摘  要： 設(shè)計(jì)了一款便攜式低功耗的動(dòng)態(tài)心電圖系統(tǒng)，并通過藍(lán)牙模塊完成動(dòng)態(tài)心電圖在Android端的實(shí)時(shí)顯示。該系統(tǒng)由STM32L152微處理器、HHW_USART_S10藍(lán)牙模塊以及電源管理單元等分離元件構(gòu)成，并在心電系統(tǒng)內(nèi)部首次使用低功耗模擬前端集成芯片完成7導(dǎo)聯(lián)動(dòng)態(tài)心電圖的采集，實(shí)時(shí)反映心臟活動(dòng)的變化。該系統(tǒng)的供電電壓為1.8 V，且工作時(shí)的功耗僅為40 mW。Android端的動(dòng)態(tài)心電圖顯示軟件適用于Android2.2以上版本的操作系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵詞： 動(dòng)態(tài)心電圖；Android；STM32；模擬前端；藍(lán)牙模塊；低功耗

0 引言

　　隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科技的進(jìn)步，全球的老齡化越發(fā)地明顯[1]，而老年人作為心臟病的高發(fā)人群，使每年死于心臟病的人數(shù)呈遞增之勢(shì)，據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，每年約有1 700萬人死于心臟病。而且，隨著生活節(jié)奏的加快和生活方式的改變，患有心臟病的人群有低齡化的趨勢(shì)。因此對(duì)于心電醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)療服務(wù)需求越發(fā)地迫切[2]。隨著醫(yī)療條件的不斷發(fā)展和改善，發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家人口的平均壽命也在不斷地延長(zhǎng)，這些都使得為老年人提供長(zhǎng)期的身體健康監(jiān)測(cè)的設(shè)備變得尤為迫切。目前，生活在經(jīng)濟(jì)條件和醫(yī)療條件比較落后的偏遠(yuǎn)地區(qū)的人群仍然很多，特別是，為檢測(cè)出特殊情況下患者病況（例如在心臟康復(fù)中的局部缺血），直接通過患者的ECG信號(hào)很難直觀地識(shí)別出結(jié)果。從目前的情況來看，心電圖作為檢測(cè)患者心臟活動(dòng)的一種工具已經(jīng)得到廣泛使用，然而由于其使用條件的限制，價(jià)格昂貴且不宜攜帶，對(duì)時(shí)間相對(duì)緊張的年輕人和行動(dòng)不便的老年人來說，經(jīng)常去醫(yī)院做檢查很不現(xiàn)實(shí)；另外心臟病具有突發(fā)的特點(diǎn)，處理不及時(shí)可能會(huì)危及到生命[3]。且對(duì)于一些心臟的突發(fā)狀況（如心律不齊等），即使標(biāo)準(zhǔn)的12導(dǎo)聯(lián)也無法檢測(cè)到。因此，方便、持續(xù)的心電圖檢測(cè)成為一種有效的選擇。盡管動(dòng)態(tài)心電圖分析系統(tǒng)已經(jīng)是一種眾所周知的技術(shù)，適用于社區(qū)醫(yī)院、病房和居家等不同環(huán)境[4]，但此類設(shè)備在其功耗和便攜舒適度方面仍需繼續(xù)提高。鑒于以上原因，家庭式、低成本、便攜式的醫(yī)療設(shè)備的面世尤為重要。本文提出一種便攜式的低功耗的動(dòng)態(tài)心電圖測(cè)試系統(tǒng)，該心電系統(tǒng)可以獲取、存儲(chǔ)和傳送ECG信號(hào)。為了降低功耗，系統(tǒng)搭載了AFE[5]模擬前端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，AFE芯片提供3導(dǎo)聯(lián)（I、II和V）。而在數(shù)據(jù)傳輸方面，本系統(tǒng)采用藍(lán)牙通信，并相應(yīng)地設(shè)計(jì)了基于Android的實(shí)時(shí)顯示軟件，可以使ECG信號(hào)非常方便地顯示在智能終端，而且可應(yīng)對(duì)因頻率跳變而引起的噪聲并提高抗干擾能力。此外本動(dòng)態(tài)心電分析系統(tǒng)沒有使用液晶顯示單元，藍(lán)牙模塊可通過其他設(shè)備獲取可視化動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，以此顯著降低設(shè)備功耗。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　圖1為系統(tǒng)的原理框圖，其內(nèi)含高集成度模擬前端芯片、一個(gè)微控制單元（MCU）STM32L152、具有1 GB內(nèi)存的多媒體存儲(chǔ)卡以及一個(gè)HHW UART S10藍(lán)牙模塊等。將各部分元器件在電路板上都作了高亮顯示。該動(dòng)態(tài)心電圖分析儀器采用一塊手機(jī)電池供電，為延長(zhǎng)供電時(shí)間，整個(gè)分析設(shè)備在設(shè)計(jì)中采用了CMOS低功耗運(yùn)算放大器以及低功耗儀表放大器使得供電電流能盡可能地降低。由于系統(tǒng)使用的是單電源1.8 V供電，在器件選型上十分嚴(yán)格。

　　1.2 模擬前端芯片

　　在引言部分已提及，此類芯片為首次使用。據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，此芯片提供了優(yōu)異的針對(duì)ECG信號(hào)的放大器、低失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器以及高精度電流基準(zhǔn)[5]。此款模擬前端芯片具有主流漂移抑制功能（在80 mV），且在單電源1.8 V供電時(shí)能達(dá)到37.8 mW的功耗。監(jiān)測(cè)信號(hào)的放大增益可根據(jù)需要設(shè)定不同的增益，模擬前端集成芯片（AFE）的增益可編程控制在42 dB~60 dB，且平穩(wěn)輸入噪聲不高于1.12 mV/p（1 Hz），其最低截至頻率為35 Hz、150 Hz和250 Hz[6]。

　　1.3 微處理器

　　整機(jī)系統(tǒng)中也加入了一個(gè)額外的STM32L152低功耗微處理器。此款處理器需要較低電壓（1.65~3.6 V）的電源供電且功耗在32 Hz情況下為10.4 mA，1 MHz情況下為230 mA。為低功耗微處理器提供了12位的A/D轉(zhuǎn)換器且xx作為監(jiān)測(cè)信號(hào)的提取。此外，在實(shí)際使用過程中采用了過采樣來提高采樣頻率使其能達(dá)到16位A/D轉(zhuǎn)換。STM32L152的內(nèi)部也集成了USB設(shè)備接口，全速傳輸速率為12 Mb/s，可使用軟件方便設(shè)置端點(diǎn)、暫停和恢復(fù)。專用的48 MHz時(shí)鐘由內(nèi)部鎖相環(huán)（時(shí)鐘源必須使用高速的外部晶振）產(chǎn)生。該系列的微處理器也在其內(nèi)部集成了安全的數(shù)字輸入/輸出（SDIO）端口用于方便讀寫多媒體存儲(chǔ)卡。當(dāng)系統(tǒng)重啟，MCU首先初始化AFE端口并以內(nèi)部集成的12位A/D以及4位通過過采樣和xx以1 kHz采樣頻率采集ECG信號(hào)，當(dāng)信號(hào)處理完畢后，可以方便地存入多媒體存儲(chǔ)卡內(nèi)。獲取的心電圖波形數(shù)據(jù)也可以直接通過USB或者藍(lán)牙傳輸至波形識(shí)別設(shè)備。可以將獲取的患者數(shù)據(jù)可視化并進(jìn)行醫(yī)療分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。整個(gè)MCU的軟件流程圖如圖2所示。

　　1.4 在線數(shù)據(jù)傳輸模式

　　動(dòng)態(tài)心電圖分析系統(tǒng)帶有分別獨(dú)立的串行通信協(xié)議可供選擇：USB模式和藍(lán)牙。在本文中主要使用由原始設(shè)備制造商（OEM）提供的藍(lán)牙模塊HHW USAT S10，該模塊可與其他使用藍(lán)牙2.0通信協(xié)議的設(shè)備建立配對(duì)，連接至智能手機(jī)或個(gè)人電腦等智能終端。可實(shí)時(shí)獲取ECG信號(hào)并隨時(shí)可控AFE增益。

2 Android端的顯示軟件

　　本系統(tǒng)的心電圖采用藍(lán)牙通信在Android系統(tǒng)端實(shí)時(shí)顯示。Android作為時(shí)下最流行的開源操作系統(tǒng)，已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)方面，特別是在手機(jī)端，基于Android端的顯示軟件更能方便人們對(duì)心電的監(jiān)測(cè)[7]。該心電顯示軟件要求Android操作系統(tǒng)的最低版本為2.0。

　　該軟件主要基于Eclipse開發(fā)，軟件界面如圖3所示。該軟件底層為心電顯示圖紙，類似于坐標(biāo)圖中的正方形小方格[8]，心電圖為三通道顯示，并有增益下拉菜單、波形間距下拉菜單以及心率比對(duì)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)兩個(gè)按鈕。增益菜單可實(shí)現(xiàn)心電波形的等比放大和縮小[9]、間距可調(diào)整心電波形的集中度、心率比對(duì)模塊會(huì)給出心臟功能完好的常人在不同年齡段的心率范圍，并且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊可對(duì)心電波形進(jìn)行儲(chǔ)存。

　　軟件啟動(dòng)后的執(zhí)行框圖如圖4所示。當(dāng)打開軟件時(shí)，提示打開藍(lán)牙，點(diǎn)擊Scan for device開始搜索目標(biāo)藍(lán)牙，當(dāng)藍(lán)牙連接成功后開始接收數(shù)據(jù)，并將消息返回給主線程，啟動(dòng)畫圖線程（MyView）同時(shí)接收到的數(shù)據(jù)會(huì)暫存在循環(huán)緩沖器（CircularBuffer）中，MyView會(huì)調(diào)用循環(huán)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)開始畫圖，在該線程中實(shí)現(xiàn)放大和縮小的功能，并且當(dāng)波形放大超出顯示區(qū)域時(shí)進(jìn)行鎖定。

3 測(cè)試

　　將Android\workspace\bin\ECGManager.apk安裝包拷貝到Android系統(tǒng)下，點(diǎn)擊安裝后就可以直接使用。用該心電圖對(duì)1個(gè)健康的成年人進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試采用短期和長(zhǎng)期測(cè)試。在短期測(cè)試中，使用藍(lán)牙模式，通過電極電位差采集3導(dǎo)聯(lián)的數(shù)據(jù)，可在手機(jī)端立刻顯示出采集到的心電波形，其余4導(dǎo)聯(lián)直接通過離線軟件計(jì)算獲得。在完成初步測(cè)試后，實(shí)驗(yàn)者將持續(xù)攜帶設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，直到心電圖機(jī)的電池電量用完。實(shí)驗(yàn)者的測(cè)試結(jié)果以及在放大情況下的心電圖如圖5所示。

　　從顯示結(jié)果可以看出，在最頂端的文本組件上左邊顯示的是軟件名稱，右端顯示的是藍(lán)牙的連接情況，有connecting...，not connected和connected：。當(dāng)連接成功時(shí)顯示connected：+藍(lán)牙名稱，從圖5可以看出軟件已連接成功，中間顯示的是心率值。中間部分就是3導(dǎo)聯(lián)的心電的波形。可以看出當(dāng)改變放大增益比時(shí)，可以比較明顯地看出波形細(xì)微的一些變化。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的低功耗的動(dòng)態(tài)心電圖機(jī)成功地完成了心電與心率的采集，并達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，通過藍(lán)牙模式將數(shù)據(jù)傳送顯示到Android的智能移動(dòng)終端，可以讓使用者非常方便地觀察到自己的心電波形和心率值，并進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，非常適用于不方便去醫(yī)院的人群和心臟有潛在危險(xiǎn)的人群。

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