便攜式心電采集設備設計與實現

摘要： "針對心律不齊、心肌缺血、早搏等心臟疾病的相關人群，設計了一款便攜式心電監測設備，用于疾病的早期發現和預防。首先對一款型號為RT1025的前端心電信號采集芯片進行了研究，并針對肌電噪聲、50 Hz工頻干擾等常見噪聲開發了去噪聲無限沖激響應濾波算法，最后完成了心電數據采集和通信的程序設計。該設備工作狀態穩定，數據采集和控制簡單，為便攜式心電采集設備的設計提供了參考依據，對于預防和實時監測心血管方面的疾病具有重要意義。

關鍵詞： 便攜式心電監測設備；模擬前端；IIR濾波算法；藍牙通信

中圖分類號： TP23 文獻標志碼：A文章編號：1002-4026（2023）02-0128-07

開放科學（資源服務）標志碼（OSID）：

Design and implementation of a portable electrocardiogram acquisition device

LI Pengyu1， ZHENG Chunlei2

（1.School of Sino-German Engineering，Shanghai Technical Institute of Electronics amp;[KG*2]Information， Shanghai 201411， China;

2. Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology， Chinese Academy of Sciences，

Shanghai 200050，China）

Abstract∶ A portable electrocardiogram（ECG） monitoring device is designed for people with arrhythmia， myocardial ischemia， premature beats， and other heart diseases， and it is used for disease detection and prevention. In this paper， the RT1025 front-end ECG signal acquisition chip is studied first， followed by the development of a denoising infinite impulse response filtering algorithm for common noise such as electromyogram noise and 50 Hz power frequency interference， and the completion of program design for ECG data acquisition and communication. This equipment is stable in working condition， simple in data acquisition and control， and serves as a model for the design of portable ECG acquisition equipment. It is also important for the prevention and real-time monitoring of cardiovascular diseases.

Key words∶ portable electrocardiogram; analog front end; infinite impulse response filtering algorithm; bluetooth communication

截至2021年底，我國心血管患病人數高達3.3億，不健康飲食、吸煙和高節奏的生活進一步推高了我國心血管疾病的發病率和死亡率[1]。心電監測可以及時發現和預防房顫、陣發性室上速等諸多心律失常疾病。但傳統心電監測需要在醫院借助心電圖機來完成，由于監測時間短、操作復雜等因素，難以發現偶發的惡性心律失常。所以，便攜式心電采集與監測設備對于心血管疾病的早期發現具有重要意義。

國外對于便攜式心電監測設備的研究起步比我國早，起初為美國的Holter[2] 研發的便攜式監測設備，但是由于設備笨重、安裝采集步驟復雜、病人佩戴不舒適等問題，導致該設備只是在醫院等專業領域使用，并未走入尋常百姓家。美敦力等國外公司開發了可穿戴的心臟監測系統[3]，但芯片價格昂貴，并未得到大規模的應用。近年來，國內對于便攜式可穿戴心電研究也取得了很多成果。河北大學的祝偉仝[4]研發了一種柔性石墨烯的心電采集的電極，電極方面完全實現了國產化。哈爾濱理工大學的錢超[5]開發了一種基于ADS1293前端采集芯片和意法半導體的STM32處理芯片的心電采集設備，并運用數據庫手段對數據進行管理。長春理工大學的趙毅飛[6]研究了基于Android系統的可穿戴生理參數檢測系統的實現方法，對心電信號的基線漂移等問題進行了深入闡述。浙江理工大學的駱方正等[7]開發了一款基于BMD101可穿戴的心電監測系統，對心電信號的噪聲消除進行了描述。以上研究對心電數據信號都進行了詳細研究，但是在硬件設計方面普遍采用國外的模擬前端芯片，價格昂貴，另外在短距離無線傳輸設計方面涉及較少，便攜式等方面還有待提高。

基于以上問題，本文設計了一款基于中國臺灣產RT1025芯片和藍牙5.0x芯片nRF52840的便攜式心電采集設備，針對心電圖（electrocardiogram ，ECG）信號本身幅度小、頻率在100 Hz以下、容易受到干擾等問題，提出了一種心電信號的IIR濾波算法[8-9] ，對ECG信號進行去噪處理；采用藍牙5.0無線傳輸手段[10]進行數據傳輸，并協調采集數據和無線數據之間的轉換和傳輸，使得設備便攜小巧，便于穿戴并降低了設備成本。

1硬件電路系統設計

1.1系統整體設計方案

一般醫療機構心電數據采集的方式分為單導聯、多導聯等方式。為了精確獲取心電反應信號，經常采用多導聯設備，雖然采集信號全面，但是導聯線眾多，佩戴非常不方便，且安裝復雜，對病患的生活有一定影響。為了在保證信號質量的前提下，提高設備的可穿戴性，便攜式心電監測設備一般使用高集成度的芯片，這樣就可以采用單導聯的采集方式采集心電信號。本設計通過貼合于人體胸口皮膚表面的電極貼片采集心電信號，輸入到RT1025芯片進行信號處理，模擬心電信號在芯片中完成 A/D轉換后輸出數字信號，數字信號經軟件再次濾波后由藍牙實時傳輸至移動端，同時也存儲到本地Flash中。硬件電路包括左右電極、右腿驅動（rightl leg driver，RLD）電極、RT1025心電數據采集、LTC3552鋰電池管理、藍牙系統級（system on chip，SOC）芯片nRF52840、Flash存儲芯片以及藍牙天線等部分。系統結構如圖1所示。

1.2心電數據采集模塊

RT1025是中國臺灣立锜科技生產的一種用于心電監測和生物電位測量的集成SOC解決方案。RT1025集成低噪聲ADC通道，可以高速率地采集心電和光電容積脈搏（photoplethysmography，PPG）信號，芯片的動態范圍大于100 dB，能夠高精度感知心電信號，RT1025的AD通道采樣頻率可高達4 kHz，完全滿足心電信號采集頻率的需要。RT1025解決方案只需要幾個分立元件，非常適合于低功耗監測的運動和健身應用。本方案所設計的心電前端數據采集應用電路如圖2所示。為了進一步提高心電信號質量，在印刷電路板（printed circuit board）設計時將模擬信號和數字信號分離，兩者之間用單點連接，最大限度減少噪聲干擾。VIN_EKG和VIP_EKG為心電差分信號，用于連接電極貼金屬觸點；SPI信號用于和MCU進行數據通信和心電數據采集的配置；AFE_IRQ信號用于通知MCU心電數據緩沖已滿，需要及時讀取；VIN_PPG和VIP_PPG為心電容積脈搏差分信號，簡單起見，RLD電極可以不連接；心電前端芯片采用4.2 V鋰離子電池供電，通過低壓線性穩壓器分別轉換得到3.3、2.8、1.8 V直流電源供給心電采集芯片。

1.3數據處理SOC藍牙模塊

nRF52840中央處理單元是ARM Cortex-M4標準的處理器，具有1 MB可讀寫Flash、256 kB的內存，并具備藍牙5.0短距離通信功能，因此能夠支持高復雜性、近距無線數據通信等方面的應用。處理器提供豐富的外圍設備，包括USB、Quad SPI在內的多個接口選項[11]。圖3中nRF52840芯片兼顧數據處理和藍牙數據通信兩項任務，通過SPI接口從RT1025芯片中實時獲取心電數字信號，然后經過內部的軟件濾波處理，封裝成藍牙數據包傳輸至手機等接收設備進行數據存儲和顯示，同時通過QSPI接口連接大容量Flash芯片[12]，進行心電數據的存儲，從而保持心電數據不間斷，方便后續進行信號處理。

2數據處理和藍牙通信軟件

2.1數據處理流程

SOC芯片首先完成藍牙和AFE模塊的初始化，然后檢測是否有AFE芯片的數據中斷，若檢測到數據中斷則通過SPI接口讀取ECG數據，并同時存儲數據到FIFO緩沖，如果FIFO緩沖數據滿則存儲到Flash非易失存儲芯片中，若沒有AFE數據中斷則監測是否有藍牙終端連接請求，如有藍牙連接則建立連接并讀取FIFO數據進行數據打包，并通過藍牙接口進行數據發送。若沒有新的連接則監測Flash中是否有殘留數據，如果有則進行數據打包，并通過藍牙把數據傳輸到接收終端。程序邏輯如圖4所示。

2.2工頻噪聲陷波器設計

陷波器一般采用無限沖激響應（infinite impulse response，IIR）數字濾波器[13-15]，IIR濾波器可以用如下方程簡化表示：

y（n）=∑ M i=0 aix（n－i）－∑ N i=1 biy（n－i），（1）

式中： x（n）為輸入信號數據，y（n）為輸出信號序列；ai、bi為分別為X，Y信號的濾波器系數。對式（1）進行Z變換，求得的傳遞函數如下所示：

H（z）= ∑ M i=0 aiz－i ∑ N i=0 biz－i = ∏ M i=1 （z－zi） ∏ N i=1 （z－pi） ，（2）

式中zi和pi分別為傳遞函數的零點和極點。設計陷波器的傳遞函數為：

H（z）= （z－z1）（z－z2） （z－（1－μ）z1）（z－（1－μ）z2） 。（3）

式（3）中μ越小，50 Hz處的頻率響應幅值越深，頻率寬度也越窄。更好地消除窄帶干擾而同時對其他頻率衰減影響最少，是陷波器設計追求的目標。經過Matlab仿真設計，濾波器頻響曲線如圖5所示，在工頻噪聲50 Hz處有-35 dB的衰減，而對于其他頻率信號幾乎無影響。

3測試與分析

3.1外觀設計

為方便用戶佩戴和數據采集，在 PCB設計過程中，電容、電阻等器件采用0201封裝（長度為 0.5 mm ，寬為0.25 mm ），芯片為BGA封裝，采用了圓形外觀設計來減少棱角，盡可能減小體積，提高用戶在穿戴過程中的舒適性，圖6所示為直徑3.5 cm的兩個圓形無尖銳的薄電路板，使用柔性FPC連接器進行電路的通信連接，電極采用醫院常規用的紐扣式一次性心電貼，價格實惠又安全。

3.2數據濾波測試

圖7所示50 Hz陷波器的采樣頻率為512 Hz，Z平面上的零極點可設置為：

z1=e±jπ/4

p1=0.999e±jπ/4 （4）

心電采集的原始信號與經過50 Hz濾波器的信號如圖7所示，可以看出50 Hz干擾的工頻噪聲明顯附著在真實信號上面，經過陷波器濾波后，工頻干擾得到了較好地抑制，與此同時時域波形質量也有顯著地提升。

3.3產品測試

在測試時，應嚴格按照單導聯心電監測方式，對應將電極片貼在左胸上緣位置。兩個電極片由芯片上的引腳VIP_EKG，VIN_EKG來連接。若外部工頻干擾過大，僅依靠RT1025芯片硬件濾波還不能完全去除干擾，使用IIR軟件方式可以有效地對ECG信號進行濾波。圖8數據采樣率為128 Hz，大多數正常人的心率范圍在60～100 次/min;被試者 RR 間期小于1 s（心率94 次/min），為正常心率范圍，但是T波倒置，提示為ST下斜性壓低，疑似心肌缺血癥狀。

該被試者通過醫院心電監護儀多導聯復查心電圖如圖9所示，檢測為T波倒置，提示為ST下斜性壓低，確診為心肌缺血，需要干預治療，這個結果與便攜式心電監測裝置的計算結果一致，兩種數據對比發現該檢測裝置初步具備檢測基礎心血管疾病的功能。

4結論

本設計為心電信號采集設備，通過RT1025心電信號前端采集芯片，nRF8240藍牙芯片和IIR濾波軟件，實現了一種廉價的便攜式設計方案來獲取心電圖信號。本設計結構小巧，佩戴方便，采用低功耗藍牙芯片可以方便地把心電數據自動傳輸到手機中顯示，不需要佩戴者過多干預。該設備通過心電信號的采集、數據預處理和濾波分析來獲取正確的心電信號，并可以根據心電信號時域特征診斷常規的心血管疾病，設計方案對心血管疾病早期預警有著重要意義。

參考文獻：

［1］ 胡壽盛.2021年中國心血管病醫療質量報告[J].中國循環雜志，2021，11（36）：1041-1064.

［2］HOLTER N J.New method for heartstudies[J].Science，1961，134（3486）：1214-1220.DOI：10.1126/science.134.3486.1214.

［3］FAUST O，SHENFIELD A，KAREEM M，et al.Automated detection of atrial fibrillation using long shortterm memory network with RR interval signals[J].Computers in Biology and Medicine，2018，102：327-335.DOI：10.1016/j.compbiomed.2018.07.001.

［4］祝偉仝.基于柔性石墨烯電極的便攜式生物電信號采集系統設計[D].保定：河北大學，2021.

［5］錢超.遠程心電信號數據采集與預處理[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2021.

［6］趙毅飛.基于Android可穿戴生理參數檢測系統的設計與實現[D].長春：長春理工大學，2021.

［7］駱方正，蔣明峰，張鵬等.基于BMD101可穿戴式心電監測系統設計[J].電子測量技術，2021，44（21）：113-119.DOI：10.19651/j.cnki.emt.2107313.

［8］胡佳偉.心電可穿戴檢測干擾抑制算法研究[D].南京：南京大學，2018.

［9］賀璐璐.IIR數字濾波器的群延遲優化技術研究[D].西安：西安郵電大學，2019.

［10］邱明林.基于人體傳感網的穿戴式遠程健康監護系統的設計與實現[D].杭州：浙江大學，2013.

［11］錢光明，康日，鄧朝豐.基于nRF52840的時槽演示實驗[J].電腦知識與技術，2021，17（4）：234-236.DOI：10.14004/j.cnki.ckt.2021.0389.

［12］董恒.藍牙5.0芯片nRF52840的顯示控制器設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2020，20（4）：79-82.

［13］梁彥.基于小波分解和IIR濾波器的圖示均衡器設計[D].廣州：廣東工業大學，2021.

［14］林競連.IIR濾波器的分析及音頻提取[J].電子世界，2021（8）：67-68.DOI：10.19353/j.cnki.dzsj.2021.08.033.

[15]齊園蕾，楊飛然，楊軍.基于CSR8670的高精度IIR濾波器實現[J].網絡新媒體技術，2019，8（3）：57-62.