张 莉，周子龙

(中南民族大学生物医学工程学院，武汉430074)

心脏的生理功能和心电图之间存在着密切联系，当心脏的生理功能发生改变时在心电图上会有相应地反映.因而通过采集心电信号和波形分析判读技术，分析诊断心脏生理功能的异常变化情况，对患者临床诊断具有十分重要的意义.目前市场上已有的心电监护仪大致分为两类:一类是采用个人电脑进行数据显示和处理的监护仪，这种监护仪体积较大、不方便携带，常用于医院的临床监护;另一类是以单片机为核心的便携式监护仪，虽然体积小巧、方便携带，但其功能较为单一，并且缺乏网络通信功能［1］.随着科学技术的不断发展，移动通信技术与微电子技术的结合为远程以及现场生理信号监护，提供了技术的可行性［2］.它解决了第一类心电监护仪功能强大却不便携带的问题，同时实现了第二类心电监护仪体积小型化，功能更多样化并具备远程传输数据的能力.在此项技术的应用领域中，目前市场上已经出现了一些较为成熟的产品，该类产品多半以PDA(掌上电脑)做为系统平台.例如，美国George Washington大学研制的基于Palm型掌上电脑的心电记录仪，可以记录三导心电数据，在掌上电脑上实时显示心电图［3］.同样的还有国内麦迪克斯公司生产的MECG-200型手持式心电检查仪，它将由单片机控制的心电检测模块经RS-232与PDA相结合，实现心电监护和远程传输功能.此类产品所用的PDA平台虽然功能强大、数据处理速度快，却存在价格相对昂贵、应用范围窄、检测模块需有线方式与PDA相连致使用不便、对于多用户采集不如无线方式效率高等问题.

本文针对上述心电监护产品存在的不足，并且考虑到心脏病的突发性和高危险性，设计了一种能长期便于随身携带的心脏监护仪，它可测量并分析病人的心电图，及时发出预警信号，为心脏病人的及时抢救提供可能.由于Android智能手机具有高市场占有率和价格低廉等特点，本文选择基于Android智能手机的平台，以便该应用能得到广泛地推广.硬件设计方面采用超低功耗的MSP430FG439芯片为核心，设计心电信号的采集模块.该模块功耗低、体积小、方便携带和长时间使用，并通过蓝牙技术实现移动终端同时与多个采集模块之间的通信，更适合于多用户使用.软件方面以Android SDK、NDK为基础开发移动平台的监控软件，不仅实现了心电监护仪基本功能，如心电波形显示、心率等参数实时显示.为了提高其实用性，还实现了心电数据分析、心电异常报警与数据的远程通讯等功能，让用户能随时得知心电的异常状态并做出及时反应.

1 系统组成

本系统由心电采集模块和Android智能手机组成.采集模块通过蓝牙与Android手机进行通讯，Android手机可通过WI-FI或3G网络与远程医疗中心进行数据交互.为了提高实用性和便携性，我们设计了以超低功耗MSP430FG439芯片为控制核心的采集模块［4］，同时充分利用Android智能手机良好的人机交互界面、强大的网络功能等特点，开发多功能、便携式心电监护仪.

本系统所实现的样机采用的是Samsung公司的Spica i5700安卓智能手机.该机型处理器采用800MHz的SnapDragon平台，拥有128MB随机存储器(RAM)，256MB 只读存储器(ROM)，320×480分辨率的3.2英寸多点触控屏，支持WLAN、WI-FI和Bluetooth技术.

如图1所示，采集模块通过Bluetooth与Android智能手机连接，同时手机可以通过互联网与远程医疗服务中心通讯.

图1 系统整体框图Fig.1 System configuration

2 心电采集模块设计

本系统硬件部分主要是针对以往监护仪在体积较大、不便携带、功耗高、抗干扰能力不理想等缺点来进行改进设计.心电采集模块主要由微处理器、电源、数据采集与预处理、蓝牙串口等部分组成.设计选用功耗低、处理能力强的MSP430FG439芯片作为控制核心，同时选用高性能差分放大器INA331作前置放大器.电极采集到的体表心电信号经前置放大后，通过MSP430FG439片内集成模拟运放进一步放大并反馈到片内的模数转换器ADC12内进行采样，采样后的心电信号分别通过低、高通滤波得到没有干扰的心电波形.电源和时钟将分别为MSP430FG439提供3.3V电压、基准时钟脉冲.蓝牙串口负责完成单片机和Android智能手机间相互通信.

2.1 心电信号采集及预处理的电路设计

心电图ECG(又称EKG)信号的采集及预处理是本设计的重要部分.本系统的心电信号的提取采用标准十二导联系统中的I导联，左上肢接放大器的负输入端，右上肢接放大器的正输入端.如图2，HR1，HR2，HR3，HR4 为测量电极，从人体的左右拇指和食指提取心电信号.从电极取出典型值为1mV的心电信号需放大1000倍才便于心率的探测，然而任何放大器都会放大夹杂在EKG信号中的噪声，例如人体产生的50Hz工频噪声，在某些情况下，噪声甚至完全地取代EKG，使得放大的信号变得毫无价值，所以信号放大后一般要经过滤波来消除噪声，得到纯净的心电信号.

另一种更好地消除噪声的方法是采用差分放大器.本系统中使用的是INA331差分放大器，放大器内部已集成较理想的增益电阻.INA331差分放大器带宽为3kHz、共模抑制比为94dB，能有效地消除包括工频干扰和谐波在内的共模噪声.该差分放大器由2.7～3.3V单电源供电，为EKG信号提供固定5倍放大.INA331的输出 EKG 信号将被MSP430FG439片内运算放大器之一的OA0放大器进一步放大.图3电路图为EKG放大电路的等效电路图.

图2 采集模块实际电路Fig.2 Actual circuit of ECG signal gathering module

图3 心电放大电路等效电路Fig.3 Equivalent circuit of ECG amplifier circuit

EKG经过OA0放大器被放大500倍.由于电极长度不等和接触身体时微小波动，将导致共模信号偏移并且使信号作为噪声混叠在OA0的输出量中.在OA0模块的1M反馈电阻器上并联一个4.7nF电容，此部分作为一个整体可提供一个大约为250Hz高通滤波，用来消除心电信号中的低频噪声，该类噪声是由电极、呼吸、身体运动的偏执电压导致的.经过高增益放大后，输出的信号对电极上皮肤瞬时电阻的变化非常敏感.这种变化将使放大器的差分信号发生直流变化，导致EKG基线漂移.针对这个问题，用OA1构成的模拟积分器来解决，积分器对被放大5倍的直流电流积分，然后反馈给INA331.无论皮肤接触阻抗怎么变化，这个反馈可以使INA331维持一个恒定的直流输出量.

2.2 蓝牙模块通信电路设计

蓝牙模块在本系统中负责采集模块与Android手机之间数据交互.由于在主机模式下一个蓝牙设备可同时与多个从机蓝牙设备之间通信，因此本设计中的Android手机可同时接收来自多个心电采集模块发送的心电数据，对比使用点对点通信方式如RS232串口通信和USB通信更高效.图4为蓝牙模块连接电路图，蓝牙模块的UART_TXD和UART_RXD两管脚分别与MSP430的URXD0和UTXD0相连，单片机将心电数据通过异步通信的方式发送给蓝牙模块，蓝牙模块收到数据后会将数据发送给手机［5］.本系统中串口通信的波特率置为9600bps，工作方式设置为8位数据位，1位停止位，0位校检位.值得注意的是，需通过AT指令，将蓝牙模块设置为相同的传输方式，才能保证Android手机本地蓝牙接收到的心电数据的正确性.设计中使用的是广州汇承公司生产的主从一体HC-05蓝牙模块.该模块采用BlueTooth V2.0蓝牙协议，支持丰富的 AT指令.

图4 蓝牙模块连接电路Fig.4 Bluetooth module connection circuit

2.3 采集模块的控制部分

采集模块控制部分以MSP430FG439芯片为核心，采用嵌入式C语言在IAR Embedded Workbench软件开发平台上完成采样信号的A/D转化、滤波、串口通信等功能的程序编写.

被放大的EKG信号反馈到片内模数转换器ADC12的输入端A1.ADC12以512Hz的采样频率来采样EKG信号.精确的采样可以由定时器Timer_A脉冲触发ADC12转换的方式得到.Timer_A以由外部32.768kHz晶振产生的ACLK作为时钟源.

EKG信号波形中最大的偏转发生在QRS过程中，时间一般在20ms范围内，为了使EKG信号波形有医疗评估价值，在它的整个过程中捕捉到QRS过程是非常重要的.典型的心跳每分钟在60到200之间，在512Hz的采样频率下(采样周期为2ms)，QRS过程中至少能采样10次从而保证QRS过程充分的数字化.

被采样的EKG信号中包含大量的工频干扰，这些干扰可由数字滤波器来消除.本系统使用带宽为6～30Hz的低通FIR滤波器，滤掉心电信号中的肌电信号的高频干扰.通过调整滤波器的系数补偿滤波时的信号衰减，同时由于滤波器输出的EKG信号会有额外增益，使得EKG信号总放大倍数将大于1000.最后，MSP430FG439将心电数据送至USART的UxTXBUF寄存器，采用异步通信的方式将寄存器里的心电数据发送给蓝牙模块，蓝牙模块接收到数据后将数据传递至Android手机.

3 Android手机端心电监护程序设计

本系统的心电监控软件部分主要包括:用户数据管理、心电数据显示、心电数据管理、心电异常报警等几个方面的内容［6］.Android智能手机通过本地蓝牙接收并保存采集模块上发送的心电数据，实时显示心电波形.同时，用户可以通过对心电监控程序界面的触控，进行人机交互，完成其他功能.本系统手机端监控程序是采用Eclipse SDK(verion 3.5.9)工具开发.开发过程中，根据不同功能的程序模块在开发时占用资源的特点，选择不同的开发方式.例如负责人机交互的UI界面开发的功能模块，由于该部分无需系统进行大量数据运算和高速处理，占用CPU资源较少，占用内存较多，将采用Android SDK进行开发.而占用内存较少、占用CPU资源较多的功能模块，比如心电数据处理、分析以及其他算法的实现，将通过Android NDK方式进行开发.

3.1 心电监护软件的UI设计

图5为本系统测试版软件的界面，也是整个软件系统中最为重要的一个界面，它的作用是进行心电数据的显示和管理.该界面由多个View组件共同完成，包括实现导联标签页切换功能的TabHost和TabActivity，实现系统菜单功能的PopWindow等.

3.2 心电数据显示的实现

心电数据的显示是整个系统最基本也是最重要功能之一.Android智能手机不断监听本地蓝牙端口，通过BluetoothSocket接收远程蓝牙模块上发送来的数据，采用支持双缓冲、多线程技术的SurfaceView在屏幕上绘出相应的心电波形.

由图6可以看到，通过接收从采集模块上发送来的心电数据，在验证手机上显示单导联模式下心电图的效果.从图中，可清楚地分辨其波形特点(如P，QRS，T波)，而这些心电信号形态特征正是心电识别、判读的基本条件.

图5 心电监控界面Fig.5 ECG monitoring interface

图6 心电波形显示Fig.6 ECG waveform display

3.3 心电数据分析

Android手机在显示心电波形的同时分析异常心电信号，并在出现异常心电时报警.单导联心电信号检测技术是心电分析技术的基础，本文采用的是单导联进行心电信号分析.系统移植了多种心律失常检测的算法，能自动进行多种心律失常判别.通过采用MIT心电数据库的数据进行测试，QRS波的正确检出率在99%以上，室性前期收缩、房性期前收缩的正确检出率在70%以上.在移植算法的过程中充分考虑到了实时性的限制，采用定点运算，实现了心电数据的实时监测.

3.4 心电数据的远程通讯

Android智能手机可通过WIFI和2G/3G移动网络连接至互联网，用户可以将采集到心电数据发送到医院心电监测中心站的数据库，同时在发送完毕后还可以接收中心站的反馈信息.

4 结语

本文设计了一种可普及到家庭的便携式心电监护仪，它集心电信号的采集、分析于一体，具有系统体积小、便于携带、成本低廉等特点.它能够监测心电活动，同时实现心电报警和远程传输等功能，为心率失常及各种异常心电图中反映的心脏病变提供更有效的诊断依据.由于本设计还处在前期试验阶段，功能尚不齐全.下一步我们将对心率失常以及心电波形的识别、报警、存储等功能做进一步完善，使该远程心电监护系统具有更高地临床实用价值.

［1］李 远，蒋稼欢，章 毅，等.基于JAVA手机便携式心电监护分析仪的ECG信号采集模块设计［J］.医疗卫生装备，2011，1(32):18-22.

［2］杨孙永，张永红，白 净，等.一种基于掌上电脑的便携式心电血压监护仪［J］.航天医学与医学工程，2005，2(18):66-71.

［3］Zou Yongning，Guo Zhenyu.A paml pilot based pocket ECG recorder［C］//IEEE.2000 EMBS International Conference.Chicago:IEEE，2000.

［4］蒋庐俊，杨李萍，陈 会，等.基于MSP430FG439超低功耗MCU便携式心电仪的研究［J］.大众科技，2010，7(10):48-50.

［5］顾 宇.蓝牙无线通信技术的研究和蓝牙耳机的应用与实现［D］.天津:天津大学，2004.

［6］操 端，王海滨，胡玉良.基于智能手机的远程心电显示系统的设计与研究［J］.西华大学学报，2009，7(28):16-19.