用于移动医疗的微型无线心电传感器

张根选，石波，张赛，曹阳

1 蚌埠医学院医学影像学系，蚌埠市， 233030

2 深圳迪美泰数字医学技术有限公司，深圳市， 518067

0 引言

据统计我国每年约有60万人死于心源性猝死，90%以上心脏病急性发作发生在医院外，发作后抢救的存活率不到1%。现代医学研究证明，心电图异常出现的频率和复杂程度，是预测心脏病急性发作或猝死的重要指标之一。也就是说，一般心脏病急性发作或猝死患者，在发病前1～2周内，都会有不同程度的心电图异常，而及时捕捉到这些心脏病发作前稍纵即逝或是不易察觉到的异常，并及时采取有效的临床措施，可以防患于未然。现有的便携式心电图仪成本高、体积大、操作复杂，一般用户在没有经过专门培训的情况下，难以正确使用。近几年随着电子技术的高速发展，可穿戴心电采集技术的研究成为热门[1-4]，其主要形式有布带式、背心式等，这些穿戴衣在使用和抗干扰能力方面还不是很理想。

本文针对目前便携心电图仪和可穿戴心电采集系统所存在的不足，提出一种用于移动医疗的微型无线心电传感器(Miniature Wireless ECG Sensor，MWEsensor)，该微型无线心电传感器采用单导联方式，只需两个电极，采集的信号经过一定的算法处理后，通过蓝牙将心电数据传输到Andriod手机端显示心电波形和心率，并可通过移动网络随时将心电数据发送给健康顾问或家人以实现对病人远程监护。该微型无线心电传感器具有操作简单、测量准确度高、抗干扰能力强、实时性好等特点，做到了人体长时间佩戴在胸部而不会有什么明显不适的感觉，不会影响到人的正常活动，为家庭连续心电监护提供可靠保障。

1 系统设计

1.1 总体设计

目前，大多数的心电采集系统都是由心电信号放大电路、心电信号滤波电路、模数转换电路、心电信号处理电路等几个各自分离的独立模块连接而成[5-7]，这种方式构成的心电采集系统一般具有体积较大、重量较重，成本也比较高等缺点。本文所设计的微型无线电传感器主要由心电采集处理模块（该模块集心电放大、滤波、模数转换和信号处理于一体）、超低功耗蓝牙传输模块、电源管理模块三部分构成，如图1所示。由Ag/AgCl 一次性心电电极片采集的人体心电信号经过两根很短的导联线送到心电采集处理模块内部进行放大、模数转换、滤波、计算处理后经串口再由蓝牙传输模块将心电数字信号无线传送至Andriod手机端即可完成心率及心电波形的显示、存储等功能。

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

1.2 硬件系统设计

1.2.1 心电模块设计

本文的心电采集处理模块采用美国神念科技公司的生物信号检测和处理芯片BMD101。BMD101芯片的模拟前端（AFE）由高通滤波器（HPF）、可变增益低噪音放大器（LNA）、16位高精度模数转换器（ADC）和一个检测感应器脱落的电路(Sensor-Off)构成，能够有效地检测到人体μV到mV级的微弱心电信号。BMD101芯片的系统管理单元，主要实现整体系统配置、内外通讯、专有算法计算和电源管理等功能。在BMD101芯片内部还固化了一个数字信号处理模块(DSP)来加速对系统管理单元监控下的50 Hz(或60 Hz)工频数字陷波器和截止频率为100 Hz的数字低通滤波器的计算。该心电采集处理芯片表面积只有3 mm×3 mm，供电电源的电压范围为2.5 V～3.6 V，典型值为3.3 V，正常工作状态芯片总电流不超过 0.8 mA。BMD101芯片内部结构如图2所示。图3为BMD101在本文中的应用电路。

图2 BMD101内部结构框图Fig.2 Block diagram of BMD101

图3 BMD101应用电路Fig.3 BMD101 application circuit

1.2.2 蓝牙传输模块设计

蓝牙传输模块采用基于蓝牙4.0BLE设计的HJ580DA14580透传模块，该蓝牙传输模块使用德国Dialog的DA14580作为主控制器芯片，具有内嵌16 MHz 32位ARM Cortex M0TM处理器、支持多个数字接口，具有重量轻、超小尺寸(5 mm×6.2 mm)、超低功耗(平均工作电流1.5 mA，最大5 mA)等特点。特别适合应用在对体积和高度有特殊需求的，如智能手环、蓝牙手表等智能穿戴式设备中。该蓝牙传输模块默认状态为透传模式，模块可以从串口一次性最大接收256个字节的数据包，模块在接收到串口数据后，会根据是否处于连接并发出使能通知，自动将数据分包发送出去。在本文中心电采集处理芯片将心电数据通过异步通信的方式传送该蓝牙传输模块，蓝牙传输模块收到心电数据后再将数据无线发送到Andriod手机，使用时为了和心电模块BMD101实现串口异步信号传送，需将该蓝牙传输模块串口的波特率设置为57 600 bps。在本文中的应用电路如图4所示，蓝牙传输模块的10脚为串口数据接收端与EMD101的5脚相连。

图4 蓝牙传输模块电路Fig.4 circuit diagram of Bluetooth module

1.2.3 电源管理模块

为了减小微型无线心电传感器的体积，本文使用一片CR2032 纽扣电池为心电采集处理模块和蓝牙传输模块提供工作电压。为了保证微型无线心电传感器供电电压的稳定性，这里使用了德州仪器公司的升压降压转换器芯片TPS63001，该芯片除集成了升压与降压两种功能外，还包括开关FET、补偿与保护功能等，且只需很少的外围部件即可保证正常工作。该稳压电源芯片输入电压范围为1.8 V～5.5 V，采用3 mm×3 mmQFN封装形式。在本文应用中将TPS63001稳压芯片输入端接3 V的CR2032纽扣电池，利用该芯片的升压功能使电源管理模块输出电压稳定在3.3 V，为心电模块和蓝牙传输模块提供工作所需能量，在本文中的应用电路如图5所示。

1.3 软件系统设计

由于心电采集处理芯片BMD101串口输出的心电数据是经过神念科技公司专利算法处理后的含有心率、心电数据等数据包，因此本文省去了下位机的软件编程工作，只需在上位机应用程序中对心电数据包进行解析使用就可以了。

图5 电源管理模块电路Fig.5 The circuit diagram of power module

上位机应用程序即Andriod手机端[8]的应用程序主要完成微型无线心电传感器的蓝牙与手机蓝牙的通信、根据接收的心电数据实时地绘制心电波形、心率显示、心电数据的存储等功能。本部分采用Andriod4.3版本和Eclipse工具进行开发。主线程负责实时显示心率和心电波形显示，先将接收到的心电信号数据转换成坐标点的表示形式存入到缓存区，然后应用程序再从该缓存区中依次提取数据点使用View控件来描绘出一个连续的心电波形图使其显示在一个二维坐标中。在微型无线心电传感器与Andriod手机端建立连接后会开辟一个工作线程以完成心电数据接收和简单处理。同时Andriod手机端应用程序还采用File方式将采集到的心电数据存储在手机端的SD卡中。

2 实验结果

本文设计的微型无线心电传感器表面积只有1.5 mm×2 mm，重量仅为8 g，功耗为10 mW。使用时只需将本微型无线心电传感器和它的两个Ag/AgCl一次性心电电极片贴到胸部，打开蓝牙和手机端软件就可以接受到稳定的心电信号和心率值。

为了验证本文微型无线心电传感器的测量的准确性，这里使用深圳迪美泰数字医学技术有限公司的交互式生物医学万用信号源（iBUSS）对该微型无线心电传感器进行了测试。iBUSS具有提供P-QRS-T波各项参数分别可调的合成正常或异常心电信号的功能，本文使用iBUSS合成了5组参数各异的心电信号作为微型无线心电传感器的输入，对手机端输出的心电信号测量、分析，结果如表1。众所周知，目前医院打印的心电图，人眼所能准确分辨横轴代表的时间最小单位是40 ms，人眼所能准确分辨纵轴代表的电压幅度最小值为0.1 mV，由此可见，本文设计的微型无线心电传感器造成的心电参数误差是不会影响对心电图的正确判断的，完全可以胜任对漏博、停博、心动过缓、心动过速等心律失常疾病进行测量、分析、判断。

表1 测试结果Tab.1 Test results

3 结论

本文设计了一种用于移动医疗的微型无线心电传感器，该微型无线心电传感器只使用两根导联线，一片纽扣电池供电，具有操作简单、测量准确度高、抗干扰能力强、实时性好等特点，经过测试表明该微型无线心电传感器能够准确测得使用者的心率和心电波形，完全可以用来对心律异常的病人进行长时的贴身心电监护。并且可以将本微型无线心电传感器采集到的心电数据通过WIFI或3G/4G移动网络连至互联网发送个人医生或医院心电监测中心站的数据库。把常见心脏疾病的自动分析诊断功能嵌入手机端软件中，实现常见心脏疾病的自动诊断、异常报警是我们下一步的工作目标。