心电信号是人类最早研究并应用于医学与临床的生物电信号之一,相较于其他生物电信号更易于检测,并具有较直观的规律性。由于心脏病有突发性以及长久性等 特点,心脏病患者往往需要进行长期治疗和监护,因此对患者进行长时间的心电记录有着极其重要的临床价值。长时间的心电记录能记录到普通心电图检测时患者不易出现的短暂异常心电活动,为病情分析提供重要依据。心电监护仪在20世纪60年代首次应用时只能监测心电信号,称为单参数监护仪。随着大规模集成电路和微处理器的出现,目前的心电监护仪已经能监测数十种参数。鉴于心电信号的难识别性以及心电监护相关操作的专业性,心电监护的实施往往局限于医院以及健康机构,患者日常心电监护不易实施。
可穿戴式医疗仪器具有生理信号检测和处理、信号特征提取和数据传输等基本功能模块,可以实现对人体的无创连续监测、诊断和治疗。传统的心电监测仪中,各硬件装置之间主要通过通信线缆连接,其操作平台也基于有线装置,虽在一定的场合如医院以及社区等有一定的适用性,但却没有与现有的个人通信终端(如移动电话、掌上电脑、便 携式电脑等)融合。针对这种状况,本研究在保证信号采集质量的前提下,设计并实现了一种更为便捷舒适的可穿戴式无线心电记录仪,采用低功耗心电采集芯片 ADS1191和低功耗单片机MSP430F2112组成信号采集电路,采集的心电信号可通过蓝牙传输到通信终端进行显示和分析;并利用无线传输和无线充电技术使整个设备完全密封,实现了防水功能,符合医疗安全标准。
心电记录仪主要由电极贴连接模块、心电前端、主控单元、蓝牙模块、无线充电模块、锂电池、稳压和电源管理模块组成。结构框图,见图 1。
图1 可穿戴式无线心电记录仪结构框图
1.1 心电数据采集部分(模块A)
1.2 电源部分(模块B)设计
电源管理模块选用 BQ24312 作为锂离子充电器的前端保护方案,可提供 4.25 V 的过压保护 ;选用 ADuM5000 实现电源隔离,ADuM5000 是一款基于 ADI 公司技术的隔离式 DC/DC 转换器,可为后续电路提供 5 V 电源隔离。根据产品需求,心电记录仪需要执行> 4 h 的无间断心电信号的采集以及发送工作,对整体电路进行估计后,本研究拟采用 90 mAH 可充电锂电池供电。电源部分充电电路图,见图 2。锂电池经 MIC5205LB稳压芯片为 ADS1191、MSP430F2112 以及蓝牙模块提供稳定的 3.3 V 数字电压和模拟电压。
图2 电源部分充电电路图
1.3 嵌入式软件设计
① 按照功能将软件划分为几个相对独立的模块,由中断触发 ;② 使用软件控制暂时不工作的芯片进入休眠或空闲状态;③ 采用机器周期短的程式优化各模块程序,降低整个系统的实际运行时间,从而降低系统功耗。
图3 心电记录仪软件流程图
2 系统实现及测试
心电记录仪心电采集前端ADS1191与处理器MSP430F2112 运行时的功耗为 0.98 mA,蓝牙实时发送数据的功耗为 16 mA。图 6 为一位男性受试者接受测试时的心电波形,可以看出,经过去噪、平滑等预处理之后的心电波形稳定、基线漂移不明显,P、QRS、T 波特征明显,可用于心率失常分析。
2.2 系统测试
(2)频率响应。在测试电路中,使信号发生器的输出信号频率从0.1 Hz到150 Hz发生连续变化(即通常说的“扫频”)并保持幅度 100 mV 不变,在输出端通过示波器或者其他记录仪将放大器对于这种连续变化的相应输出电平记录下来,即可得到设备的频率响应曲线。经测量在 0.1 ~ 150 Hz 的频带范围内,心电记录仪信号放大倍数的波动幅度为2.37 dB,小于国家规定的 3 dB,符合要求。
(3)共模抑制比。共 模抑制比指的是差模输入时的放大倍数与共模输入时的放大倍数的比值,反应了心电图机的抗干扰能力。首先测量共模输入时的放大倍数,从信号源引入“1.5 V / 50 Hz ”信号,将其输入短接的输入端,信号源地线接右脚驱动,记录输出信号幅值 ;然后与差分输入时的信号放大倍数进行对比,经计算共模抑制比为106.4 dB,符合国家心电图机标准。
3 结论 |