熊揚(yáng)成1，許武軍1，2，于浩1

　　（1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620； 2.教育部數(shù)字化紡織服裝技術(shù)工程研究中心，上海 201620）

　　摘要：當(dāng)今心臟病發(fā)病率越來(lái)越高，為了更好地采集和研究心電信號(hào)，介紹了一種基于藍(lán)牙低能耗（BLE）PSOC的心電圖（ECG）穿戴裝置的設(shè)計(jì)。該穿戴裝置通過(guò)非接觸式電勢(shì)集成電路(EPIC)采集心電信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬前端(AFE)信號(hào)調(diào)理電路，由智能藍(lán)牙可編程片上系統(tǒng)(PSOC 4BLE)對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步處理，通過(guò)智能藍(lán)牙(Smart Bluetooth)將心電圖數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芤苿?dòng)終端的應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)顯示。

　　關(guān)鍵詞：藍(lán)牙低能耗；心電圖；可編程片上系統(tǒng)；穿戴裝置

0引言

　　目前,世界上心臟病的死亡率在因病死亡人數(shù)中不斷提升，心臟疾病被越來(lái)越多的人關(guān)注和重視。由于心臟病具有病情隱蔽、發(fā)病危險(xiǎn)性高的特點(diǎn)，它對(duì)心臟病患者的危害性極大。對(duì)心血管疾病的研究一直是醫(yī)學(xué)界的一個(gè)重要研究課題，尤其是對(duì)心電的研究。心電信號(hào)中帶有大量的有關(guān)心臟狀態(tài)的信息，而且心電信號(hào)可以在人體表面無(wú)損害地被檢測(cè)出，不會(huì)給病人造成任何損害。心電圖機(jī)所記錄的常規(guī)心電圖，可以反映心臟活動(dòng)的變化，是心血管疾病診斷的重要手段。但是，心律失常發(fā)生的概率相對(duì)較低，而常規(guī)心電圖記錄時(shí)間很短，因此往往難以捕獲。例如一些心律失常的病人，其心律失常發(fā)生的頻率非常低，出現(xiàn)時(shí)間也毫無(wú)規(guī)律，需要相當(dāng)長(zhǎng)的連續(xù)觀察才有捕獲的可能。因此需要一種能夠?qū)崟r(shí)記錄并分析心臟活動(dòng)的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)［1］，對(duì)患者進(jìn)行監(jiān)護(hù)，及時(shí)對(duì)心臟的異常活動(dòng)作出判斷，以便醫(yī)生及時(shí)診斷和治療。

　　利用心電圖（ECG）等有關(guān)心電活動(dòng)的曲線和圖形資料為臨床提供診斷信息，是心血管病不可缺少的檢查診斷方法。心電是一種生物電，而生物電是生命最重要的特征之一。將智能穿戴式技術(shù)應(yīng)用于心臟疾病監(jiān)護(hù)領(lǐng)域［2］，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)生理健康指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且還具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)ECG系統(tǒng)的研究由來(lái)已久，然而隨著時(shí)代的進(jìn)步，傳感器技術(shù)、通信技術(shù)以及系統(tǒng)的集成技術(shù)都發(fā)生了革命性的改變，因此ECG系統(tǒng)也相應(yīng)地有了很大改變。

1ECG穿戴裝置總體設(shè)計(jì)

　　EGC穿戴裝置由模擬前端（AFE）、主控平臺(tái)（PSOC 4BLE）、智能移動(dòng)終端三部分組成。如圖1所示。

2穿戴裝置硬件設(shè)計(jì)

　　2.1模擬前端（AFE）

　　模擬前端主要由生物傳感器PS25255、儀表放大器AD8221、電阻、電容構(gòu)成，完成信號(hào)采集和初步處理。PS25255是Plessey公司研發(fā)的非接觸式電勢(shì)集成生物傳感器（Electric Potential Integrated Circuit,EPIC），具有超高的輸入阻抗、干接觸電容耦合、適合的截止頻率（200 mHz和20 kHz）等特點(diǎn)。

　　2.2主控平臺(tái)

　　主控平臺(tái)的主要工作是進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并通過(guò)自身集成的低功耗藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送給移動(dòng)終端。EPIC采集到的心電信號(hào)含有很多噪聲，包括［25］：

　　（1）基線漂移，由電極移動(dòng)、人體呼吸等低頻干擾所引起，頻率小于5 Hz。

　　（2）肌電干擾，由于人體活動(dòng)、肌肉緊繃等原因所引起的干擾，其頻率范圍廣。

　　（3）工頻干擾，是由公共電網(wǎng)以及各種用電設(shè)備產(chǎn)生的固定頻率的干擾，頻率為50 Hz。

　　（4）運(yùn)動(dòng)偽跡，由電極移動(dòng)引起的短暫基線改變，這是動(dòng)態(tài)心電記錄中由于人體移動(dòng)或抖動(dòng)產(chǎn)生的不可避免的干擾。其持續(xù)時(shí)間為100~500 ms，幅度可達(dá)記錄放大器滿輸出，即所謂的躍變干擾。

　　為了得到理想的心電信號(hào)，必須對(duì)EPIC采集到的心電信號(hào)進(jìn)行濾波。EPIC傳感器輸出的心電信號(hào)幅值為10 mV，需要將其放大到V級(jí)別才能進(jìn)一步處理。要想實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸和存儲(chǔ)，模數(shù)轉(zhuǎn)換是必須的。

　　無(wú)論是濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換，還是ARM微控制器、藍(lán)牙傳輸，將通過(guò)一塊可編程芯片完成，本設(shè)計(jì)選用賽普拉斯（Cypress）的PSOC 4BLE。

　　PSOC 4BLE有非常豐富的模擬和數(shù)字塊資源，本裝置將使用到的資源有：4個(gè)運(yùn)放（分別用作兩路二階低通濾波，1個(gè)右腿電路，1個(gè)差分放大）、1個(gè)SAR型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(10位)、微控制器（ARM CortexM0）、1個(gè)低功耗藍(lán)牙（BLE）。具體配置見(jiàn)圖2。

3穿戴裝置軟件設(shè)計(jì)

　　PSOC Creator是一個(gè)專門(mén)用于PSOC3、PSOC4、PSOC4BEL、PROC BLE和PSOC5LP等系列產(chǎn)品進(jìn)行硬件和應(yīng)用固件開(kāi)發(fā)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，其綜合了通常使用的基于文本語(yǔ)言的編程方式和基于圖形化編輯語(yǔ)言的編程方式。PSOC Creator使用的第一步是根據(jù)用戶需要，自行選擇芯片集成的模擬和數(shù)字資源模塊，只需將需要的模塊拖至原理圖即可，然后將各模塊按輸入輸出實(shí)際情況連接（還可以加上片外電阻電容等）。接下來(lái)只需要設(shè)置好芯片實(shí)際對(duì)應(yīng)的引腳，圖3主控平臺(tái)軟件流程圖

　　PSOC Creator即可以根據(jù)系統(tǒng)豐富的API函數(shù)生成用戶自己的工程。用戶只需要編寫(xiě)自己的main函數(shù)即可，當(dāng)然如果需要，用戶也可以自行編寫(xiě)API函數(shù)。PSOC Creator提供了豐富的API函數(shù)，又可以讓使用者創(chuàng)建自己的庫(kù)函數(shù)，極大地提高了設(shè)計(jì)效率和靈活性，使用起來(lái)非常方便實(shí)用。主控平臺(tái)軟件流程圖如圖3。

4智能移動(dòng)終端

　　穿戴裝置的智能移動(dòng)終端平臺(tái)采用Android平臺(tái)［4］，顯示應(yīng)用程序可自行開(kāi)發(fā)定制，也可以使用Cypress公司提供的CySmart1.1安卓端應(yīng)用程序。使用CySmart需要對(duì)BLE模塊進(jìn)行相關(guān)配置，如GATT role、GAP role，本設(shè)計(jì)中應(yīng)將PSOC 4BLE端GATT配置為server，而GAP role設(shè)置為peripheral。相應(yīng)地，智能移動(dòng)終端作為GATT client，GAP role為central device。然后對(duì)所要添加的服務(wù)（service）的特征（characteristic）和描述（descriptor）進(jìn)行配置。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　圖4為智能移動(dòng)終端應(yīng)用程序CySmart，可以看到圖中顯示的ECG正是搜索到的PSOC 4BLE搭載的BLE設(shè)備，PSOC 4BLE作為GATT server將采集到的心電數(shù)據(jù)傳輸給GATT client的數(shù)據(jù)庫(kù)GATT DB，即智能移動(dòng)終端。

6結(jié)論

　　本文提出了一種將智能穿戴式技術(shù)應(yīng)用于心臟疾病監(jiān)護(hù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)生理健康指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本裝置使用了可編程片上系統(tǒng)（PSOC 4BLE），利用其豐富的片上模擬數(shù)字資源，使濾波、差分放大、A/D轉(zhuǎn)換，甚至數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸都在一塊小小的芯片上完成，這樣既可以大大降低穿戴設(shè)備的功耗，又可以減小設(shè)備的體積。可編程片上系統(tǒng)在穿戴設(shè)備上的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多。值得注意的是，若要將本裝置做成產(chǎn)品，模擬前端和主控平臺(tái)必須要做在一塊PCB板上，則藍(lán)牙天線的布局需要特別注意，既要將產(chǎn)品體積做小，又不能影響產(chǎn)品性能。

參考文獻(xiàn)

　　［1］ KONG K Y,NG C Y，ONG K.Webbased monitoring of realtime ECG data［C］.Computers in Cardiology,2000:189192.

　　［2］ WANG C S,LIU C W,WANG T H.Implement a low noise portable ECG circuit［C］.Ancanced Materials Research,2011:13271332.

　　［3］ 黃敏松，行鴻彥，劉建成.ECG監(jiān)護(hù)儀前置放大電路的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，16(8):187189.

　　［4］ 肖菊蘭，王嘉輝，曾麗君，等.基于Android系統(tǒng)的心電傳輸與顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2015,36(6):3537.

　　［5］ 潘靜，郭興明，陳旻.遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)中ECG信號(hào)的提取［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008，16（9）:13191321.