一款三導聯(lián)便攜式動態(tài)心電信號采集系統(tǒng)的設計

王洪偉，金關華

紹興文理學院附屬醫(yī)院 （浙江紹興 312000）

心電信號是心臟搏動時產生的電信號，通過心電信號采集儀器從體表將其記錄下來即可得到心電圖。心電圖是診斷心臟疾病的重要依據。心電信號具有頻率低、信號弱、噪聲背景強、隨機性強等特點。刪除心電信號的直流成分后，其主要頻率集中在0.05～100.00 Hz，且多數能量集中在0.05～40.00 Hz，屬于低頻信號。心電信號弱，通常僅1 mV 左右[1]，極易被噪聲干擾及覆蓋。從人體體表獲取的心電信號混雜肌電干擾、基線漂移、熱噪聲、散粒噪聲等多種噪聲。心電信號隨機性強，很難用特定的函數表達，臨床采集的通常為靜止狀態(tài)下的心電信號，而很多心臟疾病具有陣發(fā)性特點，很難在某一時間點捕捉到，所以需要設計一款可長時間記錄、保存且可隨身攜帶的動態(tài)心電信號采集系統(tǒng)。本研究設計了一款三導聯(lián)（Ⅰ導、Ⅱ導、Ⅲ導）便攜式動態(tài)心電信號采集系統(tǒng)，可方便患者居家監(jiān)測和診斷，有利于實現(xiàn)智能居家醫(yī)療。

1 系統(tǒng)架構

本研究設計的三導聯(lián)便攜式動態(tài)心電信號采集系統(tǒng)主要由預處理模塊、采集模塊（ADS1293 生理信號采集芯片）、主控模塊（STM32 微處理器）、藍牙模塊、安卓客戶端、中央監(jiān)護站、SD 卡模塊、電源模塊等組成。系統(tǒng)通過電極從人體采集微弱且夾雜噪聲的心電信號，由預處理模塊對其進行高頻濾波處理，濾除高頻部分干擾；信號進入精度高且功耗低的采集模塊（ADS1293 生理信號采集芯片），完成信號調理及A/D 轉換[1]；通過SPI 傳輸模式將數字信號傳送至主控模塊（STM32 微處理器），主控模塊將信號存儲于SD 卡模塊的同時通過藍牙模塊將信號傳輸至安卓客戶端，并在客戶端顯示實時心電信號；安卓客戶端利用5G 技術將心電信號傳輸至遠程中央監(jiān)護站，實時動態(tài)監(jiān)控。系統(tǒng)架構見圖1。

圖1 三導聯(lián)便攜式動態(tài)心電信號采集系統(tǒng)架構

2 硬件設計

2.1 預處理模塊

預處理模塊電路（圖2）由1 個二階無源低通濾波器和2 個同向連接的并聯(lián)硅二極管組成[2]。低通濾波器可有效濾除高頻噪聲，保證心電信號順利通過濾波器。同向連接的二極管可將輸入信號幅度限制在-0.6～+0.6 V，確保輸入的心電信號不衰減，同時減少干擾。

圖2 預處理電路

2.2 采集模塊

采集模塊電路（圖3）設計采用TI 公司自主研發(fā)生產的ADS1293 生理信號采集芯片。該芯片是一款3 通道24 位模/數轉換器，每個通道的功耗僅0.3 mW，顯著低于傳統(tǒng)分立元件100、200 mW的功耗[2]，且具有精度高、較適合生理信號數模轉換的特點。該芯片集成度高，內置右腿驅動電路，具有導聯(lián)脫落檢測、威爾遜中心端、數字起搏檢測、集成呼吸阻抗測量、串行外設接口等功能[3]。高集成芯片體積小、質量輕，因此該芯片被廣泛應用于便攜式心電信號采集系統(tǒng)。采集模塊信號通路如下：預處理模塊濾除高頻部分干擾后的信號進入采集模塊，通過由RC 濾波器組成的EMI 濾波器，該濾波器頻率寬度為3 MHz，可有效抑制高頻噪聲；通過濾波器處理后，心電信號進入多路復選器（為心電信號提供許多可配置的信號開關選項），通過配置相關寄存器，實現(xiàn)不同信號間的相互切換和復用[2]，進而實現(xiàn)系統(tǒng)噪聲自檢、電源電壓檢測、導聯(lián)脫落檢測等功能。

圖3 采集模塊簡化電路

ADS1293 生理信號采集芯片為每個通道提供了1 個高精度的24bit A/D 轉換器，考慮到產品對功耗的要求，為避免中途斷電，本研究設計的系統(tǒng)采用低功耗模式工作[4]。 A/D 轉換器采用“過采樣”技術將已轉換成數字量的輸入信號頻譜與量化噪聲頻譜分離，通過數字抽取濾波器濾除量化噪聲及混疊噪聲，得到較高信噪比的信號。該濾波器采用sinc3 抽取濾波器，是一種抽取率可變的三階低通濾波器[4]。

由于心電信號容易被共模信號淹沒，所以本研究采用右腿驅動電路抑制共模干擾，濾除共模信號，進而降低輸出信號中的共模信號，提高共模抑制比。

導聯(lián)脫落檢測為系統(tǒng)的特殊設計，主要由2 個電壓比較器和1 個四位DAC 構成，直流激勵信號接輸入通道一端，通過上拉電阻接電源，另一端通過下拉電阻接地，電阻阻值為10 M?[2]，導聯(lián)脫落后，相應的通道出現(xiàn)飽和報警。

2.3 主控模塊

主控模塊承擔數據運算、控制傳輸、任務管理等工作，整個系統(tǒng)的性能取決于微處理器的性能。本系統(tǒng)采用的STM32 微處理器是ARM 公司的高性能“Cortex-M4”內核微處理器[5]，其是一款32 位中等容量（2 MB Flash）處理器，可讀寫同步，具備256+4 KB 的靜態(tài)隨機存取存儲器（static random-access memory，SRAM），同時提供了豐富的外設資源，豐富的接口資源簡化了外圍電路，既降低了功耗，同時保證了系統(tǒng)運行。主控模塊的主要功能包括控制和讀取轉換后的心電數據、完成與ADS1293 的數據通信、WCT 放大器、右腿驅動、ADC 配置、與藍牙模塊數據的傳輸、控制心電信號存儲。STM32 與ADS1293 的數據傳輸需通過SPI接口，SPI 接口硬件功能強大，軟件實現(xiàn)簡單，是一種全雙工通信模式，效率極高[3]。當START 變成高電平，開始轉換數據，當完成1 次數據轉換會發(fā)1 個DRDT 信號，當信號變低，表示有數據可傳輸，將片選信號拉低，串行時鐘開始工作， 電平在SCLK 的第1 個時鐘下降沿升高，在SCLK 上升沿往外部控制設備傳輸數據，在下降沿從外部控制設備讀取數據命令。數據在傳輸階段必須保持低電平[6]。

2.4 SD 卡模塊

心電信號采用SD 卡存儲，存儲時間為24 h，數據量為百兆量級，目前市場上的快閃存儲器可滿足設計要求。SD 卡模塊采用SPI 傳輸模式，SD卡座與STM32 微處理器接口電路見圖4。圖中SD卡的D0～D3 為數據信號線，CLK 為時鐘信號線，CMD 為命令響應信號線。在監(jiān)測心電信號時主控芯片操作SD 卡進行讀寫。

圖4 SD 卡座與STM32 微處理器接口電路

2.5 藍牙模塊

主控板數字化后的心電信號，通過藍牙串口發(fā)送至安卓客戶端。本系統(tǒng)的藍牙模塊采用BDEBLEM201，其是基于TI CC2541 芯片開發(fā)的兼容藍牙4.0 低功率單模藍牙模塊，具有功耗低、延時端、開發(fā)快速的特點，被廣泛應用于便攜式設備。藍牙模塊電路見圖5。引腳BT_REST、BT_WU 控制藍牙模塊的復位、休眠與喚醒，從BT_CONN 引腳讀取當前藍牙模塊的連接狀態(tài)。引腳BT_RX、BT_TX與藍牙模塊進行數據透傳。主控模塊通過BT_PWR引腳控制藍牙模塊的電源通斷，實現(xiàn)更精細化的功耗管理[7]。

圖5 藍牙模塊電路

2.6 電源模塊

電源模塊可為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，管理電池充電電路。本系統(tǒng)采用鋰電池作為供電電源，采用低噪聲的LP5912Q3.3DRVRQ1 芯片作為充電管理芯片，該芯片輸入電壓為1.6～6.5 V，輸出電壓為3.3 V，波動幅度為±2%，最大輸出電流為500 mA，滿足系統(tǒng)要求[7-8]。在穩(wěn)壓電路中PWR_EN 為高電平時，可使芯片輸出；PWR_EN 為低電平時，禁用芯片輸出。充電電路可兼容USB 充電，可通過引腳EN1和EN兩選擇2種充電電流（100 mA和500 mA）。電源模塊電路見圖6，部分引腳功能見表1。

表1 充電管理芯片部分引腳功能說明

圖6 電源電路圖

3 軟件設計

3.1 ADS1293 軟件配置

ADS1293 的首要任務是初始化芯片時鐘，設置使用晶振類型，設置復位操作，配置各類寄存器，配置內部參考電壓，電壓設置為2.4 V[9-10]。選擇自定義功能，完成各功能配置。數據轉換模式可采用分單次讀取模式和連續(xù)讀取模式。系統(tǒng)采用SPI 通信接口，并對接口初始化操作。根據乃奎斯特定律，為使采樣信號不產生混疊，采樣頻率需等于或高于信號最高頻率的2 倍，因此采樣頻率應>200 Hz。增益放大器PGA 放大倍數可選擇1、2、3、4、6、8、12 倍，由于心電信號幅值為1 mV 左右，因此選擇PGA 放大倍數為1 倍。工作模式設置如下：ADC 采樣率為250 Hz，PGA 放大倍數為1 倍，通道選擇外部輸入，配置WCT 電位[11]。

3.2 采集終端的工作流程

本研究采用模塊化的編程設計思路，設計心電采集終端的軟件。采集終端工作流程見圖7。系統(tǒng)上電后，首先對各模塊初始化，包括ADS1293 初始化、時鐘初始化、定時器初始化、SD 卡初始化等，完成初始化后，準備就緒。按下啟動開關，啟動ADS1293 采集1 個周期心電信號，正常情況下切換到主循環(huán)中運行，外設中斷執(zhí)行后，將數據寫到緩沖區(qū)，主循環(huán)中讀入緩沖區(qū)的數據和命令，依次完成監(jiān)測記錄、藍牙通信及狀態(tài)管理任務。處理完成后，返回讀取中斷數據緩沖區(qū)處循環(huán)運行[12-14]。完成新數據采樣后，新數據準備好被讀取時，DRDY引腳被拉低，主控模塊捕獲該引腳被置低的中斷信號，進入中斷服務程序，啟動SPI 時鐘，讀取各個通道的心電數據。

圖7 采集終端工作流程

3.3 安卓客戶端設計及客戶端程序工作流程

安卓客戶端程序主要完成接受采集端發(fā)送的心電信號數據，并在客戶端實時顯示并保存接收的心電波形。客戶端程序工作流程見圖8。

圖8 客戶端程序工作流程

3.4 安卓客戶端與中央監(jiān)護站數據傳輸

安卓客戶端連接中央監(jiān)護站后，將接收到的心電信號通過5G 傳輸，使用TCP/IP 協(xié)議傳輸至中央監(jiān)護站[15-18]，便于中央監(jiān)護站的專家遠程監(jiān)控及診斷患者相關情況。具體傳輸流程如下：安卓客戶端創(chuàng)建Socket 后，連接到指定的服務器端口，向Socket 寫入數據并發(fā)送至中央監(jiān)護站[18]，等待接收響應信息；遠程中央監(jiān)護站先創(chuàng)建Socket，綁定地址和端口號，阻塞等待[19]，接收客戶端的連接請求。連接成功后讀取數據，完成數據緩存及存儲，返回響應信息，數據傳輸完成后關閉連接[20]。

4 實驗結果

本研究設計的三導聯(lián)便攜式動態(tài)心電信號采集系統(tǒng)實物見圖9。將系統(tǒng)的采集終端連接心電模擬發(fā)生器后，系統(tǒng)可采集不同導聯(lián)的心電信號，并通過5G 網絡實時傳輸至中央監(jiān)護站。安卓客戶端及中央監(jiān)護站顯示情況見圖10 。

圖9 采集終端實物圖

圖10 安卓客戶端及中央監(jiān)護站顯示圖

5 小結

本研究設計的三導聯(lián)便攜式動態(tài)心電信號采集系統(tǒng)基于ADS1293 生理信號采集芯片，搭載STM32 微處理器，并通過藍牙和5G 傳輸技術將心電波形傳輸至安卓客戶端和遠程中央監(jiān)護站。心電模擬發(fā)生器實驗結果顯示，安卓客戶端和中央監(jiān)護站均可實時顯示清晰、穩(wěn)定的心電波形。系統(tǒng)完全符合設計要求，可用于醫(yī)學研究和輔助診斷。后續(xù)將通過以下兩方面繼續(xù)完善系統(tǒng)功能：一是在主控模塊中增加數學算法，對采集到的心電數據進行分析，達到自動診斷的目的；二是進一步挖掘ADS1293 相關功能，如腦電信號檢測、呼吸檢測等，使系統(tǒng)功能更加完善。