【作 者】王國靜，王衛(wèi)東，余雷

0 引言

隨著人們生活節(jié)奏的加快和人口老齡化問題的加重，心血管疾病的發(fā)病率越來越高，這種疾病突發(fā)性強(qiáng)，需要快速救治，因此，長時(shí)間實(shí)時(shí)的心電監(jiān)護(hù)受到了國內(nèi)外的高度關(guān)注[1-2]。目前臨床使用的床旁心電監(jiān)護(hù)儀，可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)病人的心電圖，但被測(cè)者深受各種繁冗連線的束縛，不能隨意移動(dòng)，不具備便攜性，并不能實(shí)現(xiàn)家用化。新一代的心電監(jiān)護(hù)儀對(duì)于用戶來講，在家中使用就可以完成心電圖的實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄，所以便攜性和易操作是目前家用心電監(jiān)護(hù)儀設(shè)備亟待解決的問題[3]。

本設(shè)計(jì)完成了一款無線心電監(jiān)護(hù)儀，該監(jiān)護(hù)儀具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：①基于CC2530實(shí)現(xiàn)心電心率的無線傳輸，實(shí)現(xiàn)便攜式；②CC2530實(shí)現(xiàn)Zigbee低功耗無線傳輸，AD8232實(shí)現(xiàn)心電模擬信號(hào)低功耗簡易獲取，整體實(shí)現(xiàn)低功耗；③高集成度的心電模擬前端AD8232芯片和Zigbee片上系統(tǒng)解決方案CC2530芯片，實(shí)現(xiàn)設(shè)備小體積；④AD8232內(nèi)部集成放大和高階濾波功能，特別是良好的共模抑制性能，實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)采集高性能。

1 無線心電監(jiān)護(hù)儀的整體設(shè)計(jì)

無線心電監(jiān)護(hù)儀包括心電采集模塊、處理器模塊、顯示模塊、電源模塊和按鍵，如圖1所示。心電采集模塊采用ANALOG DEVICES公司的單導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)護(hù)前端AD8232，實(shí)現(xiàn)心電模擬信號(hào)的采集；處理器模塊采用TI公司的CC2530單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)心電模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理后再無線發(fā)送；顯示模塊采用OLED來顯示心率和監(jiān)護(hù)儀的工作狀態(tài)；電源模塊包括鋰電池及其充電電路，穩(wěn)壓電路；兩個(gè)按鍵來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的控制。

圖 1無線心電監(jiān)護(hù)儀整體實(shí)現(xiàn)框圖Fig.1 The overall implementation block diagram of the wireless ECG monitor

2 無線心電監(jiān)護(hù)儀的硬件設(shè)計(jì)

2.1 心電采集模塊

心電采集模塊采用AD公司的AD8232來實(shí)現(xiàn)。AD8232是一款全集成式單導(dǎo)聯(lián)ECG前端，適用于對(duì)心臟生物電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理來進(jìn)行心電心率監(jiān)護(hù)。它具有較低的電源電流和較高的共模抑制比以及導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)功能，可采用雙極點(diǎn)高通濾波器來消除運(yùn)動(dòng)偽像，采用雙極點(diǎn)或三級(jí)點(diǎn)低通濾波器來消除其他額外噪聲，該ECG前端可用于在具有運(yùn)動(dòng)或遠(yuǎn)程電極放置產(chǎn)生噪聲的情況下提取、放大及過濾微弱的生物電信號(hào)，使得數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）能夠輕松地采集輸出信號(hào)[4]。本設(shè)計(jì)參考AD8232在雙手處測(cè)量心電的應(yīng)用電路[5]，如圖2所示，來采集心電模擬信號(hào)。

圖2 心電采集模擬前端AD8232應(yīng)用電路圖Fig.2 The application circuit diagram of ECG acquisition simulation front end AD8232

心電采集模塊利用兩個(gè)不銹鋼電極在雙手處測(cè)量心電信號(hào)。在雙手處采集心電信號(hào)，一方面會(huì)受到手臂和上身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽像的干擾，另外還會(huì)受到長引線導(dǎo)致的共模干擾影響。所以，在這個(gè)采集方案中，為了區(qū)分心臟心電信號(hào)和其他干擾信號(hào)，須采用極窄的帶通特性。在本設(shè)計(jì)電路中，采用截止頻率為7 Hz的雙極點(diǎn)高通濾波器，由圖2中的C191-E，C011-E，R201-E，R062-E構(gòu)成。此高通濾波器后接一個(gè)截止頻率為24 Hz的雙極點(diǎn)低通濾波器，即由圖2中的R061-E，R071-E，C071-E，C061-E構(gòu)成，該低通濾波器用來消除任何其它偽像和線路噪聲。低通濾波器級(jí)還包含大小為11的增益，加上AD8232內(nèi)部儀表運(yùn)放的放大倍數(shù)固定為100倍（R081-E，R091-E），心電信號(hào)整體放大倍數(shù)為1 100倍。

2.2 處理器模塊

本設(shè)計(jì)的處理器模塊采用TI公司的CC2530片上系統(tǒng)解決方案[6-7]，處理器模塊有三個(gè)功能：①內(nèi)核處理器為增強(qiáng)型8051，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能；②CC2530內(nèi)置12位ADC，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能；③CC2530是TI公司提供的Zigbee片上系統(tǒng)解決方案，故可實(shí)現(xiàn)Zigbee無線功能。

CC2530外圍主要包括電源濾波電路、射頻前端電路和晶振電路，如圖3所示。其中射頻前端電路采用TI公司的2450BM150002來替代傳統(tǒng)的電容和電感實(shí)現(xiàn)的BALUN電路，使得匹配更加簡單和穩(wěn)定。

CC2530內(nèi)核為高性能低功耗的8051微控制器，具有高達(dá)256 kB的可編程FLASH和8 kB的RAM，具有1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器，21個(gè)可編程引腳，允許工作電壓為2.0～3.6 V，CC2530還集成了8通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。本設(shè)計(jì)中使用ADC的第一個(gè)通道P0.0接入AD8232采集到的心電模擬數(shù)據(jù)。

2.3 顯示模塊

顯示模塊用來顯示心率和心電監(jiān)護(hù)儀工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中，顯示模塊使用的是有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）來實(shí)現(xiàn)，之所以選用OLED來實(shí)現(xiàn)顯示功能，是因?yàn)樗邆渥园l(fā)光、不需背光源、功耗低、對(duì)比度高等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中OLED選用的是WiseChip Semiconductor公司的OEL顯示模塊，其像素為128 × 64，大小為26.70 mm×19.26 mm× 1.45 mm，工作電壓為3.3 V。OLED與CC2530之間通過IIC實(shí)現(xiàn)通信。

2.4 電源模塊

本設(shè)計(jì)中的電源模塊有兩個(gè)功能：一方面實(shí)現(xiàn)為鋰電池充電功能，另一方面為心電采集模塊、處理器模塊和顯示模塊提供3.3 V電源。

為了實(shí)現(xiàn)充電功能，電源模塊采用了TI公司的BQ24040芯片，該芯片的供電部分來自USB供電或者AC電源適配器功能，具有較高的輸入電壓供電范圍和輸入過壓保護(hù)。充電過程中，芯片內(nèi)部有監(jiān)測(cè)控制回路，可通過調(diào)控充電電流實(shí)現(xiàn)對(duì)整體電路的保護(hù)[8]。為了提供3.3 V的電源給監(jiān)護(hù)儀的各個(gè)模塊，需要將鋰電池的電壓穩(wěn)定在3.3 V。本設(shè)計(jì)選用TI公司的LP2985-33芯片實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能。LP2985芯片是具有關(guān)斷功能和1.5%容限的150 mA低噪聲低壓降穩(wěn)壓器[9]。

3 無線心電監(jiān)護(hù)儀的軟件設(shè)計(jì)

3.1 A/D轉(zhuǎn)換

CC2530單片機(jī)內(nèi)部集成有8通道12位ADC，本設(shè)計(jì)直接將AD8232采集到的心電模擬信號(hào)發(fā)送到CC2530單片機(jī)ADC的第一個(gè)通道，對(duì)應(yīng)單片機(jī)引腳為P0.0。通過CC2530內(nèi)部定時(shí)器Timer1實(shí)現(xiàn)定時(shí)中斷，采樣率設(shè)置為125 Hz。

3.2 數(shù)據(jù)顯示

本設(shè)計(jì)采用OLED顯示屏幕，由于CC2530沒有IIC硬件接口，所有本設(shè)計(jì)通過軟件模擬實(shí)現(xiàn)CC2530與OLED的 IIC通信。該OLED的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)模塊是SSD1306，所以需要對(duì)SSD1306進(jìn)行配置來完成對(duì)OLED的驅(qū)動(dòng)。配置IIC模擬端口后，參考選用的OLED的手冊(cè)，逐步完成對(duì)SSD1306的初始化，這樣，就可以使用OLED顯示心率值以及心電監(jiān)護(hù)儀的各種工作狀態(tài)。

3.3 心率計(jì)算

本設(shè)計(jì)通過AD8232采集到心電模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)通過CC2530單片機(jī)內(nèi)置ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換后，需要進(jìn)行四個(gè)步驟得到心率，如圖4，分別是：①平滑濾波；②二階差分；③峰值判別并記錄；④心率計(jì)算。

圖 4 心率計(jì)算流程圖Fig.4 The fl ow chart of heart rate calculation

平滑濾波的目的是消除噪聲信號(hào)，常用的平滑濾波包括線性濾波和非線性濾波，線性濾波如鄰域平滑濾波，非線性濾波如中值濾波。本設(shè)計(jì)選用的是鄰域平滑濾波[10]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，N是平滑濾波的階數(shù)。鄰域平均濾波的思想是通過一點(diǎn)和臨近點(diǎn)求平均來去除突變的數(shù)據(jù)，從而濾掉一定噪聲，此種方法算法簡單，計(jì)算速度快，適合單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算。

平滑濾波后，為了增強(qiáng)R波，以便更好地識(shí)別R波，本設(shè)計(jì)采用了二階差分算法對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理[11]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

本設(shè)計(jì)采用AD8232在雙手處測(cè)量心電，信號(hào)經(jīng)過截止頻率為7 Hz高通濾波器和截止頻率為24 Hz的低通濾波器后，采集到的心電波形略有變形。經(jīng)過二階差分算法處理后，相比于原始信號(hào)來說，一方面增強(qiáng)了R波，能夠更準(zhǔn)確地定位R波位置，另一方面通過二階差分處理，也能排除呼吸等干擾產(chǎn)生的基線漂移對(duì)心電信號(hào)的影響。

原始心電數(shù)據(jù)進(jìn)行了平滑濾波和二階差分以便更好地確定R波，即峰值的位置。二階差分完成后的心電數(shù)據(jù)進(jìn)入隊(duì)列中，本設(shè)計(jì)中，隊(duì)列長度為60。然后再判斷隊(duì)列中的最大值是否在隊(duì)列正中間。如果不是，繼續(xù)更新隊(duì)列數(shù)據(jù)；如果是，此處便是R波的位置。

確定R波位置后，通過R-R間期可以計(jì)算心率值。本設(shè)計(jì)中使用平均心率的方法，即計(jì)算出相鄰的3個(gè)R-R間期值，將此3個(gè)R-R間期值平均后，作為最終計(jì)算心率的R-R間期值，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，fs為采樣率，MRR1、MRR2、MRR3為連續(xù)的3個(gè)R-R間期采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

借用已有的無線顯示平臺(tái)，圖5顯示了無線心電監(jiān)護(hù)儀測(cè)量和計(jì)算結(jié)果，包括心電波形和心率，驗(yàn)證了該監(jiān)護(hù)儀的可用性。

圖 5 無線心電監(jiān)護(hù)儀測(cè)量結(jié)果顯示Fig.5 The measurement results of the wireless ECG monitor

5 結(jié)論

本文基于CC2530單片機(jī)和AD8232心電模擬前端實(shí)現(xiàn)了無線心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)，完成了心電模擬信號(hào)的采集，心電模擬信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，心率的實(shí)時(shí)計(jì)算，心率的顯示和其他狀態(tài)的顯示，以及心電心率信號(hào)的無線傳輸?shù)裙δ堋Ａ硗?，該無線心電監(jiān)護(hù)儀在顯示屏上可以指示心律失常狀態(tài)，為被測(cè)者提供參考。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的無線心電監(jiān)護(hù)儀，與其他的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀相比，具有低功耗、小體積、高集成度、高性能等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)更易實(shí)現(xiàn)，成本更低廉，性能更穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)過程中，配合已有的無線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采集到良好的心電波形和實(shí)時(shí)心率數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的無線心電監(jiān)護(hù)儀，一方面可以在無線連接的上位機(jī)不在線的情況下獨(dú)立使用，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心率；另一方面可以在建立無線連接的狀態(tài)下，在已有的無線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，與其他同時(shí)采集到的基礎(chǔ)生理數(shù)據(jù)配合，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)人體身體狀態(tài)進(jìn)行簡單的評(píng)估，具有很重要的臨床意義。

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