基于智能终端的心电信号采集系统设计

吴建，庄晓蕾，李康，庞宇，李雅涵，孙朋

（1. 光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室，重庆 400065；2. 解放军309医院，北京 100091）

引言

随着社会的迅速发展，人口的增长和生活节奏的加快，处于亚健康状态的人群在不断增加，人们开始关心自己心脏的活动状况，希望可以根据日常的心电监护情况在心脏疾病爆发之前得到预警，或是在无法实现住院治疗的情况下了解自己心脏的健康状况[1]。目前市场上的监护仪大致分为两类，一类是依靠PC机进行数据显示和处理，体积较大且不方便携带；另一类是以单片机为核心，体积小、方便携带，但功能单一、数据处理能力较慢[2]。因此，设计适用于社区医疗和家庭保健的，能够实现实时、准确、连续、全面的采集人体的心电数据，获取心脏可能出现的病变状况的便携式心电监护装置就显得格外重要，同时也是临床诊断和治疗所必不可少的[3]。

现有的可应用于人体采集系统的无线通信标准主要有蓝牙（IEEE802.15.1）、红外IrDA（Infrared）、ZigBee（IEEE820.15.4） 、超宽带UWB（Ultra Wideband）和医疗植入通信服务MICA（Medical Implant Communication Service）等[4]，但其存在着无线辐射的安全性、无线漫游和无线网络成本高等不足。因此，所设计的系统将要采用的是体积小、使用简便灵活的USB 总线接口技术，其与移动电话、PDA等智能终端之间可以即插即用。而且选用智能终端不但能够记录现有的数据记录器所记录的病人的信息，而且能够将所检测的信息通过GPRS发送出去。这样，不仅有效地简化了心电信号采集装置与智能终端以及互联网之间的通信，而且提高了心电数据的传输速度和效率，从而能够实现对人体心电数据的实时监测[5]。

本文针对上述心电监护设备存在的不足，设计了一种基于智能终端的心电信号采集系统，该系统由前端心电采集模块和以智能终端作为波形显示、存储和心电信号处理的控制器平台组成。该系统具有体积小、功耗低、功能性强等特点，并且与一般采用单片机作为处理器的心电采集系统相比，该系统的功能更为丰富、数据存储量更大，更便于携带和方便使用。

1 总体设计

本文所设计的心电采集系统总体结构如图1所示，整个系统分为心电信号采集模块、微控制器模块、数据传输模块和智能终端处理、显示模块。人体心电信号，首先被与人体相连接的电极提取后，经由心电采集模块放大和AD转换变成数字量[6]，然后以MSP430为核心控制心电采集模块采集数据，并利用数据传输模块实时地将数据发送到智能终端，通过智能终端上开发的程序对心电信号进行预处理和实时显示。

图1心电采集系统总体结构图Fig1The overall structure of ECG acquisition system

下面重点介绍整个设备的硬件、软件、低功耗设计及初步实验结果。

2 硬件设计

针对以往监护仪在体积较大、不便携带、功耗高等缺点，如图2所示，本系统的硬件部分主要分为三部分：（1）基于ADS1292R芯片的前端采集电路；（2）基于功耗低且处理能力强的MSP430F1611芯片的控制电路；（3）基于FT232BQ芯片的数据传输电路。

2.1 心电采集模块

心电信号采集部分是整体硬件设计的核心，是数据的根源，所以它的稳定性都事关数据的准确性，从而决定整个系统的质量。因此，我们采用了专门用于采集心电的芯片ADS1292R，该芯片是集成了呼吸阻抗和ECG前端的2通道24位模数转换器，且增益可控；采样频率125Hz至8kHz可调；内置右腿驱动放大以及持续断线检测，并带有测试信号；采用SPI通信协议，兼容性高[7]，为高采样率的心电信号提供了解决方案，使得采集的数据更为可靠精确。

图2心电采集系统的硬件结构图Fig2Hardware structure of ECG acquisition system

ADS1292R芯片通过4线SPI接口和4个通用IO引脚与微控制器相连，即遵循SPI总线通信协议，其中SPI总线负责发送所收集到的心电数据、接收控制命令，及提供模块寄存器的访问。SPI总线包括四根信号线，即SCLK、CS、DIN、DOUT，其中SCLK是主设备时钟信号线，为发送数据和接收命令提供了同步时钟，同时还决定了实际通信的数据传输速率；CS为片选信号线，由主设备控制从设备的选择，优化了微控制器的外围资源利用率；DIN 和DOUT分别是数据输入和数据输出信号线。基于ADS1292R的心电采集电路如图3所示。

2.2 微控制器模块

考虑到便携式设备的低功耗要求，心电数据控制模块采用的是德州仪器（TI）的MSP430超低功耗微控制器系列的芯片MSP430F1611，该芯片的工作电压为3.3V，工作电流为110 μA，并具有5种低功耗模式。同时该单片机具备2个串行通信接口(USART)，可以设置成串口通信(UART)方式或者 SPI通信方式；另外还拥有12位AD转换、16位定时器及48K+256B闪存和10 KB RAM[8]。

微控制器模块是整个系统的控制中心，主要负责控制A/D转换和数据传输。对于单导联的ECG信号，微控制器利用12位AD转换器的一个通道进行采样，采样率为500Hz；利用芯片的串行通信模式将得到的数据发送到数据传输模块。

2.3 数据传输模块

人体心电信号采集系统的数据传输模块主要负责控制模块与智能终端之间的数据交互，以达到连续实时传输的目的。因此，采用具有并行FIFO的双向数据传输功能的USB芯片FT232BQ，其为MCU提供8位并行数据总线D0～D7和对于外部主机虚拟COM端口的标准串行总线。图4为数据传输模块连接电路图，数据传输模块与微处理器采用通用的异步收发器（UART）连接，即TXD 和 RXD 两管脚分别与 MSP430的 URXD0 和 UTXD0 相连，将所接收的心电数据通过OTG线的USB接口发送到智能终端。

图3基于ADS1292R的心电采集电路图Fig3Circuit Diagram of ECG acquisition based ADS1292R

图4数据传输连接电路图Fig4Circuit Connection Diagram of Data transmission

3 软件设计

心电采集系统的软件设计包括ECG信号采集、软件滤波以及实时显示和保存。

3.1 ECG信号采集

在人体心电信号采集系统中ECG的采集主要是通过前端心电采集模块的AD转换器，并利用微控制器中定时器产生时钟节拍中断来实现的[9]。首先，初始化系统时钟、SPI、UART等，然后配置一些寄存器，如时钟选择、变换模式、输出寄存器数据的传输速率等，最后通过SPI接口发送RDATAC和START命令开始ECG信号采集和进入无线循环等待中断。

3.2 ECG的去噪处理

心电信号虽包含丰富的病理信息，但其信号微弱、信噪比低，由于仪器本身或外界的作用容易导致所采集原始ECG信号包含大量干扰：人体的呼吸、电极与人体的阻抗发生变化以及人体肌肉运动会使ECG信号产生基线漂移；由电力系统及其他设备产生的工频干扰；由于人体某一部位遭受到刺激或者处在活动状态所造成的肌电噪声干扰，也属于高频干扰，这些干扰都会导致E基于智能终端的心电信号采集系统设计ECG信号发生变化，因此为了得到干净的波形，需要对原始信号进行预处理。

通过对各种去噪算法的仿真，采用IIR数字陷波滤波器去除工频干扰；为了减小处理器的计算量，采用FIR数字低通滤波器高频干扰；采用形态学滤波去除基线漂移；利用小波变换抑制肌电噪声干扰等。图5为采集的原始ECG信号基线漂移矫正前后的对比图。

3.3 ECG的显示

人体心电数据的显示是整个系统是最重要功能之一。Android 智能手机不断监听USB接口，通过 Socket 接收远程蓝牙模块上发送来的数据，采用支持双缓冲、多线程技术的SurfaceView 在屏幕上绘出相应的心电波形，实现人体心电数据的连续监护与初步分析，并将数据存储下来，继而，建立个人心电数据库，实现个人健康信息的高效管理[1]。从图6中可以看出，智能终端接收从前端采集模块上发送来的心电数据，并显示出单导联模式下心电图的效果。人们可以通过该心电图清晰地分辨其波形特点（如P，QRS，T波），而这为心电识别和R波检测提供了前期的保证。

4 总结

本文主要设计了一种基于智能终端的心电信号采集系统，能够连续且实时采集人体的心电信号，并监测人体的心率变异性。该系统采用USB接口进行心电信号的传输，实现了心电数据的短距离传输且方便与智能终端通信；采用智能终端对心电信号进行显示、存储和处理，并对人体造成极低甚至无心理负荷。同时，通过选取低功耗的芯片以及优化程序，该系统能够最大限度地降低系统功耗，减小硬件体积，以满足更好的便携性和智能性。

图5ECG信号基线漂移矫正效果图Fig5Correction Renderings of ECG signal baseline drift

[1] 席涛, 杨国胜, 汤池. 呼吸信号检测技术的研究进展. 医疗卫生装备, 2004,15(12): 26-31.

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