A Design of ECG Signal Monitoring System Based on Intelligent Terminal

CHANG Feiba，YIN Jun，ZHANG Hehua，YAN Lexian，PENG Run

(Medical Engineering Department，Institute of Surgery Research，Daping hospital，The Third Military Medical University，Chongqing 400042，China)

A Design of ECG Signal Monitoring System Based on Intelligent Terminal

CHANG Feiba，YIN Jun*，ZHANG Hehua，YAN Lexian，PENG Run

(Medical Engineering Department，Institute of Surgery Research，Daping hospital，The Third Military Medical University，Chongqing 400042，China)

This article designed of human ECG monitoring system based on an intelligent terminal，through the monitoring system ECG can be real-time continuously detected.The system includes front-end ECG signal acquisition module and back-end ECG wireless transmitter module.The front-end ECG signal acquisition module to pretreatment ECG signal;the back-end ECG signal transmission module using Bluetooth wireless communication mode，in order to achieve short-distance wireless ECG data transmission and convenient with the PDA or Android smart phones and other handheld terminal communication，to ensure the guardian for the continuous real-time monitoring.

ECG;bluetooth;intelligent terminal;real-time monitoring

心血管疾病仍是人類致死率最高的疾病之一。心率變異性分析提供了一種新的非創(chuàng)傷性的，對自主神經(jīng)系統(tǒng)活動情況進(jìn)行評價的方法，在預(yù)防猝死和心率失常方面具有重要意義［1-2］。常規(guī)心電圖不易捕捉一過性失常，而動態(tài)心電圖(Holter)系統(tǒng)則成本昂貴，體積過大，重量偏高不適宜連續(xù)實(shí)時的長時間監(jiān)測。

目前，基于智能終端的移動醫(yī)療技術(shù)已成為平時醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)研究的一個熱點(diǎn)［3-5］。相對于傳統(tǒng)的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)，智能終端的移動醫(yī)療技術(shù)是一種低生理、心理負(fù)荷的生理信號采集及監(jiān)護(hù)技術(shù)。同時，智能終端的移動醫(yī)療系統(tǒng)具有體積小、成本低、功耗小、攜帶方便等突出特點(diǎn)。當(dāng)利用生理參數(shù)采集系統(tǒng)對人體生理信號的采集之后，及時準(zhǔn)確的傳輸出去，讓被監(jiān)護(hù)的對象及時的掌握自己的病情狀況，并且可以通過個人智能終端獲得自己的一些生理參數(shù)，這樣更加方便快捷的與監(jiān)護(hù)人員進(jìn)行交流和溝通。所以，就要求一些生理參數(shù)采集系統(tǒng)具有和個人智能終端相互數(shù)據(jù)傳輸功能。

在人體參數(shù)采集系統(tǒng)中無線通信標(biāo)準(zhǔn)有IEEE 802.15.1(Bluetooth)和IEEE820.15.4(ZigBee)、紅外IrDA(Infrared)、醫(yī)療植入通信服務(wù)MICA(Medical Implant Communication Service)和超寬帶UWB(Ultra Wideband)等［6］。但基于現(xiàn)有智能手機(jī)都具有藍(lán)牙傳輸功能。同時，由于智能手機(jī)的計算和存儲能力及普遍連接性的增強(qiáng)，對于人體參數(shù)的連續(xù)實(shí)時監(jiān)測成為可能。并且智能手機(jī)不但可以像傳統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄器一樣記錄病人信息，而且可以作為信息網(wǎng)關(guān)將采集到的信息發(fā)送出去，另外它集成的GPS追蹤系統(tǒng)可以很快確定危險病人的位置［7］。所以選擇藍(lán)牙傳輸生理信號是設(shè)計人體生理信號采集系統(tǒng)的首選。基于藍(lán)牙人體生理參數(shù)采集系統(tǒng)能夠與移動電話、PDA等智能終端之間進(jìn)行無線數(shù)據(jù)交換。所以利用藍(lán)牙能夠有效地簡化生理參數(shù)采集系統(tǒng)與智能終端設(shè)備之間的通信，而且通過智能終端能夠簡化生理參數(shù)采集系統(tǒng)與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而采集的生理數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，并且可以通過智能終端實(shí)時監(jiān)測病人的生理狀態(tài)［8］。

本文的一種基于智能終端的人體心電信號監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計采用智能終端作為心電波形顯示和數(shù)據(jù)處理的控制器平臺，配以前端心電采集模塊，組成心電采集與監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)有體積小，功能性強(qiáng)，操作方便等特點(diǎn)，并且被監(jiān)護(hù)者的日常生活行為不受監(jiān)護(hù)的干擾，對現(xiàn)有采用PC機(jī)作為心電波形顯示和數(shù)據(jù)處理的控制器的心電檢測和監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有體積小，易攜帶性;另外對于一些直接采用單片機(jī)做處理器的心電采集和監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的功能較為豐富，數(shù)據(jù)存儲量大，使用方便。

1 人體心電信號監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計

一種基于智能終端的人體心電信號監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計采用智能終端作為心電波形顯示和數(shù)據(jù)處理的控制器平臺，配以前端心電采集模塊，組成心電采集與監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，其總體設(shè)計框圖如圖1所示。人體心電信號監(jiān)護(hù)系統(tǒng)分為三大模塊即前端心電采集模塊、藍(lán)牙發(fā)送模塊和電源模塊。心電信號采集模塊主要是完成對心電信號的采集及預(yù)處理;然后微處理器對預(yù)處理的信號進(jìn)行A/D采樣及進(jìn)一部處理并控制整個模塊的工作，同時控制藍(lán)牙模塊將A/D采樣之后的心電信號傳至個人智能終端;電源模塊采用可充電電池鋰電池為整個系統(tǒng)供電。

圖1 人體心電信號監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖

藍(lán)牙是一種短距離低功耗的無線電信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)。盡管在實(shí)際應(yīng)用中其功耗已經(jīng)很低，但是在工作時其天線發(fā)射所需要的功耗相對來說仍然較大。因此在小型便攜式生理參數(shù)采集系統(tǒng)中為了保證小容量電池持續(xù)供電，需要考慮如何進(jìn)一步降低功耗、延長電池的使用時間。所以，本無線通信模塊采用了TI公司MSP430低功耗系列中MSP430F149微處理器以及藍(lán)牙模塊JBM-141。設(shè)計時充分利用了它們本身具有的各種低功耗運(yùn)行方式來最大限度地降低系統(tǒng)功耗，以較小的硬件尺寸、較好的便攜性和移動性來實(shí)現(xiàn)生理信號采集模塊與智能終端之間的相互通信。在最大限度降低功耗的同時，而且要求對生理信號可以準(zhǔn)確實(shí)時的傳輸，以便智能終端可以準(zhǔn)時的收到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以配合醫(yī)療監(jiān)護(hù)人員決定監(jiān)護(hù)治療的方案。

2 監(jiān)測系統(tǒng)各個設(shè)模塊設(shè)計分析

2.1 人體心電信號采集模塊

人體心電信號采集模塊設(shè)計主要包括心電采集系統(tǒng)的導(dǎo)聯(lián)方式選擇與采集模塊的電路設(shè)計，心電信號是人體電信號中典型的一種，生命電信號的本質(zhì)是兩點(diǎn)之間的電位差，將電極直接加于人體，并且按照一定規(guī)則，通過相應(yīng)的導(dǎo)聯(lián)方式和信號處理技術(shù)，將極其微弱心電信號處理后得到相應(yīng)的直觀且易于觀察的信號。所以心電導(dǎo)聯(lián)方式的選擇與心電信號的采集是一種基于智能終端的人體心電信號監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計的前提。

2.1.1 心電采集模塊導(dǎo)聯(lián)方式選擇

一種基于智能終端的人體心電信號監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計中心電采集的導(dǎo)聯(lián)方式選擇的是“單級心前導(dǎo)聯(lián)”。該導(dǎo)聯(lián)方式可以可靠、準(zhǔn)確地識別每次心跳，且進(jìn)行相應(yīng)節(jié)律分析為主要目的，所以該導(dǎo)聯(lián)方式常被用作監(jiān)測系統(tǒng)。并且該導(dǎo)聯(lián)方式中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)電極位置的配置以獲得較大的R波為原則，它的典型方式在于只分析一個，或最多兩個導(dǎo)聯(lián)那么就可以獲得較大的R波，所以本設(shè)計所采用的導(dǎo)聯(lián)方式為“單級心前導(dǎo)聯(lián)”，如圖2所示。

圖2 “單級心前導(dǎo)聯(lián)”電極放置位置

“單級心前導(dǎo)聯(lián)”電極放置位置距心臟較近，獲得的心電波形幅度值較大，易于觀察，方便診斷。單極胸導(dǎo)導(dǎo)聯(lián)方式中導(dǎo)聯(lián)電極與人體胸部的具體粘貼位置為V1～V6，即:V1為胸骨右緣第四肋間;V2為胸骨左緣第四肋間;V3為V2及V4之中點(diǎn);V4為左鎖骨中線與第五肋間相交點(diǎn);V5為左腋前線與V4同一水平線相交處;V6為左腋中線與V4同一水平線相交處。

2.1.2 心電采集模塊電路設(shè)計

由于人體心電信號是一種信噪比低的弱電信號，且一般正常的心電信號頻率范圍為0.05 Hz～100 Hz，但90%的心電信號頻譜能量集中在0.25 Hz～35 Hz之間;同時心電信號的采集時會受到各種噪聲源的干擾如工頻干擾、電極接觸噪聲、肌電干擾(EMG)、基線漂移、儀器噪聲等。所以，心電信號的檢測、分析必須在建立在有效抑制各種干擾、檢測出良好的心電信號的基礎(chǔ)之上。其心電采集模塊設(shè)計具體電路如圖3所示。該電路主要包括心電信號的前置放大電路、二階低通濾波電路、二階高通濾波電路、陷波電路及后級放大電路。

圖3 心電采集模塊電路

首先針對心電信號是微弱信號，所以設(shè)計前置放大電路用來放大心電信號。由于心電測量中，皮膚和電極接觸將引起極化電壓，如果兩個電極完全對稱，則相應(yīng)的極化電壓的數(shù)值和相位相同，相當(dāng)于直流共模干擾信號輸入到前置放大器;環(huán)境中存在的工頻干擾也是一種共模干擾。因而所選放大器一定要有很高的共模抑制比(CMRR)，共模抑制比高能很好地抑制干擾。所以前置放大器選擇了高輸入阻抗、低噪聲和低溫漂的AD620儀用放大器。其前置放大電路的增益計算如式(1)，其中RG=R103=6.8 kΩ。

由于心電信號屬于低頻信號，為了消除高頻干擾，電路中設(shè)計了低通有源濾波器，該低通濾波器為二階的低通有源濾波器，其高通截止頻率為式(2)所示。

其中R401=R402=10 kΩ，C401=C402=0.1 μF，其高頻截止頻率約為159 Hz。

同時，為了濾除零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的共模量，保持心電信號的基線處于水平位置。設(shè)計了高通濾波電路抑制心電信號的基線漂移。該高通濾波器為二階高通有源濾波器，其低通截止頻率為式(3)所示。

其中R405=R406=30 kΩ，C405=C406=47 μF，其低頻截止頻率約為0.112 Hz。高通濾波器與低通濾波器組合成一個頻帶較寬的帶通濾波器，濾除各種高低頻率干擾，確保有效的心電信號通過。

心電信號采集模塊中的前置放大電路對50 Hz工頻干擾有很強(qiáng)的抑制作用，但僅僅靠共模抑制是不夠的，還需要設(shè)計專門的模擬帶阻濾波器即陷波器來濾除。該陷波電路采用的是最典型的無源的雙T網(wǎng)絡(luò)加運(yùn)算放大器，雙T網(wǎng)絡(luò)是由低通和高通濾波器并聯(lián)組合成的二階有源帶阻濾波器。由于取R501=R502=2R503，C501=C502=C503/2，所以陷波頻率為式(4)所示。

心電信號雖然在前置放大電路進(jìn)行放大，但相對電平還是比較低，所以還需要通過后置放大電路進(jìn)一步放大。為了抬高心電信號電位，盡可能滿足采樣量程不失真，設(shè)計了2.5 V參考基準(zhǔn)電壓電路。

2.2 人體心電信號發(fā)送模塊

人體心電信號監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊與微處理器采用藍(lán)牙主機(jī)控制接口HCI(Host Controller Interface)與通用異步收發(fā)器(UART)連接，且該無線通信模塊采用的藍(lán)牙通信模塊為JBM-141，JBM-141適用于各種近距離無線數(shù)據(jù)傳輸，采用UART/RS232接口，串口速率可調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)的全透明數(shù)據(jù)傳輸。其外圍具體電路如圖4所示。

圖4JBM-141外圍電路

根據(jù)JBM-141外圍電路可知，JBM-141引腳4是電池低壓檢測腳，利用發(fā)光二極管D3進(jìn)行電壓顯示。R26、C34組成阻容復(fù)位電路，控制藍(lán)牙模塊的復(fù)位。引腳12、14是與單片機(jī)部分引腳相連，通過這兩個引腳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在單片機(jī)和JBM-141之間的發(fā)送和接收。同時，這兩個引腳能與PC機(jī)串口相連，用于模塊的參數(shù)設(shè)置，設(shè)置后的參數(shù)在復(fù)位或重新上電后生效。引腳35與外部天線相連，心電信號數(shù)據(jù)由此引腳發(fā)送給智能終端。

3 人體生理參數(shù)采集系統(tǒng)中藍(lán)牙模塊功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計的人體心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的整體性能，我們采用了FLUKE公司生產(chǎn)的多參數(shù)模擬儀MPS450來模擬人體的心電信號，其模擬人體的心電信號波形如圖5所示。這是一款能夠模擬心電圖、血壓、呼吸、體溫、脈搏、腦電圖和心率失常等多種生理現(xiàn)象的模擬儀器，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的心理信號;同時，我們利用設(shè)計的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)來采集多參數(shù)模擬儀MSP45產(chǎn)生的心電信號，然后通過系統(tǒng)的無線傳輸模塊來發(fā)送采集到的心電信號，最后利用Android智能終端上的應(yīng)用程序接收監(jiān)護(hù)系統(tǒng)發(fā)送的心電信號。

圖5FLUKE多參數(shù)模擬儀及生成的心電信號

本文使用的Android智能終端是三星公司的Galaxy S，即GT-i9100。同時，本文采用Eclipse軟件，作為Android的軟件開發(fā)平臺，這是一個基于java語言的開源開發(fā)平臺，通過附帶的java開發(fā)工具JDK(Java Development Kit)，對Android應(yīng)用程序進(jìn)行編寫和設(shè)計。智能手機(jī)接收到的人體心電波形如圖6所示。

圖6 智能終端接收的心電信號

通過智能手機(jī)接收的心電信號波形，我們可以得出所設(shè)計的一種基于智能終端的人體心電信號監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人體心電信號的采集、發(fā)送、顯示等功能基本完成，實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪_(dá)到，節(jié)點(diǎn)可以正常工作。

4 總結(jié)

本文設(shè)計了一種基于智能終端的人體心電信號監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可以連續(xù)實(shí)時的監(jiān)測被監(jiān)護(hù)者的心率變異性。該系統(tǒng)的心電采集及傳輸采用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)短距離無線傳輸且方便與PDA或智能手機(jī)的手持終端通信的特點(diǎn);并且采用智能終端為心電信號的顯示、處理及傳輸平臺，所以該系統(tǒng)對被監(jiān)護(hù)者造成極低甚至無心理負(fù)荷。同時，設(shè)計的系統(tǒng)經(jīng)過測試可以最大限度地降低系統(tǒng)功耗，硬件體積也最大限度地降低，可以滿足較好的便攜性和移動性。

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萇飛霸(1985-)，男，安徽，碩士，第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所醫(yī)學(xué)工程科，主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)信號檢測、傳輸及信息編碼技術(shù)研究，chang573788260@163.com;

尹軍(1968-)，女，安徽，高級工程師，第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所醫(yī)學(xué)工程科主任，主要研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)儀器管理與研發(fā)，gaiety@126.com。

一種基于智能終端的人體心電信號監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

萇飛霸，尹軍*，張和華，顏樂先，彭潤
(第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所醫(yī)學(xué)工程科，重慶400042)

設(shè)計了一種基于智能終端的人體心電信號監(jiān)測的系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以實(shí)時連續(xù)地檢測到被監(jiān)護(hù)者的心電信號。該系統(tǒng)主要包括前端心電信號采集模塊和后端心電信號無線發(fā)送模塊。其中前端采集模塊對心電信號進(jìn)行了預(yù)處理;后端心電信號發(fā)送模塊采用藍(lán)牙無線通信方式，從而實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)短距離無線傳輸且方便與PDA或Android智能手機(jī)等手持終端通信，保證了對被監(jiān)護(hù)者的連續(xù)實(shí)時監(jiān)測。

心電;藍(lán)牙;智能終端;實(shí)時監(jiān)測

TP393

A

1004－1699(2014)03－0289－04

2013-11-20修改日期:2014-03-05

C:7510D

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.03.002