人体活动的微负荷监护系统设计

黄银 陈浩

摘 要 目前老龄化已成为中国面临的大问题，心血管疾病的发病率也变得越来越高，通过调查我们初步了解到，心血管疾病在我国病发率仍在持续增加，在五个成年人中就有一个患有心血管类的疾病。心血管疾病目前已经引起了大众广泛的注意，并得到了高度的重视。根据社会需求，我们研发一套包含监测分析、监护预警的心电监测设备则非常重要，其除具有心电监测之外，便捷携带性和易操作性决定了其设备是否能够普及。

1 前言

依据目前的市场需要，研发了一套可以用来监测分析心电、防护预警并且可以长时间检测和随身携带的针对人体活动的微负荷的心电监护系统。此系统根据心电信号特征以及对采集系统基本参数的要求，设计了针对活动人体的微负荷的心电监护系统。心电采集发射部分和心电数据接收处理部分支撑着整个硬件系统。此系统由采集部分、发射部分、电源板块、信号采集发射板块组成，心电数据接收处理部分由数据处理模块、信号接收模块以及通讯模块构成，并由PC机USB口供电。为此设计出一套功能齐全、使用便捷、携带便捷的心电监护系统会获得广大消费群体的喜爱以及很好的发展前景。

2 整体功能设计

根据信号特征和采集系统基本参数的基本要求，设计了针对活动人体的心电监护系统。心电采集发射部分和心电数据接收处理部分支撑着整个硬件系统[1]。由心电采集、发射单模块、电源、信号采集处理板块、信号发射板块组成，心电数据接收处理单元由心电数据处理板块、信号接收板块、通讯板块组成，并由PC机USB口供电。整体系统构造如图1所示。

（1）心电机理

人体体液中存在大量氯离子、钠离子等正负离子，由于细胞膜对于离子的通透性不同，使细胞膜两边产生了电位差，细胞膜对于不同粒子的吸收作用不同而产生了生物电。心脏是由大量的心肌细胞组成的，其中每个心肌细胞都相当于一个起电单位。当心肌细胞处于安静状态时，细胞膜内外两侧存在的电位差称为心肌细胞的静息电位。对于大多数细胞来说，细胞膜外电位为正、细胞膜内电位为负，电位差约为90mV，这种“外正内负”的状态称为极化状态。而当心肌细胞受到神经递质等因素的刺激而发生兴奋时，处于兴奋部位的膜电位会突然变化，通过改变离子通道将原来的“外正内负”状态迅速变为“外负内正”状态，但这种电位变化只是短时间的，经过短暂的变化，离子浓度会恢复原来状态，膜电位自动变为“外正内负”的静息电位，此过程称为复极化。心肌细胞在不停地去极化、复极化过程转换，这也就构成了心电信号。

體表任何区域都可以记录到心脏的电活动。记录心电流的方法是将电通过身体不同部位，将电极连接到心电图信号采集器的正负两极，微弱的心电流由导线进入信号采集器再返回人体，通过构成一个完整回路来对新电流进行接受和处理，处理得到直观的图形输出，并在终端显示出心电图。

（2）人体心电的采集发射板块设计

该系统由独立电源供电、放大电路和滤波组成，A/D由聚合电池直接供电。超低静态电流CMOS现行稳压器ADP162提供nRF51822板块的供电，模拟前端基准电压基准电压由TI公司提供，其特点为低漂移低功耗。由于心电信号为毫伏级弱信号，因此很容易受到外界环境的影响。易混合手机等电信号，并存在温度漂移基准漂移等现象。由于心电信号内阻高，所以要求前置信号采集输入端要具有高输入抗阻，以此来减小误差，因此我们通过在心电信号的采集心电流回路中串接高电阻来减小误差，通过接受串联电阻两端的电压信号来获得心电信号[2]。

信号放大器的性能决定生物信号放大电路的采集模块输入特性，因此我们选用由ADI生产的AD8236仪表放大器。将积分器连接到AD8236的负反馈中，以此来组成的高通滤波器用以消除信号的基线、零点漂移。控制芯片是核心，选用nRF51822微处理器，该芯片优点为存在正常、空闲、掉电三种工作模式，对于低负荷设备来说具有极大优势，并且nRF5182将双模式无线模块集成，其采用私有协议的射频模式，其模块目前主流芯片兼容，兼容通过蓝牙低功耗模式与蓝牙设备进行通讯。

（3）心电数据接收处理板块

心电数据接收处理单元采用了嵌入式PDA设计，采用NXP公司LPC2400系列32位处理器，其是基于ARM1TDMI-S内核的。通过PDA进行中央处理的模块设计具有界面美观简洁、灵活、操作性强等特点。基于ARM1TDMI-S内核的，编程采用内嵌式，较容易实现简洁的界面设计。工具按钮等软件设计帮助实现心电信号的采集、显示、保存的便捷性，并具有对波形进行缩放、移动和重放的功能。在完成无线数据的接收和分析之后，再通过USB将数据发送到LCD以做进一步的显示。通过无线模块接收数据并通过串口输出，并将其传给LCD。

（4）软件设计

科室PC服务器采用性能适中的电脑即可，通过RS232与心电终端有线连接，一次对心电数据进行分析和储存。PC端采用NI公司LabVIEW软件及其附带VISA驱动来操作，其整体程序如图2所示。通过串口来接收3组8位带标志位的数据，再通过标志位对数据分类和拼接。接收心电信号之后可以进行心电、心率实时显示与图像文件生成等操作；得到的心电信号图像等文件可以通过Matlab等分析软件对心电信号作进一步处理和分析，以此判断人体健康情况从而实现疾病预防。

数据采集模块主要是对电机从人体来的数据进行模/数转换。首先初始化变量，然后进行模/数转换。数据采集模块软件处理流程如图3所示。

3 系统分析功能

当产品的信息搜集模块手机、典型信号处理以及产品处理模块构建完之后便可初步投入使用，我们通过在不同的测试者身上进行试验，收集测试者在睡觉、工作、吃饭、运动等一系列活动时的心率情况收集起来，将分好类的心率信息输入程序中，并对不同患者不同时间不同状态下的心率进行分析归类。当软件收集到信息之后进行分析，这样便可记录使用者的活动情况以及分析出其健康状况，并对患者做出相应的参考建议。

4 结论

如今社区医院医疗蓬勃的发展，家庭监护设备有颇受大众欢迎，在人们对移动低功耗便携带高精度的健康检测设备的需求正在不断增加，通过开发出一款能针对手机人体活动的微负荷心电监护系统并对健康状态的评估，以此来防范突发心血管疾病的健康系统具有重大意义，因此本项目设计了一个有传感、处理分析、通信三个低功耗板块，通过整体上协调配合以进一步降低功耗的心电检测分析系统，其方便携带、操作便捷，方便人们可以随时随地、方便快捷地查看自己身体的健康状况，使人们生活得到保障。

参考文献

[1] 阮荣湾.基于STC单片机的火灾报警器设计[J].科技展望，2016，（6）：54.

[2] 秦志强.C51单片机应用于C语言程序设计[M].北京：电子工业出版社，2007：116.