低功耗便攜式多導聯(lián)心電信號采集系統(tǒng)設計*

廖 遠， 張夢新， 劉文涵， 黃啟俊

(武漢大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

根據(jù)文獻報道和調(diào)研結(jié)果，心臟疾病已經(jīng)成為了威脅人類身體健康的重要因素，人們對心臟健康狀態(tài)的關注度越來越高[1]。目前用于心臟健康監(jiān)護的主要是醫(yī)用心電設備，這些設備專業(yè)操作性較強，價格昂貴，一般只能在醫(yī)院由醫(yī)生配合診斷使用，不能滿足人們?nèi)粘π呐K監(jiān)護的需求。因此，面向家用心臟健康監(jiān)護、操作簡單的便攜式心電監(jiān)護設備的需求越來越大[2]。針對上述情況，本文從便攜式、低功耗、長時間心電監(jiān)護角度出發(fā)，結(jié)合心電信號的特點，采用美國德州儀器(TI)公司最新的心電信號模擬采集芯片ADS1298，設計了一種適用于家庭監(jiān)護的低功耗、便攜式多導聯(lián)心電采集系統(tǒng)。系統(tǒng)能穩(wěn)定、有效地采集得到多導聯(lián)心電信號，通過無線ZigBee把心電數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺分析診斷系統(tǒng)，對心臟健康狀況進行監(jiān)護。

1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)通過導聯(lián)線從人體采集得到心電信號，由預處理模塊對其進行處理，消除高頻干擾；為了實現(xiàn)系統(tǒng)便攜化和多導聯(lián)采集，心電信號在芯片ADS1298中進行放大和模/數(shù)轉(zhuǎn)換；控制器通過串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)通信接口對ADS1298進行設置和接收采集得到的心電數(shù)據(jù)，然后通過無線ZigBee模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺分析診斷系統(tǒng)；右腿驅(qū)動模塊和屏蔽線驅(qū)動模塊用來提高系統(tǒng)的共模抑制能力和抗干擾能力；鋰電池電源管理模塊保證了系統(tǒng)能進行長時間心電采集。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設計

2.1 心電信號預處理電路

針對心電信號的特點[3],設計了圖2所示的心電信號預處理電路，并要求具有高輸入阻抗、低噪聲、高共模抑制比[4]。電路由二階無源RC低通濾波器和雙向二極管限幅電路組成，用于濾除心電信號中的高頻噪聲和防止AD采樣時造成混疊干擾。濾波器截止頻率為30 kHz。

圖2 預處理電路

2.2 ADS1298心電采集模塊

2.2.1 改良導聯(lián)體系

為了實現(xiàn)便攜式心電采集，系統(tǒng)按照改良導聯(lián)體系在人體的連接方式，采集得到心電信號。改良導聯(lián)體系將常規(guī)導聯(lián)體系在四肢貼放的采集電極，依次改置在右胸上部(RA)、左胸上部(LA)、左下腹部(LL)、右下腹部(RL參考電極)，胸導聯(lián)電極安放位置同常規(guī)心電圖的胸導聯(lián)。改良導聯(lián)體系描記的波形和常規(guī)ECG十分近似，更適合便攜式的長時間心電監(jiān)護[5]。設胸導聯(lián)的參考電位為WCT，則有

(1)

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的便攜化，同時滿足日常監(jiān)護的需求，系統(tǒng)選取部分導聯(lián)信號進行心電采集。Ⅱ?qū)?lián)信號適合QRS波檢測；aVL,V2,V3,V5導聯(lián)信號為判斷心梗、心率不齊的重要依據(jù)[6]，因此，系統(tǒng)選取這五個導聯(lián)。導聯(lián)和所需采集通道對應關系如表1。

表1 導聯(lián)體系及轉(zhuǎn)換

表中V2，V3，V5是三個胸導聯(lián)電極電位，RA，LA，LL為肢體導聯(lián)電位，Ⅰ～Ⅴ為五個采集通道信號。

2.2.2 ADS1298采集電路設計

為了實現(xiàn)多導聯(lián)心電信號的采集，同時兼顧到系統(tǒng)的體積、功耗以及便攜化，本文采用獨立模擬前端ADS1298芯片實現(xiàn)模擬信號采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換。芯片內(nèi)置PGA和24位ADC，輸入?yún)⒖荚肼暈? μV(峰峰值)，共模抑制比為115 dB，輸入阻抗約為1 000 MΩ，滿足上文分析采集電路的要求。本文利用芯片中的5路通道來實現(xiàn)五導聯(lián)心電信號的采集[7]。ADS1298心電采集模塊如圖3所示，心電信號經(jīng)電磁干擾(electro-magnetic interference,EMI)濾波器后進入PGA放大，考慮到采集時存在300 mV的極化電壓，PGA放大倍數(shù)設置為6倍；放大后的信號在ADC進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，ADC參考電壓為2.4 V，電壓分辨率為0.28 μV，滿足0.05～5 mV范圍心電信號的采樣，ADC采樣率是250 Hz；A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過SPI接口與STM32處理器進行傳輸；威爾遜中心終端(Wilson center terminal,WCT)電位設置為RA,LA和LL的平均值，為胸導聯(lián)提供參考；右腿驅(qū)動為屏蔽線和右腿驅(qū)動模塊提供源信號。

圖3 ADS1298心電采集模塊

2.3 屏蔽線驅(qū)動和右腿驅(qū)動模塊

2.3.1 右腿驅(qū)動模塊

電路如圖4所示。

圖4 右腿驅(qū)動電路

心電信號經(jīng)過高共模抑制比的差分輸入PGA放大后，共模干擾得到了有效抑制，為了進一步消除50 Hz工頻干擾等共模噪聲，本文引入了屏蔽線驅(qū)動和右腿驅(qū)動電路[8]。右腿驅(qū)動原理是：由ADS1298內(nèi)部集成的右腿驅(qū)動放大器得到輸入端的共模信號，經(jīng)反向放大后反饋到安置在人體的RF參考電極，與原來的共模電平極性相反，設置適當?shù)姆糯蟊稊?shù)可以抵消共模電平干擾。經(jīng)實際測試，放大倍數(shù)為1.78(R3=392 kΩ)時，去噪效果最好。C3與R3形成低通濾波器，截止頻率為40 Hz，用來增加電路的穩(wěn)定性。

2.3.2 屏蔽線驅(qū)動模塊

本系統(tǒng)采用的導聯(lián)線帶有屏蔽層端口，在采集心電信號時，在屏蔽層加上共模電位可以減少由屏蔽層與傳輸線之間分布電容耦合引入的干擾[9]。圖5為由低噪聲運放OPA211構成的屏蔽驅(qū)動電路，將右腿驅(qū)動電路的輸出信號緩沖輸出加到屏蔽層，從而減小導聯(lián)線的干擾。

圖5 屏蔽線驅(qū)動電路

2.4 處理器控制部分

系統(tǒng)采用STM32F103C8T6作為控制部分。該處理器使用ARM架構，低功耗0.19 mW/MHz，外設豐富，適合低功耗便攜式系統(tǒng)的應用[10]。處理器功能包括：采用SPI通信接口完成對ADS1298中輸入通道、PGA、右腿驅(qū)動、WCT放大器、ADC的配置；控制和讀取轉(zhuǎn)換后的心電數(shù)據(jù)；采用串口控制無線ZigBee模塊進行心電數(shù)據(jù)傳輸。利用內(nèi)置的實時時鐘產(chǎn)生時間戳，用來記錄心電信號采集的時間。

2.5 電源管理模塊

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的便攜化和進行長時間采集，采用單節(jié)3.7 V鋰電池供電[11]。電源管理模塊如圖6所示。

圖6 電源管理電路

考慮鋰電池放電電壓動態(tài)范圍為2.75～4.2 V，選用LM3668可升降壓開關電源芯片轉(zhuǎn)換得到3.3 V為系統(tǒng)供電；采用MCP73831芯片對鋰電池進行充電，充電電流500 mA；在鋰電池保護方面，采用DW01+8205A芯片組對鋰電池進行保護，當鋰電池存在過充、過放、過流狀態(tài)時，自動從電路中斷開鋰電池，達到保護目的；系統(tǒng)工作中可能存在鋰電池過熱的情況，采用負溫度系數(shù)(negative temperature coefficient,NTC)薄膜熱敏電阻器對鋰電池進行溫度監(jiān)控，通過STM32處理器內(nèi)部ADC采集熱敏電阻器上的電壓，來檢測電池溫度；當鋰電池溫度異常時，處理器通過I/O口關斷LM3668電源芯片，鋰電池停止放電。為了達到好的監(jiān)測效果，將薄膜熱敏電阻器緊貼鋰電池表面。

3 軟件設計

3.1 ADS1298配置

系統(tǒng)對ADS1298的配置和讀取心電數(shù)據(jù)采用SPI通信接口，并對其進行初始化操作。ADC選用內(nèi)部參考電壓2.4 V。設置工作模式為：PGA放大倍數(shù)6倍、通道選擇外部輸入，右腿驅(qū)動輸入信號源為RA，LA，LL，配置WCT電位，ADC采樣率250 Hz。

3.2 采集系統(tǒng)軟件設計

采用模塊化編程的思想，實現(xiàn)采集系統(tǒng)的軟件設計[12]。系統(tǒng)上電后對各個模塊進行初始化，包括ADS1298配置、定時器、ADC、實時時鐘(RTC)、串口、SPI接口、ZigBee模塊；初始化完畢后，關斷ADS1298模塊，系統(tǒng)進入待機模式，等待后臺分析診斷系統(tǒng)發(fā)送采集命令；接收到命令后啟動進行心電數(shù)據(jù)采集，在中斷服務程序中進行數(shù)據(jù)的讀取，讀取后開啟ZigBee進行無線傳輸；采集到所需心拍數(shù)之后，系統(tǒng)進入待機模式，繼續(xù)等待后臺發(fā)送采集命令。

4 系統(tǒng)測試

4.1 心電采集測試

在室溫自然條件下，被測者心臟健康，身體放松，對采集系統(tǒng)進行測試。實驗中采用AgCl電極片進行采集，按照改良導聯(lián)系統(tǒng)對電極片進行貼放，通過導聯(lián)線將信號傳輸至采集系統(tǒng)。圖7為原始采集和濾波處理的Ⅱ?qū)?lián)心電信號，圖8為原始采集和濾波處理的V3導聯(lián)心電信號。原始心電信號在幅度和形態(tài)上與正常心電信號一致，但噪聲干擾比較嚴重，經(jīng)數(shù)字濾波后，噪聲基本消除。

圖7 Ⅱ?qū)?lián)原始心電信號和濾波后心電信號

圖8 V3導聯(lián)原始心電信號和濾波后心電信號

4.2 系統(tǒng)功耗測試

對系統(tǒng)模塊工作時功耗情況進行測試，各模塊消耗的電壓電流分別為：處理器為3.3 V,8 mA; ADS1298模塊為3.3 V,20 mA; ZigBee模塊為3.3 V,35 mA。

功耗數(shù)據(jù)是在系統(tǒng)進行五導聯(lián)心電數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的情況下測得，功耗為214.5 mW。當系統(tǒng)工作在待機模式時，功耗最小，為142 mW。系統(tǒng)使用的是3.7 V，3 200 mA·h鋰電池，在正常工作狀態(tài)下，理論上能維持系統(tǒng)工作55 h。經(jīng)實測，單顆鋰電池能供電48 h，滿足人體長時間心電監(jiān)護的需求。

5 結(jié) 論

本文設計的心電采集系統(tǒng)，采用直流耦合方法和高分辨率ADC技術，利用TI公司的集成模擬采集芯片ADS1298，完成了多導聯(lián)心電信號的采集；采用鋰電池供電，配置有完整的鋰電池充電和保護方案，系統(tǒng)更加安全便攜；采用集成采集方案，動態(tài)電源監(jiān)控，優(yōu)化了軟硬件設計，降低了系統(tǒng)功耗，實現(xiàn)了多導聯(lián)心電信號的長時間采集。