基于AD8232芯片的便攜式心電監護儀設計

盧潭城，劉 鵬，高 翔，陸起涌

（復旦大學電子工程系，上海 200433）

基于AD8232芯片的便攜式心電監護儀設計

盧潭城，劉 鵬，高 翔，陸起涌

（復旦大學電子工程系，上海 200433）

設計了一種基于手機的便攜式心電監護儀。該系統使用ADI公司新推出的單導聯心率監護儀模擬前端的AD8232芯片，僅需2個電極連接便可測量人體的心電信號，并通過藍牙通信技術實時地把心電信號顯示在手機上。敘述了軟硬件設計。此系統具備心電信號分析、心率計算、心律失常檢測、失常心電圖的回放、導聯脫落檢測、快速自動恢復心電信號等功能。結果表明該心電監護儀具有低成本、低功耗、小尺寸、便于攜帶等優點。

便攜式心電監護儀；AD8232；小尺寸低功耗

隨著人口老齡化問題的日趨嚴重，心臟類疾病的發病率越來越高，對疾病老年人的心電監護也就越來越受到重視。許多研究表明，一半以上的猝死者在死前的數周有過心電圖失常的癥狀。雖然很多病人在猝死前曾診治過，但因為病人心電圖失常的癥狀很少出現，診斷時病人的癥狀已經消失，導致許多不易被檢測到的癥狀被忽視［1］。心電監護儀是一種新一代的醫用電子儀器，用戶不需要親自到醫院，在家中使用它就可以完成心電圖的測量，實現遠程監護［2－3］。它與監護診斷儀器不同，心電監護儀必須長時間實時監護病人的心電圖，才能檢測出心率變化趨勢，保存失常的心電圖信號，為醫務人員提供治療的參考依據，起到緩解并移除病情的作用［4］。

近年來，在智能手機平臺上研發了一些基于數碼相機檢測心率功能的應用軟件［5］，其測量方法是利用手機的補光燈充當光源，然后在手機相機上感應出皮下毛細血管的跳動來測心率。此種方法適合于心率的測量，但無法提供心電圖形的測量。

便攜式心電監護儀一般由信號的采集、處理和顯示模塊組成，運用互聯網技術，實現病人心電的遠程監護，實時地確保病人的安全。但目前多數的心電信號采集模塊存在的不足有：（1）采用儀表放大器和運算放大器等分立器件實現對人體微弱生物信號的放大和濾波，模塊的功耗和體積一般比較大［6－7］；（2）心電采集模塊采用三電極單導聯的測量方式，其中的一個電極是右腿驅動［8］（本文中基于AD8232的心電監護儀可以不用此電極），主要是改善系統的共模抑制性能；（3）心電信號采集模塊與顯示模塊連接在一起［9］，不僅不方便測量，而且身上的導線會給測量者帶來心理壓力，影響測量結果。

AD8232芯片是ADI公司新推出的一款用于心電及其他生物電測量的集成信號調理模塊，大小僅為4 mm×4mm，集成了儀表放大器、增益放大器、右腿驅動電路、休眠電路設計、基準電壓緩沖以及導聯脫落檢測電路，主要是提取、放大及過濾微弱的生物電信號［10］。因其低成本、低功耗、小尺寸等優勢被廣泛應用在便攜式健身設備、遠程醫療監護終端、汽車、手表、手機等多種電子設備上。AD8232芯片還具有導聯脫落檢測功能、創新的快速恢復模式、可實現高共模抑制能力［11］。本文主要針對心電監護儀的心電信號采集模塊，采用AD8232芯片作為監護儀的模擬前端，設計了基于AD8232的便攜式心電監護儀，并將心電圖實時地顯示在手機上，同時對心電數據進行分析，檢測出心律情況。

1 硬件設計

心電監護儀由電源管理電路、心電信號采集模塊、處理器控制電路、藍牙模塊和嵌入式操作系統的手機移動終端等部分組成，結構框圖如圖1所示。心電信號的采集模塊是由AD8232芯片加外圍電路組成，這一部分的設計比分立元器件構成的采集模塊節省空間與能耗，而且還有快速自動恢復和導聯脫落檢測等功能，符合便攜式低功耗產品設計的要求。采集模塊的模擬輸出信號經A／D轉換后，經過處理器將數據以一定的數據格式送至藍牙緩存區，與具有藍牙功能的手機實現通信。

便攜式心電監護儀最主要的特點就是體積小、功耗低、攜帶方便，由AD8232芯片、小尺寸的AT－mega328p處理器、簡單的HC－07藍牙模塊、帶有藍牙功能的手機即可組裝成方便攜帶的心電監護儀［12］，總大小為3．5cm×3．5cm，戴在胸前時可以照常活動，不會對用戶造成不適的感覺。

圖1 便攜式心電監護儀結構框圖

1．1 電源管理模塊

作為心電監護儀的供電電源，鋰電池一般的輸出電壓范圍是3．3～4．2V，但有可能因為電池電壓的不穩定或鋰電池充電期間的電壓超過AD8232的最大額定值而影響AD8232芯片、處理器和藍牙模塊的正常工作。為了保證心電監護儀各模塊能夠穩定工作，系統使用ADI公司的ADP150電源芯片，配合使用電容和電感，它可以為AD8232芯片、ATmega328p處理器、藍牙模塊提供3．3V的電壓，保證系統穩定地工作。此外，電源引腳上的噪聲過高會降低芯片的性能，必須使用旁路電容來對片式電容去耦。一般在電源引腳附近放置一個0．1μF電容，如果去耦電容過大則會導致功耗的增加。

1．2 心電信號采集模塊

根據人體微弱心電信號的頻率和幅值范圍，設計高低通濾波器電路的截止頻率和幅值增益?？紤]到一般心電信號的頻率范圍在0．5～100Hz之間，而且主要集中在低頻區域，本系統所設計的高通濾波器的截止頻率HPF為0．3Hz，低通濾波器的截止頻率LPF為100Hz，幅頻特性曲線如圖2所示。心電信號的采集電路主要使用AD8232芯片，雖然有ADI提供的外圍參考電路圖，但是實際的電路還是需要進行調試。電路在調試時，低通濾波電路可能會出現自激振蕩現象，采用電容校正法即可以解決。

圖2 高通、低通濾波器的幅頻特性曲線

根據芯片內部的電路設計，AD8232通過給儀表放大器提供一個100kHz的小電流源來檢測電極何時斷開。如圖3所示，此電流在儀表放大器輸入端產生一個差分電壓，該電壓經同步檢測并與內部閾值進行比較，判斷是否有導聯脫落的情況。圖3中的2個電阻過小會使差分壓降過低而檢測不到導聯脫落，同時也會降低心電采集模塊的輸入阻抗，所以2個電阻的阻值的大小最好是10MΩ。當某一端的心電電極出現脫落時，AD8232芯片的LOD引腳會輸出高電平。在軟件設計中，可以容易判斷心電監護儀是否處于正常工作狀態，不會因為導聯脫落的原因而造成偽報警。

圖3 導聯脫落檢測的電路配置

一般的心電圖應用中高通濾波器采用低截止頻率，信號建立的時候可能長達數秒，用戶可能會對此感到沮喪。AD8232在內部通過檢測導聯的連接，可以快速地讓較低的等效電阻把電極切換到較高的頻率，從而縮短建立時間。當用戶在運動過程中暫時斷開電極連接或者出現導聯脫落時，當電路恢復正常后，AD8232芯片可以在1s內就自動恢復心電信號，相比沒有此功能的心電采集模塊，恢復的時間要縮短很多，此功能可以顯著改善用戶的最終體驗［11］。

1．3 處理單元模塊

處理核心選擇開源電子原型的Arduino Pro Mini ATmega328p控制芯片，大小為10mm×10mm，使用其專門的IDE編程環境實現對芯片內部的數據運算等進行處理。采用處理器內部集成的10bit分辨率AD轉換器完成心電信號的采樣。ATmega328p芯片主要負責心電信號的模數轉換、數據傳送、設置休眠等功能，而對于該芯片中不需要使用到的功能，比如模擬比較器、掉電檢測BOD、監視定時器（看門狗）等可以設置為關閉狀態，使得處理器的功耗最小化。

構成ATmega 328p最小系統的方法與其他處理器的一樣：采用1個外部16MHz晶振和2個22pF的電容組成。不同的是，新的ATmega 328p沒有引導程序，不能將主程序直接燒錄，還需要初始化處理器的硬件設備、建立內存空間映射圖，以便為最終調用操作系統內核準備好正確的環境。下載引導程序的方法可以采用高速同步串行口（SPI）的連接方式，用額外的Arduino開發板進行下載。需要特別注意的是，配置熔絲位時必須與外部的晶振匹配，否則芯片將被鎖死，最小系統需要更換與設置相匹配的晶振才可以重新和外部通信。

2 軟件設計

2．1 處理器的程序

由于心電監護儀需要實時對人體心電信號進行采集，并且要無失真地顯示出來，這對信號的采樣頻率有一定的要求。根據Nyquist采樣定理，在進行模擬－數字信號的轉換過程中，當采樣頻率大于信號中最高頻率的2倍時，采樣之后的數字信號可以無失真地恢復出原始信號，完整地保留原信號的信息［13－14］。一般人體的心電信號的頻率范圍在0．5～100Hz之間，而且其中大部分的信號集中在低頻范圍，這要求AD采樣頻率必須大于或等于200Hz。在處理程序中使用延時函數，設置采樣頻率為200Hz。

數據傳輸的波特率是9 600bit／s，為了保證藍牙通信過程中數據傳輸的準確性，程序以表1的數據格式進行傳輸，當在接收端（手機）收到“0xFF”字符時即表示這是一幀數據的開始，使用奇偶校驗方法還可以檢測出數據在傳輸過程中是否出現錯誤。

表1 數據格式

2．2 心電監護儀的手機應用設計

手機的應用設計是基于Java的可擴展開發平臺（Eclipse）進行開發的。Eclipse最初是由IBM公司開發的替代商業軟件Visual Age for Java的下一代著名跨平臺IDE開發環境。它是一個框架和一組服務，用于通過插件組件構建開發環境。程序主要通過手機的藍牙接收數據，再使用SurfaceView控件實時地完成心電圖的繪畫，同時還有對數據進行分析和處理等操作［15］。

為了能夠給用戶使用時帶來好的體驗，測量時心電圖必須實時地顯示在手機上，如果存在延時，就會出現用戶的心臟跳動瞬間和心電圖的QRS波不在同一個節奏上的情況。為此應用軟件設計時，手機將接收到的數據存放在隊列的數據類型中，當隊列有數據時，就使用SurfaceView控件繪畫出波形，達到實時的目的。在繪畫之前，程序會根據表1的數據格式進行初始幀的判斷，然后在每一幀結束后，對所接收到的數據進行奇偶校驗，若校驗出數據在傳輸過程中無錯誤，則使用白色的曲線繪圖；若有錯誤，則在繪畫這幀數據的波形圖時用紅色的曲線標記開來。

2．2．1 心率算法

系統的心電監護軟件功能主要包括：心電波形顯示、心率計算、實時心律失常分析、心電數據管理、心電波形歷史回放等內容。

根據心電信號的特性，QRS波的頻率一般在12～22Hz之間，而P波和T波的頻帶都是在此頻帶的低端以外［16］，所以QRS波的提取可以使用差分算法處理［17］，定義：將式（1）和（2）分別乘以比例系數后相加，得實驗結果表明，當取a＝1．5，b＝1．2時，式（3）能很好地增強QRS波，減弱T波和P波，QRS波的提取效果如圖4（a）所示。相比在原始信號直接使用閾值法計算心率，使用差分算法可以取得每個QRS波的準確位置，而且當心電信號發生基線漂移時，也能計算出正確的心率值。原始心電數據經過上式的差分算法處理后，再通過設定適當的閾值，可以檢測出一定時間內QRS波出現的次數［18－19］。一般可以通過下式計算出瞬時心率HR：

其中，N為這段時間內QRS波出現的次數，f為采樣頻率，Tl和Tf分別為最后一個和第一個QRS波峰的位置。但由計算公式得出的瞬時心率變化過大，本文的軟件設計中增加了一種計算平均心率的方法，即直接計算1min內QRS波出現的次數，然后取2種方法計算結果的平均值作為用戶的心率測量值。其中，心率的測量值是每5s計算1次，也是每5s更新1次。如圖4（b）是實時地心電信號在手機上的顯示結果。

圖4 QRS波的提取效果和心電波形

2．2．2 實時心律失常分析

用戶需要24h隨身佩戴便攜式心電監護儀進行監護，假如沒有針對性地對心電信號進行分析，那么在所記錄下來的大量數據中很難找到異常的信號，這也不便于醫務人員的診斷。心律失常分析方法是根據表2所示的指標進行判定，分別可以判定出漏搏、停搏、心動過速、心動過緩、心律不齊5種不同類型的心律失常［20］。

表2 心律失常的判定標準

當出現心律失常時，程序將自動保存最近1min的心電數據，并以“心律失常類型的名稱＋當時的時間”命名，方便過后查閱。手機異常類型判定流程圖如圖5所示。應該說明的是，心動過速和心動過緩分生理性、病理性兩種。比如跑步、緊張時心律加快為生理性的心動過速，而生理性竇性心動過緩常見于運動員、睡眠等。當檢測出心動過速或心動過緩時，也不一定是病理性的心律失常，還需要根據實際情況分析。

圖5 異常類型判定流程圖

2．2．3 性能參數

該系統的性能參數如表3所示。實際的功耗取決于3種工作模式。

（1）藍牙搜索設備模式。此時監護儀上的藍牙指示燈會不停地閃爍，表示等待配對，工作電流為20～40mA。

（2）藍牙已配對模式。此時監護儀上的藍牙指示燈會一直亮，表示藍牙模塊與手機已經完成配對，工作電流大約為20mA。

（3）數據通信模式。此時監護儀的工作電流大約為28mA。

現有的心電監護儀一般使用三電極方式測量，其中一個電極作為右腳驅動，主要是為了提高心電信號測量時的共模抑制，降低干擾信號。而本文設計的心電監護儀使用均值濾波，也可以達到濾除噪聲的效果。用戶使用時可以節省1片心電電極片，降低使用成本。

表3 性能參數

3 結果與討論

基于AD8232的便攜式心電監護儀在測量實驗中，采用I導聯的測量方式，其測量的心電圖信號干擾小，具有醫學意義的T波和QRS波明顯可見，而且相比分立器件構成的便攜式心電監護儀，不容易發生基線漂移的現象。采用差分算法處理后，QRS波的正確檢測率很高。作者通過對不同的人進行心率測量實驗中，所測量的心臟跳動次數與實際值相差最大不超過3次／min。造成誤差的原因，其中也包括用戶在測量期間心跳速率變快或者變慢。另外，為了驗證發生心動過速或心動過緩時能夠被程序正確檢測并記錄，作者分別對在運動后和睡眠時候的人進行了實驗。實驗結果表明，對于運動后的測量，當心跳次數超過100 beat／min時，手機應用程序提示“心動過速”，并保存1 min的心電數據；對于睡眠者的心率測量，當心跳次數低于60beat／min時，手機應用程序提示“心動過緩”，并保存1min的心電數據。

本系統基于ADI公司的單導聯心率監護儀模擬前端AD8232芯片，完成了心電信號采集的功能。借助當今普遍使用的手機設備，實現數據通信、信號分析、信號顯示、心率計算、心律失常檢測等功能。從其他有關便攜式心電監護儀的研究中可以看出，心電信號的采集模塊是由分立器件構成的，沒有本文中所提的快速恢復電路、導聯脫落檢測等功能，而且需要3個電極才能完成心電測量。本文設計的心電監護儀，其儀表放大器和運算放大器等都被集成在AD8232芯片上，為心電監護儀的設計節省空間和成本。此外，手機應用程序對心電數據進行分析，可以在測量過程中檢測到心律失常并自動記錄，為用戶快速鎖定對心臟疾病有參考價值的失常心電圖，這也是目前許多便攜心電監護儀所不具備的優點。需要指出的是，便攜式心電監護儀的大小僅為3．5cm×3．5cm，而且功耗非常小，這對遠程心電監護儀的發展有一定的作用。

（References）

［1］楊虎．遠程心電監測技術進展［J］．中國醫療器械信息，2005，11（6）：11－12．

［2］Cristian R，Alexandru P，Hariton C，et al．Telemedicine System for Remote Blood Pressure and Heart Rate Monitoring［C］／／International Conference on E－Health and Bioengineering．Proc EHB，2011：1－4．

［3］Lew C K，Moghavvemi M．Remote Heart Rate Monitoring System Based on Electrocardiography［C］／／Student Conference on Research and Development．Proc SCRD，2002：45－48．

［4］凌嵐嵐．飛利浦病人監護產品營銷戰略研究［D］．上海：上海交通大學，2009：10－11．

［5］Pelegris P，Banitsas K，Orbach T，et al．A Novel Method to De

tect Heart Beat Rate Using a Mobile Phone［C］／／Annual International Conference of the IEEE．IEEE EMBS，2010：5488－5491．

［6］續嶺嶺，楊景常，郝明剛．便攜式心電監護儀的設計［J］．西華大學學報，2012，31（2）：50－53．

［7］張莉，周子龍．基于Android智能手機平臺的便攜式心電監護儀的設計［J］．中南民族大學學報，2012，31（4）：88－91．

［8］凌振寶，黃越，李肅義．基于自動增益放大的便攜式心電監護儀設計［J］．東北石油大學學報，2013，37（3）：105－111．

［9］Zhang Yan，Tian Yi，Wang Zhaobin，et al．An ECG Intelligent Monitoring System with MSP430Microcontroller［C］／／International Workshop on Systems，Signal Processing and their Applications．IEEE WoSSPA，2013：214－219．

［10］李?。瓵DI混合信號處理技術產品解決方案展示［J］．電子產品世界，2013（9）：70－71．

［11］王瑩．低成本、低功耗、小尺寸心率監護儀功能模塊［J］．電子產品世界，2012（10）：20－23．

［12］Yang Hongli，Chai Jihong．A Portable Wireless ECG Monitor Based on MSP430FG439［C］／／International Conference on Intelligent Computation and Bio－Medical Instrumentation．IEEE ICBMI 2011：148－151．

［13］白居憲．信號與系統［M］．西安：西安交通大學出版社，1998：371－374．

［14］李聯富．基于嵌入式系統的壓力試驗機的測試系統［D］．無錫：江南大學，2009：9－10．

［15］佘志龍，陳昱勛，鄭名杰，等．Google Android SDK開發范例大全［M］．北京：人民郵電出版社，2011：1－70．

［16］王磊，鄭崇勛，葉繼倫，等．一種高效的QRS波實時檢測方法［J］．北京生物醫學工程，1998，17（4）：217－222．

［17］張玉霞，邢國泉，嚴瑜，等．基于差分法的心率計算及DSP實現［J］．信息技術，2011，35（35）：137－139．

［18］She Lihuang，Zhao Jinshuan，Zhang Shi，et al．A Novel Portable One Lead ECG Monitor with Low－Cost and Long－Time Recording Based on NUC501［C］／／Chinese Control and Decision Conference．IEEE CCDC，2010：276－279．

［19］Dong Jianwei，Zhang Shi，Jia Xiaonan．A Portable Intelligent ECG Monitor Based on Wireless Internet and Embedded System Technology［C］／／International Conference on BioMedical Engineering and Informatics．IEEE BMEI，2008：553－556．

［20］夏宏器，鄧開伯．心律失常的臨床分析與決策［M］．北京：中國協和醫科大學出版社，2002：6－111．

Design of portable ECG monitor based on AD8232chip

Lu Tancheng，Liu Peng，Gao Xiang，Lu Qiyong
（Department of Electronic Engineering，Fudan University，Shanghai 200433，China）

This paper designs a portable ECG monitor based on mobile phone．Using the single－lead heart rate monitor simulates the front－end of AD8232chip produced by ADI company，and this monitor can measure the human ECG signal with only two electrodes and display the ECG signal on the mobile phone via Bluetooth communication in real time．The system has many functions like ECG signal analysis，heart rate counting，arrhythmia detection，abnormal ECG playback，lead off detection，fast recovery signal，etc．The result shows that the ECG monitor has several advantages such as low cost，low power consumption，small size，easy to carry，etc．

portable ECG monitor；AD8232；small size and low power consumption

TH772；TP273

A

1002－4956（2015）3－0113－05

2014－08－13

國家“863”高技術研究發展計劃資助項目（2011AA100701）

盧潭城（1989—），男，廣東陸豐，碩士研究生，研究方向為智能控制和物聯網

E－mail：12210720033＠fudan．edu．cn

陸起涌（1966—），男，江蘇大倉，教授，研究方向為物聯網技術及應用．

E－mail：lqyong＠fudan．edu．cn