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穿戴式心電設備資料傳輸研究

來源 : 中國醫療設備 2017第12期
update : 2018/02/13

引言
隨著生活節奏的加快,人體機能也在日漸衰退,心血管病的患病率、發病率及死亡率呈不斷上升趨勢,據大陸衛生部資料中心統計, 70% 以上的心臟病用戶是在戶外或家中突然發生心臟急性事件,但是目前廣泛使用的心電測量儀器體積大,僅限醫院使用 [1],大大增加了患者住院觀察時間,另一方面,市面上的健康系統很多,但都只是記錄心率和運動里程的單機化服務,不具備與醫院交互的功能,穿戴式心電監測設備實現了心電測量設備的便攜化和無線化,即時採集患者心電資料 [2],按需發送到醫院資料庫,主治醫師可以隨時查閱,減少了患者住院觀察時間,有效投射了醫院醫療資源到患者身體上。

1 材料與方法

1.1 系統總體設計
穿戴式心電設備主要包括 4 個部分 :心電資料獲取器,資料傳輸部分、手機 APP、醫院 HIS 系統。穿戴式心電設備工作方式,見圖 1

1 穿戴式心電設備工作方式

患者使用的心電監護設備,患者端設計尺寸小巧,功耗極低的,搭載紐扣電池控制在 20 g 以內,以方便佩戴。需要時可以用固定在患者身體上。無線傳輸模組也搭載在單片機主機板電路板上,即時採集使用者心電資料,通過藍牙或者其它無線方式傳輸到使用者手機,用戶手機通過手機網路將心電資料發送給主治醫生,從而獲得適當的診斷結果與治療意見 [3]

1.2 心電資料獲取
:醫 片、 液、 器,5 V/500 mAh max電池、 Arduino單片機(深圳市世紀芯微電子有限公司生產)、 AD8232晶片(深圳市默德軒電子有限公司生產)。

AD8232 晶片應用廣泛,是全集成式單導聯 ECG 前端,低電源電流 170 µA( 典型值 ),使用 2 個或 3 個電極配置,高信號增益(G=100),帶 DC 阻塞能力。 2 極點可調高通濾波器接受高達 ±300 mV 的半電池電位,快速恢復功能減少了濾波器的建立時間, 3 極點可調低通濾波器,帶可調增益和導聯脫落檢測,集成右腿驅動放大器。單電源供電電壓為 2.0~3.5 V,集成基準電壓緩衝器產生虛擬地軌到軌輸出。 AD8232 採用雙極點高通濾波器來消除運動偽像和電極半電池電位。該濾波器與儀錶放大器結構緊密耦合,可實現單級高增益及高通濾波,從而節約了空間和成本。 AD8232 晶片採用一個無使用約束運算放大器來創建一個三極點低通濾波器,消除了額外的雜訊。使用者可以通過選擇所有 濾波器的截止頻率來滿足不同類型應用的需要。 AD8232 晶片引腳配置,見圖 2。將 2 號、 3 號和 5號引腳與人體左胸,右胸和右下腹位置上的感測器連接,OUTPUT 引腳輸出心電信號。

2 AD8232晶片引腳配置

AD8232 晶片用於測量心電的電路,見圖 3


3 AD8232晶片用於測量心電的電路

Arduino 單片機具有硬體可擴展性,開發者可以根據實際需求進行擴展,而且程式設計語言簡單,對於醫學背景的人來說也能快速學習,由於心電信號由皮膚電極取自人體表面,信號弱,加上周圍的電磁干擾,為了簡化心電信號提取電路,選擇成品心電檢測晶片 AD8232 晶片 [4],且晶片已經焊在基板上,可以直接連接 I 導聯心電圖電極線測定心電信號 [5] AD8232 晶片搭配相應的週邊電路,具有在運動狀態下提取、放大以及過濾微弱生物電的作用,使得後級 A/D 轉換器可以輕鬆採樣該晶片的輸出信號,該晶片集成了儀錶放大器、運算放大器、右腿驅動放大器以及導聯防脫落檢測等電路,按照該晶片圍電路即可提取系統所需的心電信號 [6]。成品 AD8232 晶片,見圖 4


4 AD8232模組

1.3 無線傳輸模組
資料傳輸模組主要負責採集模組與智慧終端機之間的資料交互 [7],資訊傳輸分為 3 個層次 :一個是感測器與主機板之間的資訊交互 ;二是穿戴設備與使用者智慧手機間的通訊,三是使用者手機與遠端交互設備之間的通訊。要通過體表的信號傳輸將資訊彙集到主機板上,使之成為與外界通訊的門戶 [8]。無線傳輸無需介質,不受卡口和線路限制,比較普及的無線傳輸方式有 IEEE802.11、藍牙、紅外等 [9],而將這些無線傳輸方式進行比較, IEEE802.11 功耗較高,傳輸距離約為 100 m 左右,頻寬為 54 Mb/s,穿透性強、成本高、穩定性高、普及性低 ;藍牙功耗較高,傳輸距離為 10 m 左右,頻寬為 1~10 Mb/s,穿透性強、成本低、穩定性較高、普及性高 ;紅外功耗低,傳輸距離 1 m 左右,頻寬為 1~10 Mb/s,穿透性低、成本低、穩定性低、普及性高 [10-13],藍牙在手機上的廣泛使用使該設備與智慧終端機間的聯繫變得更加簡易,所以該設備採用藍牙模組,使用BDE-BLEM901 型號的藍牙模組(廣州碧德電子科技有限公司生產), BDE-BLEM901 是一款高性價比的單模低功耗藍牙模組,主晶片為 ARM Cortex-M0 內核,功能強大,相容藍牙 4.0 單模式 ;其超低功耗,在深度睡眠僅為 2 μA ;發射功率為 -20~+4 dBm ;接收靈敏度為 -95 dBm ;指令集豐富的尺寸為 25.00 mm×11.78 mm×2.3 mm,相容 BQBFCC CE RoHS 認證,且價格實惠。模組集成了微信和京東等互聯網巨頭平臺的對接協定,一個硬體產品可對接多款 APP,極大的方便了開發應用。手機就能接收到來自單片機的資料,故而藍牙模組也就成為整個設備中最耗電的部分 [14],所以它需要的電池容量也要大一些,可以持續工作很長時間。資料傳輸總體模組架構,見圖 5

圖5 資料傳輸總體模組架構

2 程式設計
本系統的軟體主要有主程序、計時器中斷程式以及即時心率演算法程式 3 部分組成。主程序迴圈檢測是否有計時器中斷發生以及即時心率是否超出正常範圍 ;計時器中斷程式設定相應的時問進入中斷去讀取 A/D 轉換器讀取的心電信號數據後存儲在 SD 卡中 ;即時心率演算法程式對 A/D轉換後的心電信號數據進行分析計算出即時心率 [15]。單片機作為電路控制核心 [16],若未檢測到則中斷系統並重新發送 ;傳輸驅動負責在計時器的預設時間內將保存的資料傳輸給使用者手機,程式流程,見圖 6

6 程式流程

當採樣頻率大於原始信號最高頻率的 2 倍以上,採樣之後的數位信號才能完整地保留原始信號中資訊。由於心電信號中有用成分的最高頻率是 100 Hz,採樣頻率必須在200 Hz 以上才能確保心電信號的資訊不被丟失,本系統採用 200 Hz 頻率進行 A/D 轉換器採樣,單片機需要 0.005 s進一次計時器中斷,讀取相應的值。 AD8232 晶片集成了一個運算放大器,可用于提供額外增益和濾波。對於不需要高階濾波器的應用,一個簡單的 RC 低通濾波器應該就足夠了,運算放大器則可緩衝或進一步放大信號。

3 結果

3.1 電路指標
因為整個系統以 Arduino UNO 為基礎,故無法直接測量靈敏度、阻抗資訊。系統使用 DC 5 V 供電,功率在待機時和工作時不同。使用電流計測試待機和工作時的電流,計算得功率值。由電流計測得待機電流為 0.01 A,功率為 0.05 W;由電流計測得工作電流為 0.08 A,功率為 0.4 W

3.2 心率測試
分別使被測者原地站立和速跑 100 m 後接受心率測量,同時測量脈搏,比較設備在不同心率下的測試效果。被測者在原地站立狀態下,測定的心率分別為 75 69 75 70 68 /min ;實際脈搏分別為 74 70 75 70 68 /min ;被測者速跑 100 m 後,測定的心率分別為 111 106 114138 182 /min ;實際脈搏分別為 118 110 114 130 108 /min

經過測試,被測者原地站立時設備實測心率的誤差約為 ±5 ;速跑 200 m 後實測心率誤差約為 ±8,有一次異常資料,分析其出現異常資料的原因可能是未能準確濾去雜波,致使實測心率過大,後經多次測量,出現實測心率與脈搏大幅不符的情況約占所有測試資料的 5%

3.3 無線傳輸測試
使被測者逐漸遠離電腦無線接收端,首先測試有效傳輸的無障礙直線距離。經過測試,該情況下 10 m 內傳輸資料不會有延遲和干擾。使被測者和電腦無線接收端之間隔1.8 m,並有一堵普通牆體。經過測試,可以隔牆傳輸信號,不會有延遲和干擾。

3.4 心電測量
取樣速率即 Arduino 單片機每秒接收自 AD8232 採集的資料個數,其值等於 1/ 單次採樣間隔。若取樣速率過小,有可能無法精確採集到心電信號的波峰和波谷,導致測量不準確;若取樣速率過大,會造成資料的冗餘和存儲空間的浪費。根據採集到的類比資料,處理後的結果,見圖 8

8 類比資料處理後的圖形

4 結論
該研究設計了一套穿戴式心電設備,充分利用了目前流行的無線技術,通過無線資料傳輸模式進行設備的交互,可以即時採集單路心電資料。該系統輕便方便、穿戴舒適、使用簡單,使用者還需要安裝相匹配的 APP,這樣就能方便就醫,輕鬆地讓醫生瞭解每一位元使用者的情況,及時給予健康指導和建議 [17],而且在大資料時代,還能為使用者健康檔案的建立提供寶貴的第一手資料。當今,穿戴式技術已日漸成為各國的前沿科學,也將成為醫療行業的重要部分。

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