基于織物電極的可穿戴式心電監護系統

林視達,朱紀軍

(東南大學生物科學與醫學工程學院,南京 210096)

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基于織物電極的可穿戴式心電監護系統

林視達,朱紀軍*

(東南大學生物科學與醫學工程學院,南京 210096)

隨著移動醫療的飛速發展,可穿戴式心電監護已成為個人日常心電監護的一個重要發展方向。而長時間穿戴所存在的便攜性和舒適性差、監測數據不準確等問題是制約可穿戴式心電監護設備發展的重要瓶頸。采用織物電極作為心電采集電極,設計了一種單導聯低功耗、小型化的心電監護系統,改善了長時間穿戴所存在的問題。系統采用織物電極取代傳統Ag-AgCl電極進行心電采集;模擬前端采用ADS1292芯片,調理心電信號,提高信噪比,并進行24位ADC轉換;MCU采用MSP430F5659,進行數據的實時獲取、存儲和計算,并控制外設進行異常警報和與上位機的藍牙通信。系統完成靜坐、行走和跑步狀態下的測試,并對比同步脈率,驗證了檢測數據準確性,證明可基本滿足個人日常心電監測使用。

心電監護;可穿戴;織物電極;ADS1292

隨著全球人口數量增長,老齡化程度加劇以及日常生活壓力的不斷增大,心血管疾病已經成為一種人類不可忽視的嚴重疾病。根據世界衛生組織公布的數據顯示,2015年的全球死亡人口中,由心血管疾病造成的超過1 800萬[1],接近三分之一,而在我國,相關人數也在持續快速上升。國家心血管病中心統計的數據表明,目前全國有2.9億的心血管疾病患者,其中每年因心血管疾病死亡的人數則高達350萬,患病率增幅接近50%,而肥胖和三高的影響使得患病數量額外增長23%。如果不引起重視,加強日常監測和控制,那么預估到2030年,我國將增加2 130萬的心血管病患者,同時死亡人數將增加770萬[2-3]。

作為威脅人類健康的“第一殺手”,心臟病是心血管疾病的最主要部分之一,它突發性強,一般難以被及時發現,同時死亡率很高,所以對人生命的危害極大。大部分心臟疾病患者由于無法及時發現心率異?；蛟诎l病后不能得到快速有效的治療而導致病情加劇,甚至嚴重情況下會造成死亡[4]。相關研究表明,心臟疾病患者在心臟異常前,有超過70%的人會感到明顯不適,而且癥狀持續時間多數超過15 min[5]。這說明通過對心臟疾病患者心率的實時監控來及時發現心臟異常并提醒其采取相應治療措施來避免悲劇發生的手段是有重要意義的?，F階段,醫院常用的心電圖(ECG)監護設備,如心電監護儀[6]和Holter機,都存在著使用舒適感差、便攜性不足、價格昂貴等問題,使得無法滿足多數心臟疾病患者進行長期、實時的日常心電監護使用,特別是使用常規Ag-AgCl心電電極,冗長的導線和無法長時間貼合使用的電極片會給患者的日常生活帶來極大的不便。因此,為了應對此現狀,需要一種更加便攜、便宜且有效的心電監護設備來滿足心臟疾病患者的日常使用需求,幫助他們更及時有效的發現心臟問題,并得以盡快緩解病情。

近些年來,移動醫療設備的發展進入了高速增長期,而可穿戴式心電監護設備也開始被大眾普遍接受,作為新型的ECG監護設備進入人們的日常生活。由于需要對患者的心臟狀況進行實時監護,可穿戴式心電監護設備必須具備穿戴輕便舒適、續航時間長和滿足不同生活場景下(如站立、行走、吃飯、睡覺等)正常工作等特點。而且設備最好能夠連接移動終端,將采集到的實時心電信號數據通過藍牙等無線通訊方式傳輸到智能移動終端上進行存儲、分析和顯示[7-10]。基于這些特點和功能,本文設計了一種基于織物電極的可穿戴式心電監護設備,可以有效的滿足心臟疾病患者日常心電監護使用。

1 系統總體設計

為了充分體現可穿戴式心電監護設備的特點和優勢,本文設計了一種基于織物電極的低功耗、小型化可穿戴心電監護設備。心電采集傳感器采用全新的織物電極,用銀纖維與普通衣物面料局部混織而成,完全融合到衣物面料中,無凸起,可長時間舒適穿戴無負擔。心電采集模擬前端采用TI公司的ADS1292芯片,配合MSP430F5659單片機,完成心電信號的實時采集、數據存儲和處理以及傳輸等功能。本系統設計主要包括心電傳感器、采集前端電路、MCU及外圍控制電路、電源管理模塊和藍牙傳輸模塊等部分。系統總體結構如圖1所示。

本系統采用兩電極進行成人胸部心電信號的單導聯采集,ADS1292采樣頻率為250 Hz,并通過SPI與MSP430F5659進行數據通信,MSP430F5659對采集到的數據進行處理計算,得到實時心率數據,并通過藍牙4.0模塊將其傳輸到終端進行顯示,系統正常工作平均功耗在10 mA左右,且采用可充電鋰電池進行系統供電。

圖1 設計系統總體結構

1.1 心電采集電極

本系統采用織物電極獲取人體心電信號?？椢镫姌O是利用特定紡織工藝將銀纖維等導電織物材料制作為電極的一類特殊傳感器,用來采集人體體表微弱生理信號[11]。傳統一次性Ag-AgCl電極作為目前最普遍使用的心電電極,優勢在于與人體皮膚貼合緊密,極化電壓小,采集到的信號質量較好,但在長時間使用時容易產生摩擦脫落、皮膚過敏等一系列問題,而且使用時有明顯的佩帶感,同時需要定時更換,所以對日常心電監護而言并不合適[12-13]?？紤]到傳統電極在日常心電監護中的不足,本系統采用織物電極進行心電信號的采集,如圖2所示。

圖2 心電織物電極

此織物電極有別于一般的導電布,它是通過提花紡織技術與其他織物面料進行局部混織而成,可以實現織物電極與普通衣物的完美結合,無凸起感。電極采用雙面織物結構,地層是由滌綸紗線織造,傳感層是由鍍銀紗線織造,經紗是化纖長絲,緯紗是鍍銀導電紗。鍍銀紗線在緯紗方向形成雙層結構,如圖3所示[14]。此織物電極是典型的柔性干態電極,與傳統一次性黏性電極相比,它的柔性、耐久性、可水洗性、人體生物兼容性、可集成性都大大提高。

圖3 織物電極采用的提花技術的橫截

1.2 心電采集模擬前端

心電采集模擬前端通過高頻濾波、阻抗匹配等手段,高質量獲取人體體表微弱心電信號,進行多級放大和濾波處理,并通過ADC轉換,將得到的心電數據傳輸給MCU進行處理分析的模塊[15]。本系統考慮到小型化設計需求,采用TI公司開發的集成模擬前端ADS1292進行系統設計。ADS1292芯片是一款用于測量生物電信號的集成調理模塊,可實現心電的同步采樣和24位模數轉換,采樣精度高,信號無需高倍數放大就可滿足采樣精度要求,且內置可編程增益放大器、內部參考和一個板載振蕩器,心電采集參數可以通過配置內部寄存器進行靈活設置,是心電采集系統設計的最佳選擇之一。本文利用ADS1292進行兩電極心電采集電路設計,具體電路如圖4所示。

圖5 MSP430F5659控制及外圍電路設計

圖4 基于ADS1292的兩電極心電采集電路

1.3 MSP430系統硬件設計

本系統采用MSP430F5659作為微處理器實現對心電信號的采集、處理和與移動終端的藍牙4.0數據通信等功能。MSP430F5659是一款TI公司的超低功耗16位RISC結構MCU,工作電壓為1.8 V到3.6 V。通過MSP430F5659的SPI接口實現和ADS1292的SPI通信來獲得其采集的24位心電信號數據,并將獲得的數據進行存儲和計算,獲得實時心率值。一旦出現心率異常,系統將通過蜂鳴器進行用戶提醒,確保及時將異常反饋給使用者,為其爭取寶貴的就診時間。于此同時,系統會將該時間段的實際采集數據進行長久保留,并在和智能移動終端建立藍牙連接后,將心率數據以及異常階段的心電信號數據上傳至移動終端,供用戶查看和輔助醫生診斷使用?？刂齐娐吩O計如圖5所示。

1.4 電源管理設計

本系統采用可充電鋰電池進行系統供電,以滿足用戶長時間佩帶使用的需求,避免經常更換紐扣電池所帶來的麻煩。鋰電池容量為200 mAh,尺寸為4.7 mm×2 mm×0.4 mm,可以恰好附著在電路板背面,最大程度節省了空間,滿足小型化的需求,如圖6所示。該鋰電池可以維持設備至少1 d～2 d的正常工作。

鋰電池充放電管理采用TI公司的BQ24040芯片,可以靈活控制管理充放電,且有效保護鋰電池,避免過充;LDO采用TPS73033和TPS73201芯片,為

系統提供穩定的3.3 V和1.8 V電壓。電源管理電路如圖7所示。

圖6 系統供電可充放電鋰電池

圖7 電源管理電路

1.5 藍牙通信模塊設計

本系統除了完成基本的心電信號采集、計算和存儲功能外,還可以通過藍牙4.0與移動終端進行數據通信,上傳心率和異常心電信號數據,以滿足輔助醫生追蹤診斷的需求和個人健康數據的長期統計和趨勢分析,從而更好的幫助心臟疾病患者進行自身健康的長時間有效監控。

系統采用基于CC2541芯片設計的藍牙4.0低功耗模塊進行通信。模塊支持UART串口通信和SPP藍牙串口協議,具有小型化、低功耗、收發靈敏等優點。待機狀態下電流只有400 μA到1.5 mA;進行正常數據傳輸時的電流也僅為8.5 mA,完全符合低功耗的設計要求。藍牙4.0模塊的電路設計如圖8所示。

圖8 低功耗藍牙4.0模塊

2 單片機程序設計

本系統軟件的主要功能是獲取心電信號,進行數據存儲和異常警報,以及電源管理和藍牙數據通信等。心電采集模擬前端經ADC轉換后得到24位心電數據,并通過SPI通信傳輸給MCU,來處理得到實時心率數據。當出現心率異常,且此時未連接藍牙時,異常時間段數據將被保存,等到下次藍牙連接后,下位機會將存儲的實時心率數據以及異常信號數據發送給移動終端,供用戶查看和醫生追蹤診斷使用。如圖9所示為MCU內部程序流程圖。

圖9 MCU內部程序流程圖

圖11 不同行為狀態下被測者胸部心電信號

3 實驗結果

本系統設計實物如圖10所示。使用單導聯織物電極松緊帶設計,最大程度減小了傳統心電檢測方式存在的導聯線纏繞、佩帶舒適度差等問題,可以更好的滿足用戶在各種生活場景中的使用,例如坐立、睡眠、行走、慢跑等。松緊帶設計可以滿足不同胸圍的用戶使用,并兼顧了檢測性能要求和使用舒適性。硬件檢測設備尺寸僅為5.5 mm×4 mm×0.9 mm,重量不到10 g,小巧輕便,完全可以滿足用戶的長時間佩帶要求。

圖10 系統設計實物圖

為了充分評估本設計系統的實際心電檢測性能,對此進行了實驗驗證。實驗對象為一名25歲男性,身體健康,無疾病。胸帶固定在被測者胸部位置,并確?？椢镫姌O與皮膚完整貼合。被測者進行不同的日?；顒?本設備檢測其不同行為狀態下的心電信號,并使用傳統的Ag-AgCl電極進行同步測試,且同時人工記錄脈率數據,進行對比。實驗測試獲得的心電原始信號、脈率和計算得到的心率數據如圖11所示。

從采集到的不同活動狀態下的心電信號可以看到,在靜坐狀態和正常行走狀態下,本設備都可以準確有效的檢測當時的心電波形信號和心率;當在跑步狀態時,由于胸帶與皮膚產生的巨大摩擦等一系列因素影響使得設備檢測得到的心電信號出現較大的基漂和失真,從而無法持續得到有效心電信號和準確心率數據。由此分析,本設計系統可以基本滿足用戶日常生活的心電監測使用,但對于運動心電監測,本系統需要從結構、電路和算法等方面需要進一步完善。

4 結論

為了滿足個人日常心電監護需求,提高設備使用靈活性,同時確保獲取心電數據的準確性,本文提出了一種基于織物電極的低功耗、小型化心電監護胸帶,用于個人特別是心臟疾病患者日常心電監護使用。通過實驗測試,對比采用基于織物電極開發的本心電監護系統獲得的心電信號和使用傳統Ag-AgCl電極獲得的心電,可以看到,平靜狀態下,心電信號質量相當,本系統采集信號噪聲略有偏大,但QRS波和T波清晰,不影響心率計算的準確性;而運動狀態下,兩系統都無法準確的獲得心率數據,且本系統相對而言獲得的心電信號質量更差,有待改善。同時,由于從設計之初就充分考慮到低成本、低功耗、小型化和抗干擾等需求,本設備稍加優化,完全可以轉化成一款日常心電監護或是運動心電監護類產品。相關工作將在后期進一步開展。

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Wearable ECG Monitoring System Based on Textile Electrodes

LIN Shida,ZHU Jijun*

(Department of Biological Science and Medical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

With the development of mobile medical monitoring equipment,wearable ECG monitoring has become an important part of personal ECG monitoring. But the lack of comfort and portability with a long time wearing,inaccurate monitoring data and other issues restrict the development of wearable ECG monitoring equipment. This paperdesigns a single lead and low power miniaturized ECG monitoring system with textile electrodes,which can improve those problems. The system uses textile electrodes instead of Ag-AgCl electrodes,and thefront-endmodule uses TI’s ADS1292 to filter and amplify ECG signal,which can improve the SNR and have 24-bit ADC sampling. The MCU uses MSP430F5659 tocomputeand storeECG datain real time,controlling peripherals and bluetoothcommunications.Experimental results indicate the system can get the data accurately and meet the personal daily ECG monitoring.

ECG monitoring;wearable;textile electrodes;ADS1292

林視達(1991-),男,浙江寧波人,碩士研究生,主要研究方向為生物醫學信號檢測、醫學儀器研發,lsd600@163.com;

朱紀軍(1970-),男,江蘇泰州人,東南大學副教授,主要研究方向為生物醫學信號檢測、微流控和醫用分析儀器研發,jjzhu@seu.edu.cn。

2016-11-09 修改日期:2017-02-26

TP393

A

1004-1699(2017)06-0944-06

C:7220;7510D

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.06.023