超低功耗智能移動心電監測設備

余冠成，趙曉東，俞 乾，張云鵬，陳 驍，王守巖

(1.中國科學院 蘇州生物醫學工程技術研究所 醫用電子室，江蘇 蘇州215163;2.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033;3.中國科學院大學，北京100049)

0 引 言

隨著老齡化社會的到來，家庭個人監護和社區醫療呈現蓬勃發展的趨勢，市場對移動式低功耗醫療監測設備的需求正在不斷增加，其中心電長期監測設備對健康狀態評估、突發心血管疾病預警等具有重要意義［1～3］。目前，醫用心電監護儀發展較為成熟，該類設備常通過有線傳輸模式與個人電腦或工控機通信，在醫院廣泛用于病人臥床監護，而不適用于健康或活動監測。

基于移動技術的健康監測是目前正在快速發展的領域［4～6］，其核心是低功耗、微型的智能傳感器技術，以實現長期、微負荷監測。已有的一類產品為小型的Holter 系統，該類產品將采集數據保存到存儲器，數據需手動導出至電腦分析，這犧牲了數據的實時性，且存儲操作的功耗較大。目前的發展趨勢是將智能傳感器與無線傳輸技術相結合，將采集到的數據實時傳輸至電腦或智能手機［7～11］，通過客戶端軟件對數據進行分析，并可進一步將數據傳送至醫院等衛生部門服務器終端，以建立完整的健康云系統。如何盡可能地降低系統功耗，從而解決微負荷與長時間監測的矛盾，是研發健康監測設備需解決的關鍵問題。

為滿足便攜化、微型化、長時監測以及心電圖(electrocardiogram，ECG)分析對信號采集的需求，本文遵循低功耗設計原則，設計了傳感、處理、通信三個低功耗模塊，更從整體系統設計上協調配合以進一步降低功耗，研發貼片式、具備分析功能、可連續工作的心電監測設備。

1 系統硬件設計方案

1.1 硬件總體設計

根據ECG 信號特征與對采集系統基本參數的要求，設計了針對活動人體的微負荷ECG 監護系統。系統硬件由采集發射端電路和接收端電路組成，采集發射端電路由電源模塊、傳感模塊、信號處理與無線通信模塊構成，接收端電路由無線通信模塊、UART 通信模塊構成并由PC 機USB口供電。系統整體硬件架構如圖1 所示。

圖1 系統整體硬件框架Fig 1 Frame of system overall hardware

1.2 發射端電路設計

本系統采用單電源供電、前置儀表放大器與運算放大器采用鋰聚合電池直接供電，nRF51822 的供電由ADI 公司超低靜態電流CMOS 線性穩壓器ADP162 提供，模擬前端基準電壓由TI 公司低漂移低功耗電壓基準REF3312 提供。

ECG 信號微弱，易混合肌電信號和共模工頻噪聲，并存在基線漂移現象。為了更好地提高心電信號的分辨率，采用差分輸入方式，并將心電信號進行放大、濾波和去漂移處理。針對ECG 信號高內阻的特性，要求前置輸入端具有高輸入阻抗，以減小偏置電流引起的干擾。如圖2 所示，模擬前端(analog front end，AFE)主要包含四部分:前置放大、二級放大、陷波濾波器、低通濾波器。為兼顧單電源供電與ADC 采樣特性，設定模擬前端的基準電壓為1.2 V。

圖2 模擬前端原理圖Fig 2 Principle diagram of AFE

前置ECG 放大電路的性能指標決定了整個放大電路的輸入特性，系統選用ADI 公司提供的AD8236 儀表放大器。在反饋回路中將一個積分器連接到AD8236 組成高通濾波器，用以消除信號的基線漂移。運算放大器采用ADI公司提供的低功耗運算放大器AD8659，與電容器和電阻器組成陷波濾波器與低通濾波器。

核心控制芯片選用Nordic 公司的nRF51822 微處理器，該芯片自帶ADC，具有內部參考電壓，內核與ADC 均有正常、空閑、掉電工作模式，非常適合于低功耗應用場合。同時，nRF51822 集成了雙模式無線模塊，其采用私有協議的射頻(radio frequency，RF)模式與目前主流的nRF24L01等芯片兼容，也可以使用藍牙低功耗(bluetooth low energy，BLE)模式與藍牙設備進行通信。

1.3 接收端設計

接收端主要完成對采集發射端發送的無線數據接收、分析，再通過USB 將數據發送到上位機以做進一步顯示、處理等操作。USB 電源經ADI 公司CMOS 線性穩壓器ADP151 穩壓作為供電電源，控制芯片仍然采用nRF51822。通過無線模塊接收數據，對數據進行解壓，之后通過串口輸出，最后PL2303 接收串口數據并將串口數據通過USB 將數據上傳給上位機。

2 系統軟件設計

2.1 下位機程序設計

發射模塊程序結構如圖3 所示，為了實現電源監控與AFE 采樣，采用了2 個定時器，分別在兩個定時器中斷中完成A/D 配置與轉換，定時器Timer1 按照采樣率定時AFE采樣，定時器Timer2 負責定時電源電壓采樣。得到的數據經過融合分解之后在定時中斷的間隙有序實現數據的存儲、無線傳出。

接收模塊程序結構如圖4 所示，通過無線模塊將心電采集部分發送來的心電數據接收下來，再通過串口轉USB將數據傳送到上位機。

圖3 發射端程序流程圖Fig 3 Flow chart of transmitting terminal program

2.2 上位機程序設計

上位機采用NI 公司LabVIEW 軟件及其附帶的VISA驅動來操作，上位機整體程序圖如圖5 所示。串口不斷地接收3 組8 位帶標志位數據，根據標志位對數據分類與拼接。得到心電信號之后可以作心電、心率實時顯示與表格文件(excel，txt，csv 等)生成等操作;得到的心電信號表格文件可以通過Matlab 等分析軟件對心電信號作進一步分析，用以判斷人體健康狀況，實現疾病的預防。

圖4 接收端程序流程圖Fig 4 Flow chart of receiving terminal program

圖5 上位機程序結構圖Fig 5 Structure diagram of upper PC program

3 結果與討論

圖6 所示為采用BLE 方式心率測定實驗圖。圖7 中所示為實驗使用PC 端作為上位機，LabVIEW 實時記錄被測對象ECG，分別顯示12，1.6 s 時間內的ECG，實驗采樣率為1 024 Hz。圖中可以明顯分辨出人體心電信號QRS 波、P波等波，心電信號包絡線包含有呼吸信息。

圖6 采用BLE 傳輸實驗Fig 6 Experiment of BLE transmission

該心電數據可以生成表格文件，通過互聯網云技術上傳到社區監護中心或者醫院，醫護人員可以根據EEG 作一些疾病的預防。發射端連同電池、電極總質量為5.6 g，大小為24 mm×16 mm×10 mm，極大地降低了佩戴時的不適感。

為將心電數據全部上傳到上位機，無線傳輸采用RF模式，0 dB 增益條件下實際傳輸距離可以在5 m 范圍內，分別對系統心電信號采集不同工作狀態下功耗進行測定。表1列出了無線關閉狀態系統功耗、無線開啟狀態系統功耗，測量平均電流時間為5～10 s。為了實現小體積、便攜目的，系統采用鋰聚合電池容量為80 mAh，開啟無線模式時，采樣率1 024 Hz 時可以工作3 天以上，以256 Hz 采樣率則可以工作7 天以上。表2 列出了藍牙模式時功耗情況。

圖7 LabVIEW 實時記錄ECGFig 7 Real time recorded ECG by LabVIEW

表1 RF 模式系統平均電流Tab 1 Average current of system of RF mode

表2 BLE 模式系統平均電流Tab 2 Average current of system of BLE mode

采用私有協議方式可以在低功耗下將個人的心電數據上傳到個人電腦或者云端，通過互聯網提供給對應的社區醫生。

本系統具有功耗低、操作簡便、便攜性好和聯網方式多樣等特點。經過實驗測試，用戶可以很方便地攜帶設備活動，所測定的心電信號也滿足監護的要求。

4 結 論

本設備具有多采樣頻率，具有信號處理功能，擁有私有協議RF 與BLE 兩種無線傳輸方式等特點。設備具有很大的靈活性，可以做標準導聯、病人監測、運動記錄、健康評估等應用。設備采用了低功耗設計方法，微型與智能的特性使其與其他產品比較具有很大的先進性。

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