熊揚成1，許武軍1，2，于浩1
（1.東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620； 2.教育部數字化紡織服裝技術工程研究中心，上海 201620）
摘要：當今心臟病發病率越來越高，為了更好地采集和研究心電信號，介紹了一種基于藍牙低能耗（BLE）PSOC的心電圖（ECG）穿戴裝置的設計。該穿戴裝置通過非接觸式電勢集成電路(EPIC)采集心電信號，經過模擬前端(AFE)信號調理電路，由智能藍牙可編程片上系統(PSOC 4BLE)對信號做進一步處理，通過智能藍牙(Smart Bluetooth)將心電圖數據傳輸到智能移動終端的應用程序實時顯示。
關鍵詞：藍牙低能耗；心電圖；可編程片上系統；穿戴裝置
0引言
目前,世界上心臟病的死亡率在因病死亡人數中不斷提升，心臟疾病被越來越多的人關注和重視。由于心臟病具有病情隱蔽、發病危險性高的特點，它對心臟病患者的危害性極大。對心血管疾病的研究一直是醫學界的一個重要研究課題，尤其是對心電的研究。心電信號中帶有大量的有關心臟狀態的信息，而且心電信號可以在人體表面無損害地被檢測出，不會給病人造成任何損害。心電圖機所記錄的常規心電圖，可以反映心臟活動的變化，是心血管疾病診斷的重要手段。但是，心律失常發生的概率相對較低，而常規心電圖記錄時間很短，因此往往難以捕獲。例如一些心律失常的病人，其心律失常發生的頻率非常低，出現時間也毫無規律，需要相當長的連續觀察才有捕獲的可能。因此需要一種能夠實時記錄并分析心臟活動的監護系統［1］，對患者進行監護，及時對心臟的異常活動作出判斷，以便醫生及時診斷和治療。
利用心電圖（ECG）等有關心電活動的曲線和圖形資料為臨床提供診斷信息，是心血管病不可缺少的檢查診斷方法。心電是一種生物電，而生物電是生命最重要的特征之一。將智能穿戴式技術應用于心臟疾病監護領域［2］，不僅能夠實現生理健康指標的實時監測，而且還具有良好的社會經濟效益。對ECG系統的研究由來已久，然而隨著時代的進步，傳感器技術、通信技術以及系統的集成技術都發生了革命性的改變，因此ECG系統也相應地有了很大改變。
1ECG穿戴裝置總體設計
EGC穿戴裝置由模擬前端（AFE）、主控平臺（PSOC 4BLE）、智能移動終端三部分組成。如圖1所示。
2穿戴裝置硬件設計
2.1模擬前端（AFE）
模擬前端主要由生物傳感器PS25255、儀表放大器AD8221、電阻、電容構成，完成信號采集和初步處理。PS25255是Plessey公司研發的非接觸式電勢集成生物傳感器（Electric Potential Integrated Circuit,EPIC），具有超高的輸入阻抗、干接觸電容耦合、適合的截止頻率（200 mHz和20 kHz）等特點。
2.2主控平臺
主控平臺的主要工作是進行進一步的信號處理，存儲數據并通過自身集成的低功耗藍牙將數據發送給移動終端。EPIC采集到的心電信號含有很多噪聲，包括［25］：
（1）基線漂移，由電極移動、人體呼吸等低頻干擾所引起，頻率小于5 Hz。
（2）肌電干擾，由于人體活動、肌肉緊繃等原因所引起的干擾，其頻率范圍廣。
（3）工頻干擾，是由公共電網以及各種用電設備產生的固定頻率的干擾，頻率為50 Hz。
（4）運動偽跡，由電極移動引起的短暫基線改變，這是動態心電記錄中由于人體移動或抖動產生的不可避免的干擾。其持續時間為100~500 ms，幅度可達記錄放大器滿輸出，即所謂的躍變干擾。
為了得到理想的心電信號，必須對EPIC采集到的心電信號進行濾波。EPIC傳感器輸出的心電信號幅值為10 mV，需要將其放大到V級別才能進一步處理。要想實現數據的遠距離傳輸和存儲，模數轉換是必須的。
無論是濾波、放大、模數轉換，還是ARM微控制器、藍牙傳輸，將通過一塊可編程芯片完成，本設計選用賽普拉斯（Cypress）的PSOC 4BLE。
PSOC 4BLE有非常豐富的模擬和數字塊資源，本裝置將使用到的資源有：4個運放（分別用作兩路二階低通濾波，1個右腿電路，1個差分放大）、1個SAR型模數轉換器(10位)、微控制器（ARM CortexM0）、1個低功耗藍牙（BLE）。具體配置見圖2。
3穿戴裝置軟件設計
PSOC Creator是一個專門用于PSOC3、PSOC4、PSOC4BEL、PROC BLE和PSOC5LP等系列產品進行硬件和應用固件開發的集成開發環境，其綜合了通常使用的基于文本語言的編程方式和基于圖形化編輯語言的編程方式。PSOC Creator使用的第一步是根據用戶需要，自行選擇芯片集成的模擬和數字資源模塊，只需將需要的模塊拖至原理圖即可，然后將各模塊按輸入輸出實際情況連接（還可以加上片外電阻電容等）。接下來只需要設置好芯片實際對應的引腳，圖3主控平臺軟件流程圖
PSOC Creator即可以根據系統豐富的API函數生成用戶自己的工程。用戶只需要編寫自己的main函數即可，當然如果需要，用戶也可以自行編寫API函數。PSOC Creator提供了豐富的API函數，又可以讓使用者創建自己的庫函數，極大地提高了設計效率和靈活性，使用起來非常方便實用。主控平臺軟件流程圖如圖3。
4智能移動終端
穿戴裝置的智能移動終端平臺采用Android平臺［4］，顯示應用程序可自行開發定制，也可以使用Cypress公司提供的CySmart1.1安卓端應用程序。使用CySmart需要對BLE模塊進行相關配置，如GATT role、GAP role，本設計中應將PSOC 4BLE端GATT配置為server，而GAP role設置為peripheral。相應地，智能移動終端作為GATT client，GAP role為central device。然后對所要添加的服務（service）的特征（characteristic）和描述（descriptor）進行配置。
5實驗結果
圖4為智能移動終端應用程序CySmart，可以看到圖中顯示的ECG正是搜索到的PSOC 4BLE搭載的BLE設備，PSOC 4BLE作為GATT server將采集到的心電數據傳輸給GATT client的數據庫GATT DB，即智能移動終端。
6結論
本文提出了一種將智能穿戴式技術應用于心臟疾病監護領域的設計方法，實現生理健康指標的實時監測。本裝置使用了可編程片上系統（PSOC 4BLE），利用其豐富的片上模擬數字資源，使濾波、差分放大、A/D轉換，甚至數據無線傳輸都在一塊小小的芯片上完成，這樣既可以大大降低穿戴設備的功耗，又可以減小設備的體積。可編程片上系統在穿戴設備上的應用將會越來越多。值得注意的是，若要將本裝置做成產品，模擬前端和主控平臺必須要做在一塊PCB板上，則藍牙天線的布局需要特別注意，既要將產品體積做小，又不能影響產品性能。
參考文獻
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［2］ WANG C S,LIU C W,WANG T H.Implement a low noise portable ECG circuit［C］.Ancanced Materials Research,2011:13271332.
［3］ 黃敏松，行鴻彥，劉建成.ECG監護儀前置放大電路的設計［J］.現代電子技術，2007，16(8):187189.
［4］ 肖菊蘭，王嘉輝，曾麗君，等.基于Android系統的心電傳輸與顯示系統設計［J］.醫療衛生裝備，2015,36(6):3537.
［5］ 潘靜，郭興明，陳旻.遠程心電監護中ECG信號的提取［J］.計算機測量與控制，2008，16（9）:13191321.