要不断运行的高速时钟方案),使用辅助时钟ACLK触发中断,每隔1 ms唤醒处理器,消耗功率,使得MCU在正常处理任务时有更大的时间间隔处在睡眠模式下(SCG1+SCG0+CPUOFF)而降低功耗.

6 结 语

图7为心电模块采集体表信号通过蓝牙传输至手机端显示的波形.

图7 手机端心电波形显示Figure 7 ECG waveform display on mobilephone

本设计采用模拟前端集成芯片ADS1293从体表采集心电信号,以数字信号的方式输出到MCU,增强了信号的抗干扰性.只需要三条导联线连接到体表,操作简单易行,适合日常检查.利用蓝牙无线传输代替传统线缆将数据发送至接收设备,大大提高了便携性和灵活性,并且BLE模式下的低功耗特性能延长电池的工作时间,适合病人穿戴和长时间监测.进一步设计可利用移动设备如手机、平板等上的应用程序,结合云服务,将用户的心电数据上传,建立数据库,为远程医疗奠定基础.这种可穿戴设备、手机/平板APP和云服务的结合正在挑战着传统医疗电子市场.

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Design of a wearable ECG acquisition system

MIAO Jie, XU Wenlong, XU Bingqiao

(College of Information Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

A new method based on Bluetooth protocol version 4.0 was proposed to design a portable ECG (Electrocardiograph) acquisition system.This method included the introduction of hardware circuits and software configurations.The system used the latest integrated Front-ended chip ADS1293 to take place of the traditional analog pre-amplifier and acquisitions stage in order to avoid noise coupling and reduce the volume.The data transformation and transmission between ADS1293 and the Bluetooth chip CC2564 was accomplished through Tiva Cortex M4,the MCU.Finally,the connection and data transmission between the Bluetooth module and the Android device which was used for display by Socket. The double-lead measurement could simplify the use steps while ensuring the accuracy of the ECG data.This small volume and easy-to-operate design provides the basis for wearable medical devices.

portable ECG acquisition system; integrated chip ADS1293; double-lead measurement; wearable devices

1004-1540(2015)03-0305-06

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.03.011

2015-05-10 《中国计量学院学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

缪 洁(1991- )，女，浙江省宁波人，硕士研究生，主要研究方向为医疗仪器与生物医学信号处理等. Email：y_s_p_y@163.com 通讯联系人：徐文龙，男，教授.Email：wenlongxu@cjlu.edu.cn

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