一种新型移动式心电监护系统的研制
秦海朋1，吴水才1，刘忠英2
1.北京工业大学 生命科学与生物工程学院，北京 100124；2.北京麦邦光电仪器有限公司，北京 102629
[摘 要]目的设计一种新型移动式心电监护系统，包括创可贴式心电监护仪和手机心电监护APP。创可贴式心电监护仪可以24 h提取人体的心电信号，手机心电监护APP通过低功耗蓝牙（BLE）从心电监护仪获取心电数据，并在其界面上实时显示心电波形和心率信息。方法以CC2640低功耗蓝牙芯片作为主控芯片，结合心电采集电极和单导心电采集电路，完成单导联心电信号的采集。手机心电监护APP应用Eclipse IDE进行开发，接收心电监护仪通过BLE发送来的心电数据，完成心电信号的实时绘图、存储和心率显示。结果该新型移动式心电监护系统可以采集人体的心电信号并通过BLE传送至智能手机心电监护APP。心电监护APP可以实时显示心电波形，进而通过斜率阈值方法进行QRS波检测和实时心率计算。结论本文研制的新型移动式心电监护系统携带方便、运行稳定，可实时显示心电波形和准确测量心率信息，具有实用价值。
[关键词]心电监护仪；智能手机应用；低功耗蓝牙；心电波形；心率信息
0 引言
随着人们生活水平的提高，心血管疾病频发，那么如何做好心血管疾病的预防及监护成为全社会共同关注的问题。医疗监护通常分为两种：一种是传统的医疗监护，指在医院由医生使用专门的仪器对病人进行生理信号监护；另一种是新型医疗监护，即远程医疗监护系统，指由患者本人或其家属使用远程医疗监护仪，通过该仪器将所得生理信号及时传送给相关医生进行监护。由于传统医疗监护受医疗资源、患者经济条件等多因素制约，使其越来越不适应当今实时、连续、不间断的监护要求[1-2]。便携式心电监测设备具有携带方便、价格低廉等优势，对于个人、家庭和中小型社区医院十分适合，为家庭疾病预防和远程医疗等新兴医疗方式提供了良好支撑。尽管该类设备在性能上不如大型医院相同功能设备，但完全可以满足日常家庭的健康监护需求。
1 系统设计
整个系统分为硬件和软件两部分：硬件部分为创可贴式心电监护仪，它由主控芯片CC2640低功耗蓝牙芯片、单导联心电信号接收电路、电极检测电路和电池电路组成；软件部分为手机心电监护APP，它基于Android操作系统，在Eclipse IDE下开发实现，能够完成心电数据的接收、存储和实时心率显示[3-6]。
1.1 硬件设计
创可贴式心电监护仪通过检测电极获取心电信号，心电信号通过心电采集电路消除共模信号并放大滤波后传送到主控芯片。主控芯片使用CC2640F128RSM低功耗蓝牙芯片，CC2640由德州仪器（TI）公司研发，面向Bluetooth Smart应用的无线多点控制单元（Micro-Controller Unit，MCU），此器件属于CC26XX系列的经济高效型超低功耗2.4 GHz射频（Radio Frequency，RF）器件，它极低的有源RF和MCU电流以及低功耗模式流耗，可确保良好的电池使用寿命。CC2640含有一个32位ARM Cortex-M3处理器，与主处理器工作频率同为48 MHz，具有丰富的外设功能，包括1个独特的超低功耗传感器控制器，适用于在系统处于休眠模式时连接外部传感器，自主采集模拟和数字信号[7]。
图1 心电采集电路图
图2 4阶Sallen-Key滤波器原理图
1.1.1 硬件电路设计
心电图中的R波幅值通常大约为1 mV，通常在四肢或胸部放上电极检测心电信号。本研究将电极放在胸部检测心电信号，心电采集电路，见图1。用一个具有高增益、低截止频率滤波器的模拟前端对心电信号做数字转换和处理，以消除人体耦合噪声对检测心电信号的影响。来自电极的共模信号是相同的，用一个差分放大器可以消除共模信号，同时放大输入的差分心电信号。本研究选用的INA332仪表放大器是一个低成本的差分放大器，其共模抑制比对于频率小于10 kHz信号为73 dB，静态电流为490 μA，关机电流小于1 μA，此放大器有1个专门的关机引脚，其最低工作电压可达2.7 V。INA332仪表放大器被设置成外接10 kΩ电阻，其电压增益为10 dB。输入端电极串行连接51 kΩ电阻，这样既可以限制从人体来的电流，而且可以达到一个RC低通滤波器的功能。从电极到共模电压（Voltage Common Mode，VCM）连接着5 MΩ的下拉电阻，这既可以帮助两个输入端电压保持一致，也给电路工作提供了直流偏置点。VCM由一个工作在电压跟随器模式（低输出阻抗）下的通用运放提供，设置在750 mV。
本文选用TLV274四核运放制作成一个二阶Sallen-Key滤波器，见图2。TLV274工作电流是550 μA/通道，最小工作电压是2.7 V，共模抑制比为58 dB。Sallen-Key滤波器每级的电压增益是8.5。这样，整个模拟前端的电压增益是10×8.5×8.5=722.5，截止频率是16 Hz。
从低通滤波器输出的心电信号被放大和预处理，随后被输入到CC2640微控制器的数模转换器通道。INA332的关机引脚和TLV274的VCC引脚都连接到CC2640一个通用输入输出引脚（General Purpose Input/Output，GPIO）被用来启用和禁用模拟前端，此GPIO被设置成低电平状态用来减少休眠模式下的电源电流消耗。模拟前端在传导垫上设有保护二极管（TPD2E001）作为一个预防措施，用来保护在人体静电放电情况下器件不受损坏。
1.1.2 电极检测电路
为了检测电极贴与身体的接触情况，本研究采用电阻分压器方案。该方案需要两个电极之间人体电阻范围在100～300 kΩ之间，并且导电焊盘间电阻比该范围更大，见图3。
图3 电极检测电路图
当检测电极贴与身体接触时，电流流过电阻最小（人体）的路径引起左导电焊盘上的电压发生变化，此电压被模拟数字转换器（Analog Digital Converter，ADC）取样，转换成的数据和一组阈值比较，判断接触状况是好、禁止或没有接触。在休眠模式下，微处理器引脚可以断开电源和地的连接来减少电源电流的消耗。
1.1.3 硬件编程实现
硬件编程使用TI提供的BLE-Stack4.0版协议栈，使用IAR集成开发环境编程，运行流程，见图4。
图4 硬件编程实现流程图
首先配置CC2640开始1 Hz的周期唤醒，并禁用模拟前端（Analog Front End，AFE）和ADC采样。当间隔到期时，将通过电极检测电路判断导联是否连接，若已连接，则设置CC2640开始60 Hz的周期唤醒，关闭电极检测电路并开启AFE和ADC采样。当心电数组存满时，通过BLE将心电数据发送至智能手机。运行时电极检测电路会每3 s运行一次，保证电极持续获取数据。如果电极有连接，则回到心电采样步骤，否则返回到初始状态。
1.2 手机APP心电监测软件开发
手机APP心电检测软件是基于Android系统进行设计，采用5.0版智能设备作为开发平台，BLE比传统蓝牙功耗更低，续航时间更长。Android系统共分为4层，从高到低分别是应用层、应用架构层、系统运行库层和Linux内核层[8]。Android从4.3版本开始支持BLE4.0的功能，有关BLE的类别和接口都位于android.bluetooth包中[9]。
手机APP软件设计是在window7系统的计算机上进行，系统开发所需软件为JDK、Eclipse、Android SDK和ADT。Android应用程序由4个模块组成：Activity、Intent、Content和Service，编程语言是Java[10-11]。软件设计充分利用Android可视化编程和多线程并发执行的优点，实现了软件登录界面、注册界面、功能选择界面、心电测量界面、历史心电界面、用户信息界面和系统设置界面及其功能。其中功能选择界面为中转界面，将各个功能模块连接起来；用户信息界面用于记录用户的详细信息，用户信息将会保存至手机数据库；心电知识界面向用户介绍心脏结构、心电图简介和心律失常的相关信息；系统设置界面包括蓝牙配对、心电测量时间设置、手机剩余存储空间大小、帮助、版本升级、意见反馈和密码修改等功能。软件运行结构，见图5。
图5 手机APP心电监测软件结构图
1.2.1 登录界面和注册界面
用户在注册界面若注册成功，该用户的用户名、密码和邮箱将会记录在手机数据库SQLite之中。再次登录时会在数据库中查询是否有对应的用户名和密码，进而判断是否登录成功。用户也可在登录界面点击“记住我”，这样就不需要每次都需要输入用户名和密码。如果用户只想看看软件的功能而不想注册，可点击“免账号登录”，直接翻看软件的功能，但其中部分功能将会被限制。
1.2.2 心电测量界面
心电测量界面实现了心电图绘制、心电数据存储、测量倒计时和实时心率显示功能。用户在首次进行心电测量时，首先要在“系统设置”中点击“蓝牙设置”，蓝牙配对成功后，软件会自动将配对设备的地址记录于SharePreference中。再次测量时，直接点击“心电测量”即可实现蓝牙自动配对。心电测量界面及实现自动配对流程，见图6。
图6 心电测量软件运行流程图
在心电测量界面，主线程用于向心电数据缓冲区写入新的数据和监听界面中各个按钮的状态。为了防止阻塞主线程，心电图绘制、倒计时、心电数据存储和实时心率计算均启用新线程执行。
心电数据采集模块工作流程，见图7。心电监护仪通过BLE向Android设备发送心电数据，Android端通过BLE获取心电数据。心电数据以数据包的格式发送，每包数据大小为20字节，其中每2字节为一个心电数据，高字节在前低字节在后。数据缓存队列应用Java泛型实现循环队列，存入数据对应入队操作，出队操作在数据绘图完毕后进行，应用循环队列作为缓存数组的目的是实现24 h不间断测量。
图7 数据采集模块工作流程图
心电图绘制线程使用自定义SurfaceView类来实现。在画布初始化时，获取屏幕长和宽的分辨率，设置画布的大小，确定心电图绘图基线。开启绘图线程，在绘图线程内对数据缓存队列的大小进行判定，若缓存数据多于10个，则绘制一条心电图曲线。由于Android手机普遍存在屏幕刷新率最高为65 fps的限制，本研究中每秒共有250个心电数据，一次性绘制10条线段，屏幕每秒刷新25次即可。当心电波形画满整个界面时，该线程会将绘图坐标移动到起点，继续画图，逐渐刷新上一屏的心电图。此外，本文将1280×720分辨率的手机设置为标准心电图，设置心电图每50像素为一个大格，每个像素点绘制一个心电数据，即实现标准心电图25 mm/s的走速；在幅度上，将心电数据乘上系数A，即可实现10 mm/mV的标准心电图幅度值。
倒计时功能在心电测量初始化时，从“系统设置”中的“心电测量时间设置”获取测量总时间，初始化显示时间。倒计时线程应用Android中的Handler类，每间隔1 s向主线程发送更新倒计时显示的信息，主线程接到信息后，将显示的倒计时减1 s。
心电数据存储线程在接收到第1个心电数据包后开启，该线程会获取手机SD卡路径，并在其目录下建立“/ECGData/登录用户名/测量时间”路径的文件夹，将本次测量的心电数据保存在该路径下，心电数据以bin文件的格式存储于SD卡中，文件名为storeECG.bin。为了降低内存使用率，本文每次存储20字节的心电数据。心电存储数据缓存队列，同绘图数据缓存相同，使用循环队列的方式，存入数据对应入队操作，出队操作在存储完成后进行。
1.2.3 实时心率算法
心率算法通过检测心电信号的QRS波，并通过提取两个R波之间的间隔，计算心率。在心电波形中QRS波特征最为明显，可作为后续特征查找的基准点，检测QRS波目前主要有差分阈值法、小波变换法、带通滤波法、形态学方法、神经网络发和滤波器组法等[12]。考虑到Android平台上要求心率检测的实时性很高，本文选择计算量较小的差分阈值法[13-15]来获取心率信息，获取心率信息的算法流程，见图8。
图8 QRS波识别算法流程图
其中心电监护仪已经对心电信号做了低通滤波处理，在Android设备让心电信号通过一个高通滤波器，滤波处理目的是消除基线飘移和降低P波、T波的高度。高通滤波器首先用Matlab模拟，寻找到合适的截止频率；其次，选择高通滤波器的阶数，提取出模拟滤波器数组；最后，通过Java语言实现滤波器的编程，应用在Android设备中。
心电数组为时间的离散函数，微分部分应用一阶差分计算。均方部分将微分后的心电信号开平方。R点的识别是算法中最重要的部分，本文先提取均方后的数组中的最大值，用该值乘0.65作为判断的阈值。在均方后的数组中检测大于阈值的点并记录，根据记录的R点计算RR间期，进而获取心率信息。
2 系统测试
本文设计的移动式心电监护系统分为硬件和软件两部分。硬件基于CC2640芯片，设计出创可贴式胸贴心电监测仪，能够测量人体的单导心电，实物见图9。软件基于Android手机开发平台，能够实时绘出心电波形和计算实时心率，手机APP心电测量界面见图10。实验结果表明显示的心电波形和心率值与临床心电图机采集的心电波形与心率值相同。
图9 胸贴式单导心电监测仪实物图
图10 手机APP心电测量界面图
3 总结
本研究开发了一种基于智能手机的新型心电监护系统，对该系统的各部分功能及设计方法进行了详细介绍。该系统用创可贴式心电图仪采集人体单导心电信号，通过BLE传送给智能手机，手机APP心电监测软件接收、存储心电数据，实时绘制心电图和显示心率。实验结果表明该系统运行稳定，能够24 h测量人体的心电信号，通过进一步完善功能，有望应用于个人心脏健康监护。
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Development of a New Type of Mobile ECG Monitoring System
Abstract：Objective To design a new mobile ECG monitoring system,which includes a Band-Aid ECG (Electrocardiograph) monitor and an ECG smart phone monitoring APP. The Band-Aid ECG monitor can obtain ECG signal from user’s body in 24 h;the ECG smart phone monitoring APP can obtain ECG data via Bluetooth Low Energy (BLE) from the Band-Aid ECG monitors,and display the ECG wave as well as the heart rate information on its surface in real-time. Methods The low-power Bluetooth chip CC2640 was selected as the main controller unit,coupled with the ECG electrodes and singlelead ECG acquisition circuit to complete the single-lead ECG acquisition. The smart phone APP was developed in the Eclipse IDE,which could obtain ECG data from the Band-Aid ECG monitors via BLE,and draw ECG wave,display heart rate on its screen in real time. The data of ECG was stored as well in the progress. Results The new mobile ECG monitoring system can acquire the ECG signal from user’s body,and transfer it to the smart phone APP via BLE. The smart phone APP can display ECG waveform in real time,and then perform the QRS detection and the calculation of real-time heart rate through the slope threshold method. Conclusion The new mobile ECG monitoring system is convenient to carry and stably operated,and can display ECG wave in real-time,and accurately measure the heart rate,which proves itself with great practical value.
Key words：ECG monitoring;smart phone monitoring APP;low power consumption Bluetooth;electrocardiograph;heart rate
QIN Hai-peng1,WU Shui-cai1,LIU Zhong-ying2
1. College of Life Science and Bioengineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2. Beijing M&B Electronic Instruments Co.,Ltd.,Beijing 102629,China
[中图分类号]R540.4+1
[文献标志码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.09.008
[文章编号]1674-1633(2016)09-0034-05
收稿日期：2016-04-13
修回日期：2016-05-09
基金项目：国家自然科学基金国际（地区）合作项目（71661167001）。
通讯作者：吴水才，教授，主要研究方向为生物医学电子与医疗仪器。