摘 要： 設計了一款便攜式低功耗的動態心電圖系統，并通過藍牙模塊完成動態心電圖在Android端的實時顯示。該系統由STM32L152微處理器、HHW_USART_S10藍牙模塊以及電源管理單元等分離元件構成，并在心電系統內部首次使用低功耗模擬前端集成芯片完成7導聯動態心電圖的采集，實時反映心臟活動的變化。該系統的供電電壓為1.8 V，且工作時的功耗僅為40 mW。Android端的動態心電圖顯示軟件適用于Android2.2以上版本的操作系統。
關鍵詞： 動態心電圖；Android；STM32；模擬前端；藍牙模塊；低功耗
0 引言
隨著社會和經濟的快速發展，科技的進步，全球的老齡化越發地明顯[1]，而老年人作為心臟病的高發人群，使每年死于心臟病的人數呈遞增之勢，據世界衛生組織統計，每年約有1 700萬人死于心臟病。而且，隨著生活節奏的加快和生活方式的改變，患有心臟病的人群有低齡化的趨勢。因此對于心電醫療設備和醫療服務需求越發地迫切[2]。隨著醫療條件的不斷發展和改善，發達國家和發展中國家人口的平均壽命也在不斷地延長，這些都使得為老年人提供長期的身體健康監測的設備變得尤為迫切。目前，生活在經濟條件和醫療條件比較落后的偏遠地區的人群仍然很多，特別是，為檢測出特殊情況下患者病況（例如在心臟康復中的局部缺血），直接通過患者的ECG信號很難直觀地識別出結果。從目前的情況來看，心電圖作為檢測患者心臟活動的一種工具已經得到廣泛使用，然而由于其使用條件的限制，價格昂貴且不宜攜帶，對時間相對緊張的年輕人和行動不便的老年人來說，經常去醫院做檢查很不現實；另外心臟病具有突發的特點，處理不及時可能會危及到生命[3]。且對于一些心臟的突發狀況（如心律不齊等），即使標準的12導聯也無法檢測到。因此，方便、持續的心電圖檢測成為一種有效的選擇。盡管動態心電圖分析系統已經是一種眾所周知的技術，適用于社區醫院、病房和居家等不同環境[4]，但此類設備在其功耗和便攜舒適度方面仍需繼續提高。鑒于以上原因，家庭式、低成本、便攜式的醫療設備的面世尤為重要。本文提出一種便攜式的低功耗的動態心電圖測試系統，該心電系統可以獲取、存儲和傳送ECG信號。為了降低功耗，系統搭載了AFE[5]模擬前端進行數據采集，AFE芯片提供3導聯（I、II和V）。而在數據傳輸方面，本系統采用藍牙通信，并相應地設計了基于Android的實時顯示軟件，可以使ECG信號非常方便地顯示在智能終端，而且可應對因頻率跳變而引起的噪聲并提高抗干擾能力。此外本動態心電分析系統沒有使用液晶顯示單元，藍牙模塊可通過其他設備獲取可視化動態數據，以此顯著降低設備功耗。
1 系統設計
1.1 系統架構
圖1為系統的原理框圖，其內含高集成度模擬前端芯片、一個微控制單元（MCU）STM32L152、具有1 GB內存的多媒體存儲卡以及一個HHW UART S10藍牙模塊等。將各部分元器件在電路板上都作了高亮顯示。該動態心電圖分析儀器采用一塊手機電池供電，為延長供電時間，整個分析設備在設計中采用了CMOS低功耗運算放大器以及低功耗儀表放大器使得供電電流能盡可能地降低。由于系統使用的是單電源1.8 V供電，在器件選型上十分嚴格。
1.2 模擬前端芯片
在引言部分已提及，此類芯片為首次使用。據設計指標，此芯片提供了優異的針對ECG信號的放大器、低失調電壓的運算放大器以及高精度電流基準[5]。此款模擬前端芯片具有主流漂移抑制功能（在80 mV），且在單電源1.8 V供電時能達到37.8 mW的功耗。監測信號的放大增益可根據需要設定不同的增益，模擬前端集成芯片（AFE）的增益可編程控制在42 dB~60 dB，且平穩輸入噪聲不高于1.12 mV/p（1 Hz），其最低截至頻率為35 Hz、150 Hz和250 Hz[6]。
1.3 微處理器
整機系統中也加入了一個額外的STM32L152低功耗微處理器。此款處理器需要較低電壓（1.65~3.6 V）的電源供電且功耗在32 Hz情況下為10.4 mA，1 MHz情況下為230 mA。為低功耗微處理器提供了12位的A/D轉換器且xx作為監測信號的提取。此外，在實際使用過程中采用了過采樣來提高采樣頻率使其能達到16位A/D轉換。STM32L152的內部也集成了USB設備接口，全速傳輸速率為12 Mb/s，可使用軟件方便設置端點、暫停和恢復。專用的48 MHz時鐘由內部鎖相環（時鐘源必須使用高速的外部晶振）產生。該系列的微處理器也在其內部集成了安全的數字輸入/輸出（SDIO）端口用于方便讀寫多媒體存儲卡。當系統重啟，MCU首先初始化AFE端口并以內部集成的12位A/D以及4位通過過采樣和xx以1 kHz采樣頻率采集ECG信號，當信號處理完畢后，可以方便地存入多媒體存儲卡內。獲取的心電圖波形數據也可以直接通過USB或者藍牙傳輸至波形識別設備。可以將獲取的患者數據可視化并進行醫療分析和數據存儲。整個MCU的軟件流程圖如圖2所示。
1.4 在線數據傳輸模式
動態心電圖分析系統帶有分別獨立的串行通信協議可供選擇：USB模式和藍牙。在本文中主要使用由原始設備制造商（OEM）提供的藍牙模塊HHW USAT S10，該模塊可與其他使用藍牙2.0通信協議的設備建立配對，連接至智能手機或個人電腦等智能終端。可實時獲取ECG信號并隨時可控AFE增益。
2 Android端的顯示軟件
本系統的心電圖采用藍牙通信在Android系統端實時顯示。Android作為時下最流行的開源操作系統，已經應用于各個方面，特別是在手機端，基于Android端的顯示軟件更能方便人們對心電的監測[7]。該心電顯示軟件要求Android操作系統的最低版本為2.0。
該軟件主要基于Eclipse開發，軟件界面如圖3所示。該軟件底層為心電顯示圖紙，類似于坐標圖中的正方形小方格[8]，心電圖為三通道顯示，并有增益下拉菜單、波形間距下拉菜單以及心率比對和數據存儲兩個按鈕。增益菜單可實現心電波形的等比放大和縮小[9]、間距可調整心電波形的集中度、心率比對模塊會給出心臟功能完好的常人在不同年齡段的心率范圍，并且數據存儲模塊可對心電波形進行儲存。
軟件啟動后的執行框圖如圖4所示。當打開軟件時，提示打開藍牙，點擊Scan for device開始搜索目標藍牙，當藍牙連接成功后開始接收數據，并將消息返回給主線程，啟動畫圖線程（MyView）同時接收到的數據會暫存在循環緩沖器（CircularBuffer）中，MyView會調用循環緩沖區中的數據開始畫圖，在該線程中實現放大和縮小的功能，并且當波形放大超出顯示區域時進行鎖定。
3 測試
將Android\workspace\bin\ECGManager.apk安裝包拷貝到Android系統下，點擊安裝后就可以直接使用。用該心電圖對1個健康的成年人進行了測試，測試采用短期和長期測試。在短期測試中，使用藍牙模式，通過電極電位差采集3導聯的數據，可在手機端立刻顯示出采集到的心電波形，其余4導聯直接通過離線軟件計算獲得。在完成初步測試后，實驗者將持續攜帶設備進行實時監測，直到心電圖機的電池電量用完。實驗者的測試結果以及在放大情況下的心電圖如圖5所示。
從顯示結果可以看出，在最頂端的文本組件上左邊顯示的是軟件名稱，右端顯示的是藍牙的連接情況，有connecting...，not connected和connected：。當連接成功時顯示connected：+藍牙名稱，從圖5可以看出軟件已連接成功，中間顯示的是心率值。中間部分就是3導聯的心電的波形。可以看出當改變放大增益比時，可以比較明顯地看出波形細微的一些變化。
4 結論
本文設計的低功耗的動態心電圖機成功地完成了心電與心率的采集，并達到了預期的目標，通過藍牙模式將數據傳送顯示到Android的智能移動終端，可以讓使用者非常方便地觀察到自己的心電波形和心率值，并進行長時間的實時監測，非常適用于不方便去醫院的人群和心臟有潛在危險的人群。
參考文獻
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