一種新型移動式心電監護系統的研制

秦海朋，吳水才，劉忠英

1.北京工業大學 生命科學與生物工程學院，北京 100124；2.北京麥邦光電儀器有限公司，北京 102629

一種新型移動式心電監護系統的研制

秦海朋1，吳水才1，劉忠英2

1.北京工業大學 生命科學與生物工程學院，北京 100124；2.北京麥邦光電儀器有限公司，北京 102629

目的設計一種新型移動式心電監護系統，包括創可貼式心電監護儀和手機心電監護APP。創可貼式心電監護儀可以24 h提取人體的心電信號，手機心電監護APP通過低功耗藍牙（BLE）從心電監護儀獲取心電數據，并在其界面上實時顯示心電波形和心率信息。方法以CC2640低功耗藍牙芯片作為主控芯片，結合心電采集電極和單導心電采集電路，完成單導聯心電信號的采集。手機心電監護APP應用Eclipse IDE進行開發，接收心電監護儀通過BLE發送來的心電數據，完成心電信號的實時繪圖、存儲和心率顯示。結果該新型移動式心電監護系統可以采集人體的心電信號并通過BLE傳送至智能手機心電監護APP。心電監護APP可以實時顯示心電波形，進而通過斜率閾值方法進行QRS波檢測和實時心率計算。結論本文研制的新型移動式心電監護系統攜帶方便、運行穩定，可實時顯示心電波形和準確測量心率信息，具有實用價值。

心電監護儀；智能手機應用；低功耗藍牙；心電波形；心率信息

0 引言

隨著人們生活水平的提高，心血管疾病頻發，那么如何做好心血管疾病的預防及監護成為全社會共同關注的問題。醫療監護通常分為兩種：一種是傳統的醫療監護，指在醫院由醫生使用專門的儀器對病人進行生理信號監護；另一種是新型醫療監護，即遠程醫療監護系統，指由患者本人或其家屬使用遠程醫療監護儀，通過該儀器將所得生理信號及時傳送給相關醫生進行監護。由于傳統醫療監護受醫療資源、患者經濟條件等多因素制約，使其越來越不適應當今實時、連續、不間斷的監護要求[1-2]。便攜式心電監測設備具有攜帶方便、價格低廉等優勢，對于個人、家庭和中小型社區醫院十分適合，為家庭疾病預防和遠程醫療等新興醫療方式提供了良好支撐。盡管該類設備在性能上不如大型醫院相同功能設備，但完全可以滿足日常家庭的健康監護需求。

1 系統設計

整個系統分為硬件和軟件兩部分：硬件部分為創可貼式心電監護儀，它由主控芯片CC2640低功耗藍牙芯片、單導聯心電信號接收電路、電極檢測電路和電池電路組成；軟件部分為手機心電監護APP，它基于Android操作系統，在Eclipse IDE下開發實現，能夠完成心電數據的接收、存儲和實時心率顯示[3-6]。

1.1 硬件設計

創可貼式心電監護儀通過檢測電極獲取心電信號，心電信號通過心電采集電路消除共模信號并放大濾波后傳送到主控芯片。主控芯片使用CC2640F128RSM低功耗藍牙芯片，CC2640由德州儀器（TI）公司研發，面向Bluetooth Smart應用的無線多點控制單元（Micro-Controller Unit，MCU），此器件屬于CC26XX系列的經濟高效型超低功耗2.4 GHz射頻（Radio Frequency，RF）器件，它極低的有源RF和MCU電流以及低功耗模式流耗，可確保良好的電池使用壽命。CC2640含有一個32位ARM Cortex-M3處理器，與主處理器工作頻率同為48 MHz，具有豐富的外設功能，包括1個獨特的超低功耗傳感器控制器，適用于在系統處于休眠模式時連接外部傳感器，自主采集模擬和數字信號[7]。

圖1 心電采集電路圖

圖2 4階Sallen-Key濾波器原理圖

1.1.1 硬件電路設計

心電圖中的R波幅值通常大約為1 mV，通常在四肢或胸部放上電極檢測心電信號。本研究將電極放在胸部檢測心電信號，心電采集電路，見圖1。用一個具有高增益、低截止頻率濾波器的模擬前端對心電信號做數字轉換和處理，以消除人體耦合噪聲對檢測心電信號的影響。來自電極的共模信號是相同的，用一個差分放大器可以消除共模信號，同時放大輸入的差分心電信號。本研究選用的INA332儀表放大器是一個低成本的差分放大器，其共模抑制比對于頻率小于10 kHz信號為73 dB，靜態電流為490 μA，關機電流小于1 μA，此放大器有1個專門的關機引腳，其最低工作電壓可達2.7 V。INA332儀表放大器被設置成外接10 kΩ電阻，其電壓增益為10 dB。輸入端電極串行連接51 kΩ電阻，這樣既可以限制從人體來的電流，而且可以達到一個RC低通濾波器的功能。從電極到共模電壓（Voltage Common Mode，VCM）連接著5 MΩ的下拉電阻，這既可以幫助兩個輸入端電壓保持一致，也給電路工作提供了直流偏置點。VCM由一個工作在電壓跟隨器模式（低輸出阻抗）下的通用運放提供，設置在750 mV。

本文選用TLV274四核運放制作成一個二階Sallen-Key濾波器，見圖2。TLV274工作電流是550 μA/通道，最小工作電壓是2.7 V，共模抑制比為58 dB。Sallen-Key濾波器每級的電壓增益是8.5。這樣，整個模擬前端的電壓增益是10×8.5×8.5=722.5，截止頻率是16 Hz。

從低通濾波器輸出的心電信號被放大和預處理，隨后被輸入到CC2640微控制器的數模轉換器通道。INA332的關機引腳和TLV274的VCC引腳都連接到CC2640一個通用輸入輸出引腳（General Purpose Input/Output，GPIO）被用來啟用和禁用模擬前端，此GPIO被設置成低電平狀態用來減少休眠模式下的電源電流消耗。模擬前端在傳導墊上設有保護二極管（TPD2E001）作為一個預防措施，用來保護在人體靜電放電情況下器件不受損壞。

1.1.2 電極檢測電路

為了檢測電極貼與身體的接觸情況，本研究采用電阻分壓器方案。該方案需要兩個電極之間人體電阻范圍在100～300 kΩ之間，并且導電焊盤間電阻比該范圍更大，見圖3。

圖3 電極檢測電路圖

當檢測電極貼與身體接觸時，電流流過電阻最小（人體）的路徑引起左導電焊盤上的電壓發生變化，此電壓被模擬數字轉換器（Analog Digital Converter，ADC）取樣，轉換成的數據和一組閾值比較，判斷接觸狀況是好、禁止或沒有接觸。在休眠模式下，微處理器引腳可以斷開電源和地的連接來減少電源電流的消耗。

1.1.3 硬件編程實現

硬件編程使用TI提供的BLE-Stack4.0版協議棧，使用IAR集成開發環境編程，運行流程，見圖4。

圖4 硬件編程實現流程圖

首先配置CC2640開始1 Hz的周期喚醒，并禁用模擬前端（Analog Front End，AFE）和ADC采樣。當間隔到期時，將通過電極檢測電路判斷導聯是否連接，若已連接，則設置CC2640開始60 Hz的周期喚醒，關閉電極檢測電路并開啟AFE和ADC采樣。當心電數組存滿時，通過BLE將心電數據發送至智能手機。運行時電極檢測電路會每3 s運行一次，保證電極持續獲取數據。如果電極有連接，則回到心電采樣步驟，否則返回到初始狀態。

1.2 手機APP心電監測軟件開發

手機APP心電檢測軟件是基于Android系統進行設計，采用5.0版智能設備作為開發平臺，BLE比傳統藍牙功耗更低，續航時間更長。Android系統共分為4層，從高到低分別是應用層、應用架構層、系統運行庫層和Linux內核層[8]。Android從4.3版本開始支持BLE4.0的功能，有關BLE的類別和接口都位于android.bluetooth包中[9]。

手機APP軟件設計是在window7系統的計算機上進行，系統開發所需軟件為JDK、Eclipse、Android SDK和ADT。Android應用程序由4個模塊組成：Activity、Intent、Content和Service，編程語言是Java[10-11]。軟件設計充分利用Android可視化編程和多線程并發執行的優點，實現了軟件登錄界面、注冊界面、功能選擇界面、心電測量界面、歷史心電界面、用戶信息界面和系統設置界面及其功能。其中功能選擇界面為中轉界面，將各個功能模塊連接起來；用戶信息界面用于記錄用戶的詳細信息，用戶信息將會保存至手機數據庫；心電知識界面向用戶介紹心臟結構、心電圖簡介和心律失常的相關信息；系統設置界面包括藍牙配對、心電測量時間設置、手機剩余存儲空間大小、幫助、版本升級、意見反饋和密碼修改等功能。軟件運行結構，見圖5。

圖5 手機APP心電監測軟件結構圖

1.2.1 登錄界面和注冊界面

用戶在注冊界面若注冊成功，該用戶的用戶名、密碼和郵箱將會記錄在手機數據庫SQLite之中。再次登錄時會在數據庫中查詢是否有對應的用戶名和密碼，進而判斷是否登錄成功。用戶也可在登錄界面點擊“記住我”，這樣就不需要每次都需要輸入用戶名和密碼。如果用戶只想看看軟件的功能而不想注冊，可點擊“免賬號登錄”，直接翻看軟件的功能，但其中部分功能將會被限制。

1.2.2 心電測量界面

心電測量界面實現了心電圖繪制、心電數據存儲、測量倒計時和實時心率顯示功能。用戶在首次進行心電測量時，首先要在“系統設置”中點擊“藍牙設置”，藍牙配對成功后，軟件會自動將配對設備的地址記錄于SharePreference中。再次測量時，直接點擊“心電測量”即可實現藍牙自動配對。心電測量界面及實現自動配對流程，見圖6。

圖6 心電測量軟件運行流程圖

在心電測量界面，主線程用于向心電數據緩沖區寫入新的數據和監聽界面中各個按鈕的狀態。為了防止阻塞主線程，心電圖繪制、倒計時、心電數據存儲和實時心率計算均啟用新線程執行。

心電數據采集模塊工作流程，見圖7。心電監護儀通過BLE向Android設備發送心電數據，Android端通過BLE獲取心電數據。心電數據以數據包的格式發送，每包數據大小為20字節，其中每2字節為一個心電數據，高字節在前低字節在后。數據緩存隊列應用Java泛型實現循環隊列，存入數據對應入隊操作，出隊操作在數據繪圖完畢后進行，應用循環隊列作為緩存數組的目的是實現24 h不間斷測量。

圖7 數據采集模塊工作流程圖

心電圖繪制線程使用自定義SurfaceView類來實現。在畫布初始化時，獲取屏幕長和寬的分辨率，設置畫布的大小，確定心電圖繪圖基線。開啟繪圖線程，在繪圖線程內對數據緩存隊列的大小進行判定，若緩存數據多于10個，則繪制一條心電圖曲線。由于Android手機普遍存在屏幕刷新率最高為65 fps的限制，本研究中每秒共有250個心電數據，一次性繪制10條線段，屏幕每秒刷新25次即可。當心電波形畫滿整個界面時，該線程會將繪圖坐標移動到起點，繼續畫圖，逐漸刷新上一屏的心電圖。此外，本文將1280×720分辨率的手機設置為標準心電圖，設置心電圖每50像素為一個大格，每個像素點繪制一個心電數據，即實現標準心電圖25 mm/s的走速；在幅度上，將心電數據乘上系數A，即可實現10 mm/mV的標準心電圖幅度值。

倒計時功能在心電測量初始化時，從“系統設置”中的“心電測量時間設置”獲取測量總時間，初始化顯示時間。倒計時線程應用Android中的Handler類，每間隔1 s向主線程發送更新倒計時顯示的信息，主線程接到信息后，將顯示的倒計時減1 s。

心電數據存儲線程在接收到第1個心電數據包后開啟，該線程會獲取手機SD卡路徑，并在其目錄下建立“/ECGData/登錄用戶名/測量時間”路徑的文件夾，將本次測量的心電數據保存在該路徑下，心電數據以bin文件的格式存儲于SD卡中，文件名為storeECG.bin。為了降低內存使用率，本文每次存儲20字節的心電數據。心電存儲數據緩存隊列，同繪圖數據緩存相同，使用循環隊列的方式，存入數據對應入隊操作，出隊操作在存儲完成后進行。

1.2.3 實時心率算法

心率算法通過檢測心電信號的QRS波，并通過提取兩個R波之間的間隔，計算心率。在心電波形中QRS波特征最為明顯，可作為后續特征查找的基準點，檢測QRS波目前主要有差分閾值法、小波變換法、帶通濾波法、形態學方法、神經網絡發和濾波器組法等[12]。考慮到Android平臺上要求心率檢測的實時性很高，本文選擇計算量較小的差分閾值法[13-15]來獲取心率信息，獲取心率信息的算法流程，見圖8。

圖8 QRS波識別算法流程圖

其中心電監護儀已經對心電信號做了低通濾波處理，在Android設備讓心電信號通過一個高通濾波器，濾波處理目的是消除基線飄移和降低P波、T波的高度。高通濾波器首先用Matlab模擬，尋找到合適的截止頻率；其次，選擇高通濾波器的階數，提取出模擬濾波器數組；最后，通過Java語言實現濾波器的編程，應用在Android設備中。

心電數組為時間的離散函數，微分部分應用一階差分計算。均方部分將微分后的心電信號開平方。R點的識別是算法中最重要的部分，本文先提取均方后的數組中的最大值，用該值乘0.65作為判斷的閾值。在均方后的數組中檢測大于閾值的點并記錄，根據記錄的R點計算RR間期，進而獲取心率信息。

2 系統測試

本文設計的移動式心電監護系統分為硬件和軟件兩部分。硬件基于CC2640芯片，設計出創可貼式胸貼心電監測儀，能夠測量人體的單導心電，實物見圖9。軟件基于Android手機開發平臺，能夠實時繪出心電波形和計算實時心率，手機APP心電測量界面見圖10。實驗結果表明顯示的心電波形和心率值與臨床心電圖機采集的心電波形與心率值相同。

圖9 胸貼式單導心電監測儀實物圖

圖10 手機APP心電測量界面圖

3 總結

本研究開發了一種基于智能手機的新型心電監護系統，對該系統的各部分功能及設計方法進行了詳細介紹。該系統用創可貼式心電圖儀采集人體單導心電信號，通過BLE傳送給智能手機，手機APP心電監測軟件接收、存儲心電數據，實時繪制心電圖和顯示心率。實驗結果表明該系統運行穩定，能夠24 h測量人體的心電信號，通過進一步完善功能，有望應用于個人心臟健康監護。

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Development of a New Type of Mobile ECG Monitoring System

Objective To design a new mobile ECG monitoring system,which includes a Band-Aid ECG (Electrocardiograph) monitor and an ECG smart phone monitoring APP. The Band-Aid ECG monitor can obtain ECG signal from user’s body in 24 h;the ECG smart phone monitoring APP can obtain ECG data via Bluetooth Low Energy (BLE) from the Band-Aid ECG monitors,and display the ECG wave as well as the heart rate information on its surface in real-time. Methods The low-power Bluetooth chip CC2640 was selected as the main controller unit,coupled with the ECG electrodes and singlelead ECG acquisition circuit to complete the single-lead ECG acquisition. The smart phone APP was developed in the Eclipse IDE,which could obtain ECG data from the Band-Aid ECG monitors via BLE,and draw ECG wave,display heart rate on its screen in real time. The data of ECG was stored as well in the progress. Results The new mobile ECG monitoring system can acquire the ECG signal from user’s body,and transfer it to the smart phone APP via BLE. The smart phone APP can display ECG waveform in real time,and then perform the QRS detection and the calculation of real-time heart rate through the slope threshold method. Conclusion The new mobile ECG monitoring system is convenient to carry and stably operated,and can display ECG wave in real-time,and accurately measure the heart rate,which proves itself with great practical value.

ECG monitoring;smart phone monitoring APP;low power consumption Bluetooth;electrocardiograph;heart rate

QIN Hai-peng1,WU Shui-cai1,LIU Zhong-ying2
1. College of Life Science and Bioengineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2. Beijing M&B Electronic Instruments Co.,Ltd.,Beijing 102629,China

R540.4+1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.09.008

1674-1633(2016)09-0034-05

2016-04-13

2016-05-09

國家自然科學基金國際（地區）合作項目（71661167001）。

吳水才，教授，主要研究方向為生物醫學電子與醫療儀器。

通訊作者郵箱：wushuicai@bjut.edu.cn