便攜式低功耗心電監測系統設計

摘要：心電圖是檢測心臟健康與否的重要指標之一，常規心電圖機較難在心臟疾病早期發現異常，因而需要通過長期的心電監測來保證心臟健康。但是，容易受到電池容量、電子器件體積等瓶頸限制，低功耗、便攜式心電圖儀是長期心電監測的技術關鍵。本文使用低功耗器件ADS1293配合CC2541，實現了便攜式低功耗心電監測系統設計。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/274751.htm

關鍵詞：穿戴醫療；低功耗；心電監測；藍牙DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2 015.5.013

引言

本文通過對人體心電信號的各項主要特征和實際檢測需求，設計開發了一套便攜式低功耗心電監測系統。該系統通過嵌入內衣穿戴的心電采集模塊，采集人體心電信號，并通過無線藍牙數據網絡將信號發送至iPAD終端，進行數據的處理、顯示，從而達到人體心電遠程、實時監測的目的。

1 系統方案

1.1 總系統設計

便攜式低功耗心電監測系統中，系統的功耗越低，穩定性越高，對穿戴了產品病人監測效果越好。因此本產品著力考慮功耗低、穩定性、集成

性高的芯片。圖1為該系統的

結構框圖。系統硬件部分主要由ADS1293前端采集模塊采集人體微弱的心率信號，并通過適當的放大、濾波來提取有用的心電信號。無線發送模塊，采用TI公司帶有專利8051核的CC2541進行心電信號數據的傳輸。電源模塊，利用TPS61220進行升壓。iPAD終端對無線發送模塊發送過來的心電信號接收，并利用濾波和心率算法對心電信號進行處理，最終將信號顯示在屏幕上。

1.2 硬件設計

1.2.1 心電信號采集模塊

ECG信號是一種低頻率的微弱雙極性信號，信號頻率主要分布在0.05Hz—150Hz，幅度為10uV—4mV，其典型為ImV，此外ECG信號中往往還混有其他的生物電信號，加上體外的50Hz工頻干擾，儀器內部噪聲和儀器周圍電場、磁場、電磁場干擾等。上述因素使得心電噪聲比較強，為采集和測量帶來了一定的困難。

本設計以TI公司推出ADS1293為核心進行開發。ADS1293是TI公司推出，一款用于生物電勢測量的集成式三通道模擬前端，具有功耗低、噪聲小特點，適用于心電監測。

ADS1293從IN1—IN6共有6個輸入引腳，全部輸入引腳都包含一個EMI來濾除射頻噪聲。該模塊采用5導聯連接方式。RA、LA、LL分別連接IN1、IN2、IN3引腳，利用共模探測器取得RA、LA、LL的平均電壓作為右腳驅動放大器的輸入，右腳驅動放大器的輸出端返回到RL端，一起從IN4引腳輸出。WCT的輸出連接到IN6引腳，與連接到IN5引腳的Vl胸電極一起作為CH3通道的差分信號的輸入。

通過儀用放大器對輸入的差分信號進行放大，將輸出信號送到∑△調制器把差分模擬電壓信號轉換為數字信號輸入到低通數字濾波器中，即可得到編碼后的數字信號輸出。信號的輸出采用SPI通信協議，將編碼后的數字信號輸出到下一模塊。

1.2.2 無線發送模塊

將心電信號采集模塊采集到的信號，通過該模塊發送到終端設備上。該模塊以TI公司的CC2541為核心。CC2541將領先RF收發器的出色性能和一個業界標準的增強型8051MCU、系統內可編程閃存存儲器、8KB RAM和很多其它功能強大的特性和外設組合在一起。CC2541非常適合應用于需要超低能耗的系統。這由多種不同的運行模式指定。運行模式間較短的轉換時間進一步使能耗降低。

CC2541內嵌8051核，將心電發送模塊經編碼后的數字信號以SPI協議接收，進行處理，再通過RF發送出去。

1.2.3 電源模塊

電源供電模塊給心電信號采集模塊和無線發送模塊供電。該模塊采用TI公司TPS61220進行設計。TPS61220是一款具有5.5uA的靜態電流低輸入電壓、0.7V升壓轉換器。TPS61220采用6引腳SC-70封裝，可在低負載條件下保持極高的效率。可進一步延長本系統基于低功耗的微處理器的設計方案的電池使用壽命。在SV輸出電壓時，輸出電流高達50mA，并使系統的鋰離子電池放電電壓低于2.5V。

1.3 軟件設計

1.3.1 軟件總設計

軟件部分主要分為四大模塊，即通信、濾波、心率計算、繪圖。軟件流程圖如圖3所示。打開iPAD的APP，程序開始運行。各種變量以及用到的堆棧初始化，然后在屏幕上通過計算所要畫心電坐標比例尺，繪出所要畫心電坐標輔以及輔上刻度，按照藍牙發送端通信協議接收心電信號，未接收到信號，則繼續等待；接收到信號后，將接收到的信號通過FIR算法濾波，將心電信號繪制在心電坐標上：用心率算法計算出心率值，顯示在屏幕上。

1.3.2 核心算法

核心算法主要分兩大部分，即濾波算法與心率算法。

雖然ADS1293對采樣后的數據盡管噪聲得到了一定的抑制，但仍有50Hz的干擾，在心電測量時必然還有其他信號的干擾，所以軟件濾波是必然需要的。在本設計中，僅對心電數據進行低通濾波處理，采用窗函數法設計FIR低通濾波器，將30Hz以上的信號濾除，保留有效的心電頻率數據。

由阻帶最小衰減和過渡帶寬性能指標，選取漢寧窗，采樣點數N為31。在圖表中可以看出，該濾波器對低頻信號給予了適當的放大，高頻尤其是50Hz工頻有很好的抑制作用。而真正的數據衰減是在30Hz—38Hz之間開始。

軟件中對心率進行計算主要是基于對QRS波中R波的識別來進行的，認為R波的出現與心率是同步的。R點的識別在這里簡單地采用閾值法。在閾值判別之前首先要進行高通濾波，將低頻的干擾去除，與低通濾波器類似，采用長度為31的FIR窗函數濾波。在心率計算時，設一標志位beat和兩個計數位counter. pulseperiod。counter和pulseperiod在ADC采到一個點時就加1。這樣在每識別一個R點，將計數位counter清零，當counter計數到90時，beat位加1，當beat等于3時，開始計算心率。

2 IPAD終端顯示

iPAD顯示屏采用Re tina顯示技術，可以把更多的像素點壓縮到一塊屏幕上，從而達到更高的分辨率并提高屏幕顯示的細膩程度。該屏的分辨率在正常觀看距離下，足以使人的肉眼無法分辨其中單獨像素，故也被稱為視網膜顯示屏。采用該屏顯示，可將人心率信號很多細微的差別更清晰地顯示出來，方便專業的人士進行分析。如

3 結語

本系統將傳統的心電采集、處理、傳輸和顯示以內衣穿戴的方式集成在一起，克服了傳統系統體積大、功耗大、使用不便的缺點，對病患進行長期實時的監控，并在終端進行顯示，可在危急狀況發生之前來挽救生命。