可穿戴式医疗心电信号监测终端的设计

孙斌 何宏

引言

对心血管疾病的早期诊断和检测一直是医学界的研究的热点问题。1957年Holter动态心电图的发明，给心脏病疾病患者带来了福音。在传统的心电监测设备中，通常使用线缆来传输数据，线缆连接到专用的处理设备进行处理，患者需佩戴全套设备才可以接受监测治疗。这些设备，在一定程度上提高了患者突发心脏病的检出率。但是其体积与复杂度，限制了其在心脏病早期诊断的应用。随着现代电子技术的发展与成熟，类似于心电信号的小信号的检测传感器集成度提高，为便携式的心电监测带来了更多的可能。 本文采用美国神念公司的BMD101芯片作为心电信号采集传感器，并且通过nRF51822蓝牙芯片技术将数据上传到Android 或Windows上位机进行数据处理和心电图显示。可穿戴技术的采用，使得系统的体积大大减小，同时拥有友好的人机界面，符合现阶段关于可穿戴设备的要求。同时在设计时充分考虑低功耗需求，在软件和硬件层面联合降低功率。

一、系统的组成与原理

可穿戴式心电监测终端的总体结构如图1所示。分为传感器模块，蓝牙处理器模块，和上位机部分。人体心电信号通过两片电极片采集后，经过低通滤波器消去运动或皮肤震颤产生的高频干扰进入BMD101芯片。在芯片内部采集的模拟心电信号经过芯片内部的模拟前端，滤波，放大，模数转换后进入数字处理阶段。在数字处理中，将工频干扰消除，并经过带通滤波器，通过心率算法将心率算出后，原始的心电数据和心率将通过串口输出。nRF51822芯片内部集成了MCU和蓝牙模块。采集的心电数据被串口读取后，经过处理后在OLED上显示出来，同时也会通过蓝牙发送出去。在电脑或安卓手机的接收端接收了蓝牙信号后，可将蓝牙转为串口读出，将数据再次滤波处理并显示出来。

二、硬件设计

2.1传感器部分

弱电传感器应包含，前置滤波，高增益放大，陷波滤波等部分。本文采用的BMD101是美国神念公司专为心电生物信号采集开发的片上系统，集成了模拟前端和数字后端，功能强大。其模拟前端集成高增益的线性低噪声放大器和高精度模数转换器，极低的系统噪声和可控的增益使其可以采集微伏到毫伏级的生物信号。内置50Hz或60Hz陷波滤波器可对心电监测的最大干扰源工频干扰进行过滤。而芯片的封装仅为3X3mm。且无需外围电路，特别适用于可穿戴式的设计。但由于是小信号处理，需对模拟地和数字低进行严格的区分以减小干扰。在电源部分加入PI型滤波以减小电源的纹波干扰。同时由于是穿戴式设计，佩戴者运动产生的高频信号对信号的采集有较大的干扰，可在电极到传感器间加入截至频率100Hz左右的低通滤波器。电源部分电路和前端低通滤波器如图2所示。

2.2蓝牙处理器模块

蓝牙透传具有低功耗，传输速度快的特性。nRF51822是Nordic公司生产的一款功能强大、高灵活性的多协议的超低功耗的片上系统 （Soc） ， 包含一个32位ARM Cortex-M0 CPU。非常适用于Bluetooth低功耗和2.4GHz超

低功耗无线应用。BMD101芯片串口发出的心电信号进过nRF51822芯片读取后，根据神念官方提供的数据包解包方式进行解包。提取出心率数据，和512Hz的心电采样数据。处理后通过SPI接口在OLED显示器上显示出来。同时串口数据通过蓝牙转发出去。nRF51822内部集成的DC-DC转换器和ADC可以控制和检测锂电池电压。可以将电池的实时电压情况反馈出来。在上位机中只需要将检测设备作为蓝牙串口读取即可。

三、软件设计

3.1下位机程序设计

下位机程序主要完成心电数据包解包，电源电压采样，OLED显示，蓝牙转发。为了实现OLED显示和电源电压采样使用了两个定时器。定时器1按照刷新频率刷新显示心电波形，定时器2按照采样频率对电池的电压采样。心电数据解包按照给出的操作手册，一步一步进行解包提取。其程序流程图如图3所示。

3.2上位机程序设计

上位机程序在Microsoft Visual Studio 集成开发环境下编程。其内部集成的丰富的函数库和开发例程提供了友好的开发环境。在官方操作手册帮助下，根据其提供的API接口即可方便的访问USB串口。无需编写复杂的硬件驱动。使得开发难度大大降低。在IDE中调用ThinkGear串口数据解析器API可对心电数据包进行解析。将解析出的原始数据通过Bresenham 算法以描绘直线的方法绘制出来即为ECG波形。根据简洁易用的原则，设计了一款友好的的人机交互界面。功能涵盖有串口选择，实时心率显示，ECG波形绘制，ECG数据存储。

Andriod手机的上位机程序在android studio下开发完成。在ThinkGearSDK的帮助下，可以方便的对心电数据包进行读取和解析，同时将串口得到的数据用SurfaceView绘制ECG波形图。SurfaceView可以直接从内存或者DMA等硬件接口取得图像数据，因此大大减小了系统设计难度。上位机效果图如图4和图5所示。

本方案基于的BMD101和nRF51822均为低功耗高集成度soc。所需的外围芯片很少，终端结合电池和电极片仅为10g。其采用80mAH锂电池以512Hz采样率可连续工作5天以上。硬件电路的周全考虑，将可能的噪声降至最低，佩戴者可以在大多数情况下得到实时的心电监测。系统结构简单实用，抗干扰能力强，可以适应于各种复杂情况监测。

参 考 文 献

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