基于智能手機的可穿戴心電監護系統設計

劉炳言，李 瑩，王振中，李昱釗，楊麗芳

（北京林業大學 理學院，北京 100083）

基于智能手機的可穿戴心電監護系統設計

劉炳言，李 瑩，王振中，李昱釗，楊麗芳

（北京林業大學 理學院，北京 100083）

針對傳統心電設備的移動不便性以及穿戴局限性，自行設計了基于智能手機的可穿戴心電監護系統。系統分為心電采集模塊和心電處理顯示模塊，通過AD8232芯片、單片機、安卓平臺等高科技手段實現了整個系統的微型化與智能化。并基于不同人的形態特征，設計了一套具有通用性的可穿戴物理設備，擺脫了個人身高和體形的限制，富有創新性。

心電監護；單片機；智能手機；可穿戴設計

1　前 言

隨著科技的迅猛發展，醫療儀器也逐漸向著“微型化、智能化、個性化、網絡化”的方向過渡。在這樣的背景下，可穿戴便攜式醫療檢測儀器的設計被提上日程。而在眾多的醫療儀器中，心電監測系統的小型便攜化尤為迫切。

傳統的心電信號監測儀器的體積大且價格昂貴，不利于病人隨身攜帶和進行長時間的監測，成本高昂，加重了病人負擔。考慮到這些因素并結合目前智能終端設備迅猛發展的趨勢，基于Android平臺智能手機的可穿戴心電監護設備應運而生。

可穿戴式心電監測設備可以方便地穿在用戶身上，在不影響其正常生活的情況下能夠長時間連續監測用戶的心臟情況。近幾年，國內外在穿戴式心電監測方法及應用儀器的研究方面取得了很大進展，其中具有代表性的研究成果有：AMON腕式健康與預警網絡監護儀器，MyHeart心血管疾病監測智能穿戴系統以及LifeShirt生命衫等。

但是，目前這種應用還存在很多局限性，尤其是在使用服裝一類的可穿戴設備時，由于個人身高和體形的限制，使得可穿戴服裝必須按照個體設計，并且只限于其本人使用。基于此，設計了一種可適應不同身高體型的人使用，基于智能手機終端的，便于家庭使用的心電監護設備。

2　手機端心電監護系統的基本組成

手機端心電監護系統主要包括兩大部分：心電信號采集模塊和心電處理顯示的手機模塊，具體如圖1、圖2所示。

圖1 心電信號采集模塊

2.1 心電信號采集模塊

心電信號采集模塊主要包括模擬放大和濾波，ADC轉換。

模擬放大和濾波采用AD8232生物電傳感器為核心芯片。AD8232內部儀表運放（IA）的放大倍數固定為100倍，配置OPA （AI）放大倍數為4倍，因此，心電信號放大倍數為400倍，并將心電信號偏置電壓REFIN設計為1.65V。配置0.3Hz的雙極點高通濾波器和37Hz的雙極點低通濾波器，能夠有效濾除干擾，保留心電數據的主要信息，獲得失真最小的心電波形。

圖2 心電處理顯示的手機模塊

ADC轉換選擇宏晶科技公司的STC15系列單片機中的STC15F2K60S2作為主控芯片并對其進行程序設計，從而實現ADC轉換。

2.2 心電處理與顯示的手機模塊

心電處理與顯示的手機模塊主要包括藍牙無線數據傳輸以及智能終端的顯示。

藍牙傳輸部分選擇的硬件模塊是BMX-03A，它是一款藍牙轉串口模塊，可以通過串口來和單片機以及主控芯片連接，版本為2.0。該模塊采用CSR BlueCore芯片，配置有8Mbit的軟件存儲空間，支持AT指令，用戶可根據需要更改設備名稱、主從模式、配對密碼、串口波特率等參數，使用起來非常的靈活。

智能終端的顯示部分主要是安卓平臺的搭建及實現，應用程序包含1個主線程和3個子線程，如圖3所示。

圖3 系統開發功能圖

最終設計的安卓界面如圖4所示。

3　可穿戴心電監護系統的設計

3.1 基本組成及原理

該系統主要包括可穿戴服裝、心電監測單元、智能手機終端，可穿戴服裝包括前片及后片，前片內側設置有五個圓形電極片安裝板，5個電極片安裝板分別對應心電監護導聯的左上、左下、中間、右上、右下位置，每個電極片安裝板的邊緣處設置有穿過前片的螺栓，前片外側設有與螺栓對應的緊固旋鈕，心電監測單元固定在前片外側，心電監測單元通過穿過前片的心電導聯線連接五個心電電極片，5個心電電極片分別固定在五個電極片安裝板上，所述心電監測單元包括心電傳感器、藍牙無線模塊，心電傳感器連接心電導聯線，無線通訊模塊與智能手機終端無線通訊連接。

圖4 應用程序顯示界面

通過可穿戴服裝上設置電極片安裝板，通過電極片安裝板的轉動，擴大了心電電極片對應人體的范圍，使得不同身高體型的人都可以準確地對準心電監護導聯的各個身體位置，心電電極片為銅或銅合金或可導電生物結構材料制成，避免了傳統的一次性貼片型式的心電電極片使患者產生不適或皮膚過敏的問題，藍牙通訊模塊將監測數據傳送給智能手機終端，不須配置專門的PDA終端設備，節約了成本。

3.2 設計的詳細構思及使用方法

如圖5、圖6所示，一種基于智能手機的心電監護設備包括可穿戴服裝1、心電監測單元2、智能手機終端3，可穿戴服裝1包括前片4及后片5，前片4內側設置有五個圓形電極片安裝板6，五個電極片安裝板6分別對應心電監護導聯的左上、左下、中間、右上、右下位置，每個電極片安裝板6的邊緣處設置有穿過前片的螺栓7，前片4外側設有與螺栓7對應的緊固旋鈕8，心電監測單元2固定在前片4外側，心電監測單元2通過穿過前片的心電導聯線9連接五個心電電極片10，五個心電電極片10分別固定在五個電極片安裝板6上，如圖3所示，心電監測單元2包括心電傳感器、處理器、藍牙通訊模塊，心電傳感器連接心電導聯線9，藍牙通訊模塊與智能手機終端3無線通訊連接。

圖5 可穿戴設計內側圖

圖6 可穿戴設計外側圖

使用時，使用者先穿上可穿戴服裝1，將緊固旋鈕8放松，旋轉電極片安裝板6，使得心電電極片10對準心電監護導聯的準確位置，然后旋緊緊固旋鈕8，扣好按扣11，打開電源開關，就可以開始心電監測了，監測結果通過藍牙通訊模塊將監測數據傳送給智能手機終端3。

4　結 語

本文主要針對醫療檢測領域，基于單片機、手機終端等高科技設備，設計了一套可穿戴式心電監護設備。該設備功耗低、體積小、方便攜帶，并可適應不同身高體型的人使用，靈活性高。相信在不遠的將來，這種可便攜穿戴設備與智能終端的結合應用必將成為醫療檢測領域的主流。

主要參考文獻

［1］岳蜀華，王美涵，郭飛，等.可穿戴式無線心電監測儀的研究現狀［J］.生物醫學工程與臨床，2006（4）.

［2］豐利軍.移動及無線醫療設備漸成保健醫療工作新寵［N］.中國醫藥報，2005-11-16.

［3］鄭武，金純，楊致遠.可穿戴式無線網絡技術研究及應用［J］.微計算機信息，2005（8）.

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.10.102

TP277

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1673-0194（2016）10-0147-02

2016-04-02