穿戴式心电设备数据传输研究
周明璋a，张庭旭a，刘艳b，张阿丽b，张英b，阿丽耶·麦提喀斯木b，吴顺华a
新疆医科大学 a.医学工程技术学院；b.临床医学院，新疆 乌鲁木齐 830011
[摘 要]目的通过穿戴式心电设备数据传输研究，实现远程医疗测量，实时监控人体心电数据，探索一条医疗检测设备便携化、智能化的医疗测量方法。方法该系统由心电采集部分，无线传输部分以及用户智能手机组成。心电采集传感器采集用户心电数据，并通过无线传输模块发送到用户手机，手机接收无线传输的数据，并使用网络将采集到的心电数据传输到指定医院数据库，从而对用户实现远程实时心电监护。结果该研究实现了心电测量设备的远程化、便携化，可以实时采集用户心电数据并定时发送数据。结论该研究可以实时监测用户心电，减少用户住院观察时间，并对建立用户健康档案有积极作用。
[关键词]穿戴式；心电监测；无线传输；心血管疾病
引言
随着生活节奏的加快，人体机能也在日渐衰退，心血管病的患病率、发病率及死亡率呈不断上升趋势，据我国卫生部数据中心统计，70%以上的心脏病用户是在户外或家中突然发生心脏急性事件，但是目前广泛使用的心电测量仪器体积大，仅限医院使用[1]，大大增加了患者住院观察时间，另一方面，市面上的健康系统很多，但都只是记录心率和运动里程的单机化服务，不具备与医院交互的功能，穿戴式心电监测设备实现了心电测量设备的便携化和无线化，实时采集患者心电数据[2]，按需发送到医院数据库，主治医师可以随时查阅，减少了患者住院观察时间，有效投射了医院医疗资源到患者身体上。
1 材料与方法
1.1 系统总体设计
穿戴式心电设备主要包括4个部分：心电数据采集器，数据传输部分、手机APP、医院HIS系统。穿戴式心电设备工作方式，见图1。
图1 穿戴式心电设备工作方式
患者使用的心电监护设备，患者端设计尺寸小巧，功耗极低的，搭载纽扣电池控制在20 g以内，以方便佩戴。需要时可以用固定在患者身体上。无线传输模块也搭载在单片机主板电路板上，实时采集用户心电数据，通过蓝牙或者其它无线方式传输到用户手机，用户手机通过手机网络将心电数据发送给主治医生，从而获得适当的诊断结果与治疗意见[3]。
1.2 心电数据采集
材料：医用电极片、导电液、医用心电传感器，5 V/500 mAh max电池、Arduino单片机（深圳市世纪芯微电子有限公司生产）、AD8232芯片（深圳市默德轩电子有限公司生产）。
AD8232芯片应用广泛，是全集成式单导联ECG前端，低电源电流170 µA(典型值)，使用2个或3个电极配置，高信号增益（G=100），带DC阻塞能力。2极点可调高通滤波器接受高达±300 mV的半电池电位，快速恢复功能减少了滤波器的建立时间，3极点可调低通滤波器，带可调增益和导联脱落检测，集成右腿驱动放大器。单电源供电电压为2.0～3.5 V，集成基准电压缓冲器产生虚拟地轨到轨输出。AD8232采用双极点高通滤波器来消除运动伪像和电极半电池电位。该滤波器与仪表放大器结构紧密耦合，可实现单级高增益及高通滤波，从而节约了空间和成本。AD8232芯片采用一个无使用约束运算放大器来创建一个三极点低通滤波器，消除了额外的噪声。用户可以通过选择所有 滤波器的截止频率来满足不同类型应用的需要。AD8232芯片引脚配置，见图2。将2号、3号和5号引脚与人体左胸，右胸和右下腹位置上的传感器连接，OUTPUT引脚输出心电信号。
图2 AD8232芯片引脚配置
AD8232芯片用于测量心电的电路，见图3。
图3 AD8232芯片用于测量心电的电路
Arduino单片机具有硬件可扩展性，开发者可以根据实际需求进行扩展，而且编程语言简单，对于医学背景的人来说也能快速学习，由于心电信号由皮肤电极取自人体表面，信号弱，加上周围的电磁干扰，为了简化心电信号提取电路，选择成品心电检测芯片AD8232芯片[4]，且芯片已经焊在基板上，可以直接连接I导联心电图电极线测定心电信号[5]。AD8232芯片搭配相应的外围电路，具有在运动状态下提取、放大以及过滤微弱生物电的作用，使得后级A/D转换器可以轻松采样该芯片的输出信号，该芯片集成了仪表放大器、运算放大器、右腿驱动放大器以及导联防脱落检测等电路，按照该芯片围电路即可提取系统所需的心电信号[6]。成品AD8232芯片，见图4。
图4 AD8232模块
1.3 无线传输模块
数据传输模块主要负责采集模块与智能终端之间的数据交互[7]，信息传输分为3个层次：一个是传感器与主板之间的信息交互；二是穿戴设备与用户智能手机间的通讯，三是用户手机与远程交互设备之间的通讯。要通过体表的信号传输将信息汇集到主板上，使之成为与外界通讯的门户[8]。无线传输无需介质，不受卡口和线路限制，比较普及的无线传输方式有IEEE802.11、蓝牙、红外等[9]，而将这些无线传输方式进行比较，IEEE802.11功耗较高，传输距离约为100 m左右，带宽为54 Mb/s，穿透性强、成本高、稳定性高、普及性低；蓝牙功耗较高，传输距离为10 m左右，带宽为1～10 Mb/s，穿透性强、成本低、稳定性较高、普及性高；红外功耗低，传输距离1 m左右，带宽为1～10 Mb/s，穿透性低、成本低、稳定性低、普及性高[10-13]，蓝牙在手机上的广泛使用使该设备与智能终端间的联系变得更加简易，所以该设备采用蓝牙模块，使用BDE-BLEM901型号的蓝牙模块（广州碧德电子科技有限公司生产），BDE-BLEM901是一款高性价比的单模低功耗蓝牙模块，主芯片为ARM Cortex-M0内核，功能强大，兼容蓝牙4.0单模式；其超低功耗，在深度睡眠仅为2 μA；发射功率为-20～+4 dBm；接收灵敏度为-95 dBm；指令集丰富的尺寸为25.00 mm×11.78 mm×2.3 mm，兼容BQB、FCC、CE、RoHS认证，且价格实惠。模块集成了微信和京东等互联网巨头平台的对接协议，一个硬件产品可对接多款APP，极大的方便了开发应用。手机就能接收到来自单片机的数据，故而蓝牙模块也就成为整个设备中最耗电的部分[14]，所以它需要的电池容量也要大一些，可以持续工作很长时间。数据传输总体模块架构，见图5。
2 程序设计
本系统的软件主要有主程序、定时器中断程序以及实时心率算法程序3部分组成。主程序循环检测是否有定时器中断发生以及实时心率是否超出正常范围；定时器中断程序设定相应的时问进入中断去读取A/D转换器读取的心电信号数据后存储在SD卡中；实时心率算法程序对A/D转换后的心电信号数据进行分析计算出实时心率[15]。单片机作为电路控制核心[16]，若未检测到则中断系统并重新发送；传输驱动负责在定时器的预设时间内将保存的数据传输给用户手机，程序流程，见图6。
图5 数据传输总体模块架构
图6 程序流程
当采样频率大于原始信号最高频率的2倍以上，采样之后的数字信号才能完整地保留原始信号中信息。由于心电信号中有用成分的最高频率是100 Hz，采样频率必须在200 Hz以上才能确保心电信号的信息不被丢失，本系统采用200 Hz频率进行A/D转换器采样，单片机需要0.005 s进一次定时器中断，读取相应的值。AD8232芯片集成了一个运算放大器，可用于提供额外增益和滤波。对于不需要高阶滤波器的应用，一个简单的RC低通滤波器应该就足够了，运算放大器则可缓冲或进一步放大信号。
3 结果
3.1 电路指标
因为整个系统以Arduino UNO为基础，故无法直接测量灵敏度、阻抗信息。系统使用DC 5 V供电，功率在待机时和工作时不同。使用电流计测试待机和工作时的电流，计算得功率值。由电流计测得待机电流为0.01 A，功率为0.05 W；由电流计测得工作电流为0.08 A，功率为0.4 W。
3.2 心率测试
分别使被测者原地站立和速跑100 m后接受心率测量，同时测量脉搏，比较设备在不同心率下的测试效果。被测者在原地站立状态下，测定的心率分别为75、69、75、70和68次/min；实际脉搏分别为74、70、75、70和68次/min；被测者速跑100 m后，测定的心率分别为111、106、114、138和182次/min；实际脉搏分别为118、110、114、130和108次/min。
经过测试，被测者原地站立时设备实测心率的误差约为±5；速跑200 m后实测心率误差约为±8，有一次异常数据，分析其出现异常数据的原因可能是未能准确滤去杂波，致使实测心率过大，后经多次测量，出现实测心率与脉搏大幅不符的情况约占所有测试数据的5%。
3.3 无线传输测试
使被测者逐渐远离电脑无线接收端，首先测试有效传输的无障碍直线距离。经过测试，该情况下10 m内传输数据不会有延迟和干扰。使被测者和电脑无线接收端之间隔1.8 m，并有一堵普通墙体。经过测试，可以隔墙传输信号，不会有延迟和干扰。
3.4 心电测量
采样率即Arduino单片机每秒接收自AD8232采集的数据个数，其值等于1/单次采样间隔。若采样率过小，有可能无法精确采集到心电信号的波峰和波谷，导致测量不准确；若采样率过大，会造成数据的冗余和存储空间的浪费。根据采集到的模拟数据，处理后的结果，见图8。
图8 模拟数据处理后的图形
4 结论
该研究设计了一套穿戴式心电设备，充分利用了目前流行的无线技术，通过无线数据传输模式进行设备的交互，可以实时采集单路心电数据。该系统轻便方便、穿戴舒适、使用简单，用户还需要安装相匹配的APP，这样就能方便就医，轻松地让医生了解每一位用户的情况，及时给予健康指导和建议[17]，而且在大数据时代，还能为用户健康档案的建立提供宝贵的第一手资料。当今，穿戴式技术已日渐成为各国的前沿科学，也将成为医疗行业的重要部分。
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Research on the Data Transmission of Wearable ECG Monitor
ZHOU Mingzhanga, ZHANG Tingxua, LIU Yanb, ZHANG Alib, ZHANG Yingb, Aliya·Matkasimb, WU Shunhuaa
a.Medical Engineering College; b.Clinical Medical College, Xinjiang Medical University, Urumqi Xinjiang 830011, China
Abstract:ObjectiveTo explore a way to make the medical device small and intelligent via achieving remote medical measure and real-time ECG signal collection based on researching of wearable ECG transmission device.MethodsThis system included ECG collecting part, wireless transmission part and users’ phones. The ECG signal data collected and pre-processed by the ECG collecting part was sent to the users’ phone via the wireless transmission module. Additionally, these data was transmitted to databases in the specific hospital by network, which enabled to realize remote real-time heart monitoring on the users.ResultsThis research achieved the locomotive and easy-taken of the ECG collector, which could collect the ECG signal in real-time and send data timely.ConclusionThis research achieves collecting the ECG signal in real-time and send data timely, which helps users to reduce time in hospital. In addition, it also has a positive effect on establishing user health records.
Key words:wearable; ECG monitor; wireless; cardiovascular disease
[中图分类号]R197.39
[文献标识码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2017.12.013
[文章编号]1674-1633(2017)012-0057-03
收稿日期：2016-12-19
修回日期：2017-03-12
基金项目：新疆医科大学大学生创新计划项目（CX2016053）。
通讯作者：吴顺华，教授，主要研究方向为信息系统与管理。
通讯作者邮箱：wushunhua@126.com
本文编辑 袁隽玲