孙中标，叶继伦,，张旭,，袁懋结，钟志强，檀雪

1 深圳大学 医学院 生物医学工程系，深圳市，518060

2 广东省生物医学信息检测与超声成像重点实验室，深圳市，518060

3 深圳市生物医学重点实验室，深圳市，518060

0 引言

近年来，随着微电子技术和通讯技术的发展，心电监护向着小型化、便携式、低功耗等特点发展[1-2]。对于一些特殊的心脏疾病的病人，需要长时间监测心电信号，传统心电监测采用心电导联线与人体连接，不利于日常监护[3-4]。笔者针对现状提出并设计一种超低功耗便携式可穿戴心电测量系统。传统穿戴式心电设备多为采用蓝牙模块作为无线发射，增加系统功耗，本系统采用低功耗心电集成采集芯片ADS1292R和超低功耗蓝牙单片机nRF51822组成心电信号采集电路，将采集的心电数据通过蓝牙发送至手机APP进行实时显示。

1 系统的整体设计

超低功耗无线心电测量系统具有功耗低、便携带、小型化、可实时显示等特点。可采用医用防汗心电电极片[5]，根据实验结果表明，此心电电极片能够支撑整个设备的重量，并且在走路或跑步的时候不会脱落。

系统主要由心电电极贴连接部分、心电采集部分、数据存储部分、蓝牙主控单元、充电模块、稳压、锂电池组成。系统结构见图1。

图1 无线心电测量系统结构框图Fig.1 Block diagram of wireless ECG monitoring system

2 系统的硬件设计

2.1 电源管理部分

电源管理部分主要实现了为锂电池充电和电源稳压功能。充电芯片选用的TI公司的BQ21040，该芯片是一款面向空间受限类便携式应用的高度集成锂离子和锂聚合物线性电池充电器。该芯片可通过一个USB端口供电，具有输入过压保护的高输入电压范围。芯片内部具有高精度电流和电压调节环路、充电显示和充电终止功能。可通过一个外部电阻设定充电电流，10 h固定安全定时器。电源充电电路如图2所示。

图2 本系统电源充电电路图Fig.2 Charging circuit diagram of system power

本设计中选用的心电采集芯片ADS1292R和蓝牙单片机的工作电压均在3 V，而锂电池的工作电压在3.0～4.2 V左右，所以需要选用线性稳压芯片LP5907对电路进行稳压。TI公司的LP5907芯片是一款能提供高达250 mA输出电流的低噪声线性稳压芯片。此稳压芯片专门针对射频和模拟电路而设计，可满足其低噪声、高PSRR（电源抑制比）、低静态电流等要求，输入电压范围在2.2 V至5.5 V。电源稳压电路如图3所示。

图3 本系统电源稳压电路图Fig.3 Regulated circuit diagram of system power

2.2 心电采集部分

人体心电信号具有一定的自律性和传导性，可通过电极片拾取人体体表心电信号，心电信号具有易受干扰和幅值微弱等特点。选用TI心电专用芯片ADS1292R，该芯片内部集成低噪声可编程增益放大器和24位高分辨率ADC，其高共模抑制比可减少人体共模信号的干扰。心电信号经过滤波、放大以及AD转换通过SPI数据通信方式，进入蓝牙单片机nRF51822进行进一步的分析与处理，最后通过蓝牙传至手机APP进行实时显示。心电采集电路如图4所示。

2.3 单片机部分

单片机选用Nordic公司的nRF51822，该单片机是一款超低功耗、并具有蓝牙功能的单片机，使用32位ARM Cortex M0内核，可灵活配置31pin GPIO，可编程外设互联(Programmable Peripheral Interconnect，PPI)系统，提供了一个16通道的总线使外设可在没有MCU介入的情况下进行直接和自主的通信。这将减少外设经由CPU 通信造成的延迟，并可在通信过程中保持CPU休眠以减少能耗。单片机电路如图5所示。

3 系统的软件设计

本系统的软件部分包括蓝牙单片机中运行的下位机和智能手机运行的APP程序两个部分，其中无线心电测量系统软件开发环境采用的是Keil uVision5，编写语言为C语言，下位机软件流程如图6所示。

图5 单片机电路图Fig.5 MCU circuit diagram

图6 心电下位机流程图Fig.6 ECG lower machine flow diagram

手机APP是基于Android系统，应用Java语言设计开发的，本APP可通过蓝牙与手机连接，进行心电数据传输，并实时显示心电信号。当手机APP程序启动后，将主动检测通讯范围内的蓝牙设备，获取蓝牙权限，获取蓝牙适配器，确认蓝牙版本是否支持，解析蓝牙广播包，进行UUD匹配，进行蓝牙连接，获取GATT服务，之后进行GATT服务UUID的匹配和特征UUID的匹配，若匹配成功，获取到心电信号数据，进行手机端的实时显示。

4 系统实现及测试

4.1 系统实现

通过以上设计，实现的无线心电测量系统实物图如图7所示。板卡整体长度为89.2 mm，宽度为28 mm，厚度约为5 mm，板卡为一个整体，板卡两头焊接的有心电专用电极扣，使用时将电极片扣在电极扣上，直接粘贴在人体左胸口处。在调试过程中通过串口上传至上位机进行显示，波形如图8所示，其中P、QRS、T波特征明显，可用于心律失常分析。

图7 心电采集板卡实物图Fig.7 ECG acquisition board physical map

图8 上位机显示心电波形图Fig.8 The host computer displays the ECG waveform

无线心电测量系统蓝牙实时发送数据时的功耗为（3.7 V×2.87 mA）10.619 mW，可通过万用表串联到整个电路进行测量，如图9所示。目前市场上一些主流的无线心电类产品功耗主要在十几至二十几毫安，此系统可实现真正意义上的低功耗。图10为不同测试者接受测试时的心电波形，经过低通、50 Hz陷波、高通、平滑等数字信号处理后得到的心电波形比较稳定，能够明显看到QRS波特征，较为完整显示心电信号，对于一些特殊的心脏病人能够起到较好的日常监护作用。

图9 功耗测试图Fig.9 Power consumption test diagram

图10 不同测试者接收心电信号图Fig.10 Different subjects received ECG signals

4.2 系统测试

（1）系统噪声：系统噪声是电缆、电路和输出显示噪声。通过输入端全部连接到一起，将设备增益设置为最高，采集大于10 s的数据，经过多次重复采集，计算得平均噪声在8.43 μV。根据国家心电诊断类文档要求，心电图机的系统噪声不大于30 μV的要求。因此，系统噪声符合国家心电诊断类要求。

（2）带通范围：心电信号主要集中在20 Hz左右，本系统将单导心电带通频率设置为0.5～40 Hz。在输入端输入的信号频率从0.5～40 Hz连续变化，并保持幅值不变，经过测试在此范围内信号波动幅度为2.86 dB，满足系统设计要求。

（3）功耗：分测量、测量与数据通信两个模式进行测试，其中测量的功耗为（3.7 V×2.51 mA）9.287 mW，测量与数据通信的功耗为（3.7 V×2.87 mA）10.619 mW。

5 结论

本研究设计并实现单导超低功耗无线心电测量系统，选用处理器和蓝牙合二为一的超低功耗单片机，降低系统整体功耗以及系统的体积，本系统具有实时、连续测量的功能，操作简单、携带方便，并随着智能手机的普及加大，将更加易于推广使用[6]，具有较好的可应用性。另外，系统还存在舒适性、特征计算等有待提高的问题，后续将会继续加大对数据处理算法的提高与更新，进一步使用柔性PCB及硅胶外壳设计，采用一些特殊材料作为电极贴，提高使用者穿戴的舒适感[7]，提升系统的整体应用性。