柔性石墨烯電極片的便攜式遠程心電監護平臺設計

梁 鐵, 李兆朋, 李瑞凱, 婁存廣, 劉秀玲

(河北大學 電子信息工程學院, 河北 保定 071002)

0 引 言

心腦血管疾病在世界范圍內已經成為影響人類生命健康的重要疾病，其發病率和死亡率已經躍居世界第一位。我國的心腦血管疾病發病率也呈逐年上升態勢[1]。心血管疾病的早期發現與預防對提高患者生存幾率具有重要意義，心電圖作為反映心臟電生理特性的重要手段，在心血管疾病檢測與診斷中發揮著重要作用[2-3]。

傳統的心電監護設備體積大重量沉，導線繁多，攜帶不方便，往往需要專業人員操作，且設備價格昂貴，檢測結果無法遠程隨時查看，不利于個人身體健康狀況的及時了解和居民電子健康檔案的建立[4-6]。隨著科技的發展，利用移動通信技術,移動醫療能夠提供隨時隨地、高效便捷的醫療資訊和服務成為可能。在互聯網高速發展的今天，人們對醫療服務質量要求日益提高，基于互聯網平臺的無線便攜式智能心電檢測設備有著迫切的社會需求[7-9]。特別地，我國正日趨進入老齡化社會，老年人逐年增加且缺少監護人日常照護，對于這些老人群居的養老機構，如何便捷地做好老人們的健康照護，提高機構服務質量成了全社會迫在眉睫的事情。

本文開發了便攜式遠程心電監護平臺，通過自主設計的微型化心電信號采集終端，老人足不出戶即可將通過一鍵式采集的心電數據通過無線方式實時上傳至遠端服務器平臺進行分析處理，用戶可隨時隨地通過互聯網查看心電檢測數據及分析結果，進一步方便個人或養老機構進行服務對象健康檔案的建立。

1 系統整體設計

本系統的整體框圖如圖1所示，終端微型化的心電檢測設備實時采集用戶心電數據，并經內置的微處理器初步濾波降噪處理后，通過藍牙方式上傳系統配置的平板電腦。平板電腦安裝了自主設計開發的APP，具備了數據上傳功能可實現心電數據及時傳至云端服務器，從而方便利用相關信號處理算法對上傳心電數據進一步智能分類與分析。用戶可通過PC查詢網站或安卓手機APP查詢分析結果。

圖1 系統整體結構

該系統主要針對養老機構老人心電快速檢測的應用領域。采集終端設備具有采集時間靈活，使用簡單的特點，且充分利用云平臺的存儲優勢和互聯網大數據的分析優勢，為心血管疾病的理想治療模式：早發現、早預防和早治療提供技術支撐。

2 心電設備硬件設計

2.1 芯片選擇

本平臺是針對養老機構健康管理和遠程健康監護開發的，要求信號采集芯片低功耗、小體積且有較強的抗干擾能力。通過對比其他解決方案，本文選擇了ADI公司推出的單導聯心率監護前端芯片AD8232。

AD8232是一款用于ECG及其他生物電測量應用的集成信號調理模塊。該器件設計用于在具有運動或遠程電極放置產生的噪聲的情況下提取、放大及過濾微弱的生物電信號。該設計使得超低功耗模數轉換器(ADC)或嵌入式微控制器能夠輕松地采集輸出信號。通過模擬輸出，AD8232可與分立式ADC配對，或與具有嵌入式ADC的微控制器配對，它為系統設計人員提供了較好的靈活性[8]。特別地，該芯片提供了創新的快速恢復模式，用戶在運動或其他活動過程中暫時斷開電極連接，當導聯重連后，此芯片可以快速自動恢復心電信號，從而顯著提高最終用戶體驗的質量[9]。

2.2 硬件電路設計

系統終端采集設備的硬件電路主要由采集電路、微處理控制電路、藍牙傳輸和充電電路組成，如圖2所示。

圖2 硬件電路組成

系統終端由AD8232采集單導心電模擬信號并進行模數轉換，經單片機MSP430F149處理后通過CC2541藍牙模塊上傳。MSP430F149作為一款低功耗低電壓的微處理器，承擔著整個硬件電路的控制和數據濾波處理。

針對實際監護時老人進出房間易導致網絡信號連接不穩定的特點，系統在硬件設計時加入了Mini TF存儲單元，將實時采集的數據進行同步備份，數據采取先進先出方式，確保數據在藍牙信號穩定時第一時間完整上傳。為方便用戶長時間佩戴監測，電路采取輕巧化的3.7 V鋰電池供電，相應地設計加入了CN3068充電電路和Tps73601穩壓電路。

目前，由于極低的功耗，強大穩定的可連接性以及可靠的一對多數據傳輸特性，藍牙4.0技術在可穿戴式設備應用越來越廣泛。本系統選用了TI公司的低功耗藍牙芯片CC2541。CC2541單芯片集成了MCU和RF，配置了256 kB的嵌入式閃存，用戶憑借TI的BLE-Stack協議棧能夠進行高效靈活的低功耗藍牙解決方案設計[10-11]。

3 石墨烯電極片的設計

在系統進行測試過程中，我們發現傳統心電設備一次性Ag/AgCl電極片長期佩戴會對測試者身體黏貼部位產生不同程度腐蝕。在用戶需長期監測使用情況下，一次性電極片總成本較高，廢棄后對環境也有污染[12]。養老機構的老人本身屬于特殊照護群體，容易因傳統電極片的上述問題產生抵觸情緒，從而影響檢測效果。針對此情況，本文充分利用石墨烯優良的導電性、柔韌性和無腐蝕性特點，設計制作了柔性石墨烯織物心電電極片，如圖3所示。

(a)(b)

圖3 柔性石墨烯電極

柔性石墨烯織物電極采用石墨原材料，利用氧化還原制備石墨烯并通過真空抽濾法將石墨烯附著到柔性聚酯纖維(織物)基底上。材料柔軟對皮膚無刺激感，生物兼容性好，便于用戶長期穿戴，可反復多次清洗，克服了傳統Ag/AgCl電極的生物毒性。

通過與傳統的Ag/AgCl 電極片進行心電信號采集對比實驗，石墨烯柔性織物電極對于心電信號有較高的靈敏度，實測波形與傳統電極片所測基本一致，完全能夠滿足用于心電信號檢測，如圖4所示。

圖4 石墨烯織物電極與Ag/AgCl電極在心電信號采集的對比

考慮到老人佩戴舒適性和數據采集的穩定性，本系統將基于石墨烯電極片的心電檢測終端制作于緊身背心，進一步提高電極與人體貼合度，確保老人活動狀態下采集心電。

4 系統軟件設計

4.1 系統軟件功能

整個心電檢測系統從軟件功能上可以分為終端心電信號采集存儲、藍牙通信、云端數據分析處理和用戶數據查詢四部分，如圖5所示。

圖5 軟件功能劃分

上述的心電數據存儲和藍牙通信主要通過系統配置的平板電腦實現。平板電腦作為心電數據發送至云端服務器的中繼設備，內置了自主開發的APP。通過調研養老機構實際使用場景，每個房間最多居住3位老人，因此系統配置在每個房間的平板電腦可支持3個老人的心電數據采集。誰檢測，就相應地點選對應的頭像，一鍵式即可完成心電數據采集和上傳，如圖6所示。

圖6 平板APP界面

4.2 微處理器流程圖

終端采集設備上電運行后，系統首先檢測判斷設備所處工作模式、SD卡是否有數據以及藍牙開啟狀態，自動建立網絡連接后按照先發尾后發頭的方式進行心電數據的無線傳輸。若檢測SD卡遺留有上次采集周期存儲的數據未及時上傳，系統將按照先進先出方式完成SD卡數據續傳。微處理器工作詳細流程圖如圖7所示。

圖7 單片機程序流程圖

4.3 云端服務平臺設計

為方便隨時接收各地實時上傳的心電檢測數據，滿足用戶第一時間查詢檢測結果進而實現連續跟蹤心臟健康狀況的需求，本系統設計實現了云端服務平臺。

云端服務平臺基于Java開發，滿足了系統跨平臺需求。同時考慮到心電連續檢測存儲數據量較大的特點，系統數據庫選用oracle，oracle強大的數據管理功能也為日后平臺的功能及數據的擴展堅實了基礎[13-15]。針對目前人們生活習慣和日益普及的智能移動終端，平臺在配備了健康查詢門戶網站的同時，還設計了基于安卓系統的APP，用戶通過智能移動終端或PC端就可便捷的查詢歷次心電檢測結果。

5 系統實現

本系統已成功搭建并試用于簽約養老機構，系統采集的心電數據經省級三甲醫院心內科主任醫生鑒定，數據準確穩定，能夠滿足臨床分析需要；系統開發的用戶查詢頁面(PC端和移動手機端)界面友好，功能設計合理，符合人們日常使用習慣，滿足便捷查詢的需求；通過大量測試，系統在穩定性、實時性和便攜性方面能夠滿足養老機構日常照護檢測需求。系統實測如圖8～10所示。

圖9 用戶查詢界面

圖10 手機客戶端頁面

6 結 語

本系統圍繞微型化低功耗的AD8232芯片進行心電檢測開發設計，針對養老機構健康檢測功能需求，利用石墨烯優良的導電性、柔韌性和無毒性設計實現了基于石墨烯的柔性電極，將其應用于穿戴式緊身衣，搭建了基于云端的健康服務平臺，實現了心電信號實時采集上傳、顯示、查詢等功能。通過大量養老機構的實測，經專業醫護人員查看分析，本系統硬件終端所采集的心電數據真實準確，穩定性較好，設備抗運動干擾能力強，能夠滿足養老機構日常心電監護用途，具有一定的社會推廣價值。

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