張翼，賓光宇，吳水才

北京工業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，北京 100124

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)民生活方式發(fā)生了深刻的變化。尤其是人口老齡化及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，中國(guó)心血管病危險(xiǎn)因素流行趨勢(shì)明顯，導(dǎo)致了心血管病的發(fā)病人數(shù)持續(xù)增加[1]。心臟系統(tǒng)疾病的防治和診斷成為醫(yī)學(xué)界面臨的重要課題之一。心電、心音和心沖擊信號(hào)是人體重要生理信號(hào)，攜帶大量生理健康信息，可用于冠心病、心律失常等心血管疾病的診斷和預(yù)防。

在心電方面，國(guó)內(nèi)一系列穿戴式心電貼設(shè)備獲得了國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局認(rèn)證，例如東方泰華研發(fā)的“心儀”、邁瑞的Mr.Wear等。美國(guó)Zio公司的irhythm心電貼、美敦力公司的SEEQ MCT遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也獲得了食品藥品監(jiān)督管理局的認(rèn)證。此外基于導(dǎo)電織物的胸帶等也得到大家的關(guān)注[2]。

傳統(tǒng)心音設(shè)備基于心音探頭[3]或者基于駐極體麥克風(fēng)傳感器進(jìn)行信號(hào)采集[4]，這種傳感器體積比較大，比較難實(shí)現(xiàn)穿戴式應(yīng)用。Zhang等[5]提出了一種基于數(shù)字麥克風(fēng)的穿戴式心音采集設(shè)備，有效的降低了心音設(shè)備的體積和功耗。

傳統(tǒng)的心沖擊信號(hào)基于壓電薄膜傳感器[6]和電阻應(yīng)變式稱重傳感器[7]。這些設(shè)備體積比較大，無法穿戴式使用。Castiglioni等[8]和He等[9]團(tuán)隊(duì)利用加速度傳感器設(shè)計(jì)穿戴式心沖擊信號(hào)采集裝置，有效地解決了心沖擊裝置的小型化問題。

心電、心音和心沖擊信號(hào)從不同方面衡量心臟活動(dòng)情況，聯(lián)合多參數(shù)的分析可以獲得射血前期，心輸出量等指標(biāo)[9]。因此本研究設(shè)計(jì)一種能夠從多個(gè)參數(shù)監(jiān)測(cè)心臟活動(dòng)情況的可穿戴式設(shè)備，該設(shè)備的所有單元集成在兩個(gè)心電電極片大小的空間內(nèi)，在人體合適的部位貼上兩個(gè)心電電極片，把設(shè)備安裝在心電電極扣上即可實(shí)現(xiàn)心電、心音和心沖擊圖3種信號(hào)的同步采集。希望該設(shè)備能夠長(zhǎng)時(shí)間佩戴，采集使用者的3種心臟相關(guān)信號(hào)。

1　需求分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研制的多參數(shù)心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的主要需求有如下幾點(diǎn)：體積小，重量輕，易于使用；多信號(hào)采集，能同步采集心電、心音和心沖擊信號(hào)；具有基于藍(lán)牙的無線數(shù)據(jù)傳輸功能；功耗低，可以能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的數(shù)據(jù)采集。根據(jù)心電電極貼的大小和承載能力考慮，本設(shè)計(jì)將全部模塊集成于兩個(gè)心電電極片大小的空間內(nèi)，并將整個(gè)設(shè)備的重量降低到40 g以下，可以直接由兩片心電電極貼支撐。多參數(shù)心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備由如下幾個(gè)模塊組成：BLE藍(lán)牙低功耗SoC nRF51822、心電數(shù)據(jù)采集模塊、心音數(shù)據(jù)采集模塊、加速度模塊、電源管理模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，見圖1。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.1　硬件設(shè)計(jì)

1.1.1主控芯片

可穿戴式多參數(shù)心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的主控芯片采用nRF52832藍(lán)牙低功耗SoC，nRF52832是Nordic推出的知名BLE SoC的nRF51822的續(xù)作，它面向藍(lán)牙低功耗和2.4 GHz超低功耗無線應(yīng)用，并帶來更強(qiáng)大的、擁有64 MHz的處理器工作頻率的Cortex-M4F核心和更低的功耗，豐富的外設(shè)功能，以及新DMA直接內(nèi)存存取功能。

1.1.2心電數(shù)據(jù)采集模塊

心電數(shù)據(jù)采集模塊通過醫(yī)用心電電極貼獲取心電信號(hào)，由于心電信號(hào)具有幅值小且極易受到干擾的特點(diǎn)，在心電數(shù)據(jù)采集部分采用差分放大電路進(jìn)行放大，以減小共模信號(hào)的干擾。該部分選用TI公司推出的16位模擬前端ADS1191，ADS1191高度集成了電磁干擾濾波器，可編程增益放大器、右腿驅(qū)動(dòng)電路和導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路。ADS1191中集成的可編程增益放大器采用差分輸入輸出，提供多種可調(diào)放大增益，而且放大器的共模抑制比高達(dá)115 dB，能有效抑制共模噪聲。ADS1191與傳統(tǒng)分列式元件電路相比，在功耗，體積以及穩(wěn)定性上有明顯優(yōu)勢(shì)。

1.1.3心音數(shù)據(jù)采集模塊

傳統(tǒng)心音數(shù)據(jù)采集模塊多采用心音探頭配合A/D轉(zhuǎn)換電路的方式[10]。雖然這種方式具有靈敏度高、信噪比高和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但是由于其體積過大不益于集成，所以在本設(shè)計(jì)中選用體積更小的MP34DB02 MEMS數(shù)字麥克風(fēng)作為心音傳感器。MP34DB02是意法半導(dǎo)體推出的超緊湊型、低功耗、MEMS數(shù)字麥克風(fēng)。該模塊具有62.6 dB的信噪比，120 dB SPL聲學(xué)過載點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)心音探頭在收音能力上沒有弱勢(shì)，但由于其全指向的收音特點(diǎn)，在抗干擾能力上有所欠缺。通過外部覆蓋的吸音材質(zhì)和外殼上的共鳴腔，可以有效改善其抗干擾能力[8,11-13]。

1.1.4加速度模塊

加速度模塊選用大量應(yīng)用智能手機(jī)的BMA280芯片。BMA280是博世推出的一款數(shù)字輸出的低功耗三軸加速度傳感器[14]。BMA280集成了如敲擊檢測(cè)、自由落體檢測(cè)等多種可編程運(yùn)動(dòng)檢測(cè)功能。BMA280有著最高0.244 mg的測(cè)量精度，可以感應(yīng)到由心臟機(jī)械活動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)波所引起的身體震動(dòng)，實(shí)現(xiàn)心沖擊圖的描繪[15]。

1.1.5電源管理模塊

在電源模塊中選用微芯的MCP73831作為鋰電池充電管理模塊，選用德州儀器（TI）的TLV70033高精度、低噪聲、高電源抑制比低壓降線性穩(wěn)壓器，為主控芯片以及其他傳感器模塊供電單元。由于心電信號(hào)容易受到其他信號(hào)的干擾，所以為心電采集模塊單獨(dú)配制一顆TLV70033，以減小電源對(duì)心電信號(hào)的干擾。

1.2　嵌入式程序設(shè)計(jì)

開發(fā)平臺(tái)選用Keil公司2013年10月正式推出的Keil MDK v5，該版本使用uVision5 IDE集成開發(fā)環(huán)境，是目前針對(duì)ARM微控制器，尤其是ARM Cortex-M內(nèi)核微控制器最佳的一款集成開發(fā)工具。整個(gè)嵌入式程序運(yùn)行流程圖，見圖2。

圖2　嵌入式程序運(yùn)行流程圖

首先在開機(jī)上電之后，開啟藍(lán)牙廣播，等待與上位機(jī)連接；初始化加速度傳感BMA280，開啟敲擊檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)某些用戶交互功能。考慮到降低功耗，在開始采集數(shù)據(jù)之前斷開心電采集模塊電源；并設(shè)置若沒有上位機(jī)60 s內(nèi)沒有發(fā)起連接，便進(jìn)入睡眠模式。然后在連接到上位機(jī)并接收到開始命令后，初始化心電數(shù)據(jù)采集模塊與心音數(shù)據(jù)采集模塊，開始采集心音、心電以及加速度信號(hào)。心電信號(hào)以及加速度信號(hào)設(shè)定采樣率在1000 Hz。由于數(shù)字麥克風(fēng)多以16 kHz采樣頻率的PDM格式提供聲音數(shù)據(jù)，而人聽覺比較敏感的心音信號(hào)集中于40～400 Hz的頻帶，將心音信號(hào)降采樣到1000 Hz[3]。為了防止在藍(lán)牙閃斷時(shí)丟失數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)打包壓縮后存入發(fā)送緩存區(qū)，在藍(lán)牙連接穩(wěn)定時(shí)通過藍(lán)牙發(fā)送到上位機(jī)。最后在收到上位機(jī)停止命令之后取消初始化心電以及心音數(shù)據(jù)采集模塊，保持藍(lán)牙連接180 s若沒有收到命令，則進(jìn)入睡眠模式。

2　系統(tǒng)測(cè)試

可穿戴式多參數(shù)心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)物，見圖3。該設(shè)備實(shí)物尺寸為110 mm×34 mm×10 mm，重量為32 g。在監(jiān)測(cè)心臟活動(dòng)時(shí)，通過電極扣連接心電電極貼，直接貼在胸部。由于心音和心沖擊信號(hào)為音頻信號(hào)和加速度信號(hào)，需要被監(jiān)測(cè)人員在相對(duì)安靜的環(huán)境下保持靜坐和呼吸均勻，以減小環(huán)境中噪音和身體運(yùn)動(dòng)對(duì)心音和心沖擊信號(hào)的影響。通過PC端上位機(jī)軟件可以自動(dòng)搜索并連接監(jiān)測(cè)儀，分3路通道繪制并儲(chǔ)存心電圖、心音圖和心沖擊圖。同時(shí)多參數(shù)心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備可以連接藍(lán)牙路由，通過藍(lán)牙路由不僅可以提高監(jiān)測(cè)設(shè)備的傳輸距離和信號(hào)質(zhì)量，還可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙轉(zhuǎn)Wi-Fi，通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳到云端。

圖3　可穿戴式多參數(shù)心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)物

由上位機(jī)界面（圖4）可見圖中實(shí)時(shí)采集的心電信號(hào)整體穩(wěn)定，無明顯基線漂移；心音信號(hào)第一心音（S1）、第二心音（S2）波形明顯；心沖擊信號(hào)和上面兩種信號(hào)相關(guān)性較好?？梢钥闯鲈撛O(shè)備可是實(shí)現(xiàn)心電、心音和心沖擊圖3種信號(hào)的同步采集。

由于心音和心沖擊圖缺乏相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，我們僅僅對(duì)設(shè)備進(jìn)行了心電部分的器械檢驗(yàn)。最終共模抑制比為106.1 dB，輸入阻抗20.05 Mohm，頻率響應(yīng)在0.1～150 Hz的頻帶范圍內(nèi)，信號(hào)放大倍數(shù)的波動(dòng)幅度為2.36 dB，均達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)YY 0885-2013動(dòng)態(tài)心電圖系統(tǒng)安全和基本性能專用要求。

圖4　上位機(jī)實(shí)測(cè)圖

3　總結(jié)

本研究研制了一種可穿戴式多參數(shù)心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，該設(shè)備能方便、準(zhǔn)確的采集心電信號(hào)、心音信號(hào)和心沖擊信號(hào)，并將數(shù)據(jù)通過BLE傳送到PC端軟件，實(shí)時(shí)顯示心電、心音和心沖擊多路信號(hào)的同步采集。本設(shè)備使用MEMS數(shù)字麥克風(fēng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的心音探頭、使用加速度傳感器采集心沖擊信號(hào)，極大減小了心音和心沖擊信號(hào)數(shù)據(jù)采集模塊的體積；采用高度集成的心電采集模塊，在功耗，體積以及穩(wěn)定性得到顯著優(yōu)化，提高可穿戴式多參數(shù)心臟活動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的便攜性、易用性和穩(wěn)定性。

然而該設(shè)備也面臨著許多問題。由于加速度傳感器的測(cè)量原理，人體活動(dòng)會(huì)影響心沖擊圖，目前在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下無法測(cè)量到穩(wěn)定的心沖擊圖信號(hào)[16-17]。而外周環(huán)境的聲音干擾會(huì)導(dǎo)致心音信號(hào)采集失敗。因此本設(shè)備目前只能在安靜狀態(tài)下穩(wěn)定的獲取3種信號(hào)，比較適合睡眠時(shí)監(jiān)測(cè)。下一步我們將開展基于這3種信號(hào)的智能分析方法研究，希望能夠自動(dòng)測(cè)量射血前期、心輸出量等指標(biāo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)心電、心音信號(hào)異常的自動(dòng)判別。并逐步進(jìn)行臨床試驗(yàn)，希望能夠在心衰等疾病的診斷方面開展一些研究。

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