龔奇 李斌 劉鳴 郭旭宏 張旭

摘 要： 為了提高個人健康的監(jiān)護水平，降低人體病變的幾率，提出并設計一種無線智能監(jiān)護系統(tǒng)。此系統(tǒng)由采集前端、無線路由和上位機組成。針對濕電極與傳統(tǒng)干電極的缺點，采集前端采用低成本新型干電極，增加了貼附的舒適度和佩戴時間。為了解決干電極引起的基線漂移和運動偽跡干擾，設計專門的自適應閾值R波提取算法，在較低計算復雜度的情況下提高了R波檢測率。實驗結果表明，該系統(tǒng)功能完善，且能夠監(jiān)測心電信號并準確地提取心率信息。

關鍵詞： 心電信號； 無線通信； 干電極； 嵌入式系統(tǒng)； 智能監(jiān)護； R波提取

中圖分類號： TN103?34； TH776 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）08?0125?04

Abstract： To improve the nursing level of personal health and reduce the probability of human body lesion， an intelligent wireless electrocardiographic （ECG） monitoring system is proposed and designed. The system is composed of acquisition front?end， wireless router and host computer. In allusion to the disadvantages of wet electrodes and conventional dry electrodes， a new and low?cost dry electrode is used for the acquisition front?end to improve contact comfort and increase wearing time. To resolve the interference of baseline wander and motion artifact caused by dry electrodes， a special adaptive threshold R wave extraction algorithm is designed to improve R wave detection rate in the condition of relatively low computation complexity. The experimental results show that the system has complete functions and can monitor ECG signals to extract heart rate information accurately.

Keywords： ECG signal； wireless communication； dry electrode； embedded system； intelligent monitoring； R wave extraction

可穿戴設備的普及為各種場合的生理監(jiān)護帶來了可能。在醫(yī)院中，目前對病人的心臟進行實時動態(tài)監(jiān)護的設備主要以Holter等大型設備為主，這些設備雖然監(jiān)測準確，但是使用復雜，影響患者的日常生理活動與佩戴的舒適度。在家庭中，對亞健康人群的監(jiān)護，以及在養(yǎng)老院中，對老人的生理狀態(tài)進行實時監(jiān)測，能及早發(fā)現(xiàn)病情也是一個亟待解決的問題。

文獻[1]中分析并對比了單導聯(lián)下心電監(jiān)護的可行性與優(yōu)缺點，已有的心電監(jiān)護設備包括快速心電檢測儀和穿戴式心電貼兩種。快速心電檢測儀需要多根導聯(lián)線，影響被試者的穿戴體驗?？纱┐餍碾娰N能動態(tài)監(jiān)測心電信號，并且提供較好的舒適度，但是設備價格很高且以濕電極為主，不適合市場普及與長期監(jiān)測。針對上述問題，本文研究并設計了一種智能監(jiān)護系統(tǒng)，用于各類人群的ECG監(jiān)護。此系統(tǒng)采用新型干電極：自潤濕紙電極作為心電采集電極，解決了濕電極不適合長期監(jiān)測的問題，提高了佩戴的舒適度。與傳統(tǒng)干電極相比，紙電極與皮膚接觸阻抗更低，采集的心電信號質(zhì)量更高。系統(tǒng)采用改進的自適應閾值算法進行R波提取，與傳統(tǒng)的時域檢波方法相比，在同等R波檢測率下，計算復雜度更低。

1 系統(tǒng)總體架構

圖1為系統(tǒng)硬件框架，采集前端主要由信號調(diào)理模塊、信號處理模塊、無線模塊和電源管理模塊組成。采集前端對原始心電信號進行軟硬件處理后由無線模塊將結果轉發(fā)出去。用戶通過移動終端如Android設備查看實時信息或在上位機觀察ECG信號。

系統(tǒng)通過紙電極與人體接觸，原始ECG經(jīng)AD8232調(diào)理后由STM8L單片機數(shù)字化并進行數(shù)字信號處理。在STM8L中采用改進的Pan?Tompkins（PT）算法提取R波，最終的結果和ECG序列數(shù)據(jù)通過無線模塊傳入其他終端設備。

2 智能采集貼設計

2.1 新型干電極

傳統(tǒng)的ECG監(jiān)護系統(tǒng)主要使用濕電極。這種電極使用銀?氯化銀（Ag/AgCl）作為電解質(zhì)。濕電極的優(yōu)點是導電性好，與人體皮膚接觸阻抗小。但是濕電極隨著使用時間的增加，凝膠電解質(zhì)逐漸干燥，導致采集到的信號衰減，同時長時間佩戴濕電極也會影響用戶的舒適度[2]。

本文采用一種新型電極——自濕潤紙電極作為心電信號采集的前端電極。人體汗腺分泌的汗液含有一定濃度的電解質(zhì)，能作為電極之間的導電材料。電極具有保濕功能并且具有多孔的表面結構來長時間保存電解質(zhì)，能保證界面材料和皮膚緊密接觸，減小電極與皮膚的接觸阻抗，從而提高ECG的信號質(zhì)量。圖2為三種電極示意圖，其中圖2a）為3M公司產(chǎn)的Red Dot系列濕電極，圖2b）為中科院半導體研究所研究的一種用于心電監(jiān)測的干電極[3]，圖2c）為本文使用的紙電極。相對于濕電極和干電極，紙電極柔性更強、更薄、更加適用于可穿戴設備。文獻[4]做了關于紙電極阻抗的測試，結果表明在5 Hz～1.5 kHz的頻率范圍內(nèi)，紙電極和皮膚的接觸阻抗為100 Ω ～1 kΩ，達到了濕電極的級別。

2.2 模擬前端設計

模擬前端信號調(diào)理電路如圖3所示。ECG信號是微弱生物電信號，幅值為0.5～5 mV，頻譜分布為0.05～100 Hz，主要能量[5]集中在0.05～40 Hz，模擬濾波通頻段設定為0.5～40 Hz。 AD8232內(nèi)置的儀表放大器（IA）將ECG信號固定放大100倍，低通濾波放大電路采用Sallen?Key濾波器拓撲結構，截止頻率為40 Hz，增益為11，最終系統(tǒng)總增益[6]為1 100。

2.3 MCU和無線方案

本文采用STC公司的STM8L單片機進一步處理AD8232調(diào)理后的ECG信號，進一步地去除工頻干擾，基線漂移和運動偽跡。STM8L單片機不僅完成ECG信號的處理，還負責管理各個模塊的工作，包括根據(jù)自定義協(xié)議對數(shù)據(jù)打包，控制無線模塊進行數(shù)據(jù)收發(fā)，根據(jù)上位機指令控制其他模塊的工作等。無線模塊采用TI公司的CC2541藍牙4.0低功耗片上系統(tǒng)，CC2541具有多種運行模式、功耗低、適合用于可穿戴設備[7]?？紤]到藍牙通信的丟包情況，在CC2541上完成數(shù)據(jù)幀的校驗工作，保證較高的通信質(zhì)量。為了增加終端設備的訪問能力，采用藍牙WiFi模塊處理采集前端的數(shù)據(jù)，終端設備通過WiFi可以獲取多個采集前端的數(shù)據(jù)。

3 ECG特征提取算法

QRS檢波算法可通過時域、頻域或時頻算法提取，頻率或時頻方法計算復雜度較高，不適合實時監(jiān)測[8]。PT算法[9]是一種經(jīng)典的實時提取QRS波的算法，由級聯(lián)的帶通濾波、微分、平方、 滑動積分、自適應閾值和搜索幾個步驟構成。由于干電極采集到的信號受運動偽跡影響很大，P波和T波會對R波的判決產(chǎn)生影響，而且PT算法在搜索過程中的回溯過程也增加了時間的復雜度。在采集前端中，模擬前端已經(jīng)對心電信號進行了一次濾波處理，高頻噪聲和工頻干擾已經(jīng)得到了較好的抑制。本文對信號預處理部分進行簡化，并采用新的R波檢測算法，如圖4所示為R波檢測算法原理圖。

預處理階段分為三個部分，分別為微分，積分和非線性濾波。微分過程是為了消除基線漂移的干擾，相當于一個高通濾波器，見式（1）；積分過程是一個滑窗積分過程，能進一步消除高頻干擾，使ECG能量集中在R波上，見式（2）；非線性濾波則為了減小運動偽跡造成的P波，T波對R波檢測形成的干擾，見式（3）。

自適應閾值R波提取算法分為三部分[10]，具體步驟如下：

1） 在可能的最小RR間隔時間（RRmin，一般取200 ms，對應300 BPM的心率）加上QRS波群時間QRSint（典型值為60 ms）上尋找最大值，并將該最大值設為R峰。此時更新閾值為當前R峰和所有已檢R峰的均值。

2） 等待。等待時間為R峰位置和第一階段時間結束的差值，目的是避免運動偽跡對R波檢測形成的干擾。

3） 閾值下降。步驟2）完成后，初始閾值為所有已檢測R峰的均值。在該階段，每一個采樣值后閾值按照式（4）呈指數(shù)下降，其中[FS]為采樣率，[PTh]為下降系數(shù)，與采樣率相關。根據(jù)經(jīng)驗，本文取[PTh]=2。當前的值大于閾值時循環(huán)進入步驟1）階段。

4 系統(tǒng)測試與結果

圖5a）為系統(tǒng)實物圖和人體佩戴圖，圖5b）為PCB實物圖。PCB分為兩部分，左邊PCB為整個系統(tǒng)的主要部分，包括AD8232，STM8L，CC2541和外圍電路，尺寸為3.4 cm[×]2.4 cm；右邊PCB為與電源相關的電路，包括穩(wěn)壓電路、充電電路、電源管理電路等，尺寸為1.4 cm[×]2.4 cm。

圖6為實際采集的ECG信號在Matlab上的R波檢測驗證結果?！?”為檢測到的R波；紅色線條表示閾值的變化；紅色圓圈標注的是運動偽跡產(chǎn)生的偽R峰?？梢钥闯?，R波檢測算法中的步驟2）能有效避免這種干擾。

圖8為測試者在走動時用三種設備測試的心率結果。曲線A，B，C分別為yuwell（魚躍）公司的心率血氧監(jiān)測儀，北京東方泰華有限公司的單導聯(lián)心電記錄儀的測試結果和本系統(tǒng)測試結果。曲線B和C為通過ECG計算的心率，曲線A為利用光電容積描記（PPG）方法實時計算的心率。結果表明，使用PPG得到的測試結果波動相對較大，本系統(tǒng)的測試結果與商用產(chǎn)品誤差在[±]3 BPM以內(nèi)。

5 結 語

本文以AD8232模擬前端芯片為基礎，采用一種自潤濕紙電極設計一套可穿戴的心電監(jiān)護系統(tǒng)。紙電極的柔軟特性提高了人體佩戴的舒適度。心電信號處理采用改進的PT算法，有利于在單片機上的實現(xiàn)。該系統(tǒng)還具有體積小、功耗低的優(yōu)點，實現(xiàn)了移動監(jiān)測的功能。通過與其他商用產(chǎn)品進行對比發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)對心率計算的準確度已經(jīng)達到商用級別。本系統(tǒng)對住院病人生理狀態(tài)的長期監(jiān)護有著廣闊的發(fā)展前景和上升空間。

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