便携式单导心电仪的研究与设计_赵天夏.pdf

电子技术应用 2023年 第49卷 第4期Circuits and Systems电路与系统便携式单导心电仪的研究与设计赵天夏，王新安，李秋平，邱常沛（北京大学深圳研究生院 集成微系统科学工程与应用重点实验室，广东 深圳 518055）摘 要：慢性疾病包括癌症类疾病、呼吸类疾病、心脑血管类疾病等已经成为普遍影响我国居民健康的主要疾病，影响了我国居民健康预期寿命的提高。因此采用便携式、实时式的医疗设备对患者进行日常身体状况的跟踪检测便十分具有意义。对比研究并设计了两款典型的心电设备，一款是设计小巧时尚的运动监测 SenseON，另一款是面向医疗的 CareON，并探讨了未来的发展趋势。关键词：慢病管理；心电图；低功率；SenseON；CareON中图分类号：TN47 文献标志码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.212308中文引用格式：赵天夏，王新安，李秋平，等.便携式单导心电仪的研究与设计J.电子技术应用，2023，49(4)：123-127.英文引用格式：Zhao Tianxia，Wang Xin an，Li Qiuping，et al.Research and design of a portable single guide electrocardiographJ.Application of Electronic Technique，2023，49(4)：123-127.Research and design of a portable single guide electrocardiographZhao Tianxia，Wang Xinan，Li Qiuping，Qiu Changpei(The Key Laboratory of Integrated Micro-systems，Peking University Shenzhen Graduate School，Shenzhen 518055，China)Abstract：Chronic diseases which include cancer diseases,respiratory diseases and cardiovascular&cerebrovascular disease become the main diseases affecting the health of Chinese residents,and affect the improvement of healthy life expectancy of Chinese residents.Therefore,using the portable and real-time medical equipment to track and detect patients daily physical conditions is very important.This paper has a comparative study and designs two typical ECG devices,one is the sport monitor-SenseON which is a small and stylish,the other one is the medical monitor-CareON.This paper also discusses the future trends.Key words：chronic disease management；ECG；low power；SenseON；CareON0 引言心脏病已经成为了威胁人类身体健康的重要因素，人们对心脏健康状态的关注越来越高1。心电(electrocardiogram,ECG)信号是一种常用的非侵入性的身体检测手段，它蕴含了丰富的心血管系统生理以及病理信息，是分析和诊断心血管疾病的重要依据。传统记录心脏活动的主要方式是心电图，通常需要人们去医院进行检查2。医用心电设备操作专业性较强，价格昂贵，需要患者处于安静状态下进行长时间监测，限制了人们的活动，不能满足人们日常对心脏监护的需求3。本文从便携式、低功耗、长时间心电监护角度出发，结合心电信号的特点，研究并设计了两款具有典型代表特点的产品运动监护仪 SenseON 和医用监护仪 CareON。专业的运动监护仪 SenseON 使用专业级的心肺功能传感器和柔性层叠穹顶微针阵列干电极，精准记录心率、呼吸率、HRV（心率变异率）等数据，通过蓝牙与手机的实时交互，实时记录个人心肺特征。医疗级心电监护设备 CareON 采用美国德州仪器(TI)公司的心电信号模拟采集芯 ADS1292R 和医用 Ag/AgCl 湿电极，稳定、准确地采集完整的单导心电信号，通过 4G 移动网络把完整的心电图数据发送到云端智能分析系统，通过数据与模型的对比，为用户提供疾病的筛查预警，从而保证了心电监护的质量。1 研究的意义根据国家卫生健康委员会的调查显示，我国慢性非传染性病包括癌症类疾病、呼吸类疾病、心脑血管类疾病等已经成为普遍影响我国居民健康的主要疾病，影响了我国居民健康预期寿命的提高4。因此，联合国 2030可持续发展议程和“健康中国 2030”规划纲要都将降低慢性疾病导致的过早死亡率这个目标作为重要的标准性指标。虽然这些慢性病各有所异，但要防治处理这些疾病123Circuits and Systems电路与系统www.ChinaAET.com的重点还是要从病情初期的筛查和控制管理其发展恶化两方面上着手，国内外研究学者通过实际经验给出的结论是慢性疾病的康复程度与疾病暴露的时间早晚呈明显的正相关性5。因此，规范管理慢性疾病患者就显得尤为重要。而心电信号(ECG)在慢性疾病检测和诊断上表现尤为突出，它能够表征人体的心脏状况，也便于检测和收集，而又由于心电信号的非线性和毫伏量级的幅值范围，人类很难从肉眼上观测出一些轻微的变化，需要医生通过自身积累的医学知识和长期经验来做出初步诊断。随着我国引进动态心电图技术(Holter)，患者可以记录到自身长时间的心电信号，从而使得偶发的心脏异常也能够被观察到并做出相应诊断6。但是 Holter 只能提供原始心电图，不能实现初步诊断和大病初筛，仍然需要将检测到的数据带到医院由医生来做出诊断结论，且佩戴成本高，不能够大面积推广使用。随着物联网技术和健康大数据趋势分析等智能分析技术的发展，低成本、便携式的可穿戴设备和云服务等逐渐应用到健康管理领域。尤其是在苹果公司在2018 年发布的 Apple Watch 中实现了快速心电图检测功能，成为可穿戴设备应用于在医疗领域的标志性事件，一大批医疗领域可穿戴设备如雨后春笋般出现在人们眼前，让人们在家庭生活中也能够完成一些原本只能在医院完成的指标检测，有效地改善了人们的生活方式和生活习惯。因此，便携式可穿戴医疗设备成为当下国内外研究的热点。在心电信号检测系统这一领域，工业界发布了一些消费电子产品。美国的 iRhythm 公司开发了一款贴片式的单导联动态心电图仪器 Zio，可以直接黏贴在人体皮肤表面并连续佩戴 14 天，但 200 Hz 的频率不足以支持医疗的精准判7。美国的 Apple 公司在 2018 年发布了Apple Watch Series 4，其中内置了 ECG 心电图快速检测功能，该功能可以记录 30 s 长的心电图，并做出一些简单的诊断功能。在国内，哈尔滨理工大学的贺政州团队设计了一套基于蓝牙通信的心电信号采集系统8，中北大学的张岩团队设计了一套可穿戴式单导联 ECG 监护系统9，包括心电监护硬件、作为硬件载体的心电监护衣和便携式心电监护终端。综上所述，随着微电子、计算机以及医疗等学科技术的不断融汇，通过对市场现有产品进行参考和比较，研制两款具有代表性的便携式心电监护设备：运动监护设备 SenseON 和医疗级监护设备 CareON。2 专业的运动监护设备 SenseONSenseON 运动心肺贴定位为专业化的智能运动心肺追踪器，旨在打造出集精准性与舒适性于一体的心肺监测产品。产品采用现代化简洁的运动感十足的设计语言，专为希望通过科学、合理、健康的运动锻炼以获得健康生活的运动爱好者而设计。2.1 系统组成SenseON 主要由心电数据采集终端和手机 App 软件两部分组成。系统的总体框架如图 1 所示。采集系统通过柔性层叠穹顶微针阵列干电极从人体体表采集得到心电信号，由预处理模块对其进行处理，消除高频干扰。为了实现系统便携化和单导联采集，心电信号在前端进行放大和模/数转换，在蓝牙模块Nordic 的 NRF52832 内做算法处理，得到心率、呼吸率和HRV 等数值并传输至手机端。手机 App 将实时显示心跳和心率变异率的数据，同时所有数据会备份存储在手机中作为长时间的数据观测与查询。2.2 硬件设计2.2.1 采集前端SenseON 的心电信号采集模块使用的是 TI 公司的集成芯片 ADS1292R，它是一款低功率、低功耗、对采集到的心电和呼吸信号进行滤波放大等处理的微处理器10。当工作时，每通道 335 W，当处于待机时，总功耗只有 160 W，超低的功耗使得便携式长时间监控变得可能。另外芯片具有两个低噪声可编程增益放大器（PGA）和两个高分辨率模数转换器（ADC），集成了心电信号采集所需要的部件，方便设备小型化。芯片的输入参考噪音低于 8 VPP(150 Hz BW，G=6)，共模抑制比(CMRR)为-105 dB，这些参数足以进行心电采集。而且内置右腿驱动放大器以及持续断线检测，并带有测试信号11。ECG 信号采用的是差分输入方式，通道 1（IN1N 和IN1P）用于采集呼吸信号，通道 2（IN2N 和 IN2P）用于采集心电信号，内置的右腿驱动电路连接到通道 2 上，形成反馈以减少心电信号的工模干扰，另外还可以提升电压，以保证输入电压在芯片的检测范围内7。呼吸信号和心电信号由电极分别经过通道 1 和通道 2 后通过内部可编辑增益放大器（PGA）放大之后，再经过模数转换器（ADC），转换后的数字信号在蓝牙模块处理计算之后发送至手机。2.2.2 蓝牙模块Nordic 半 导 体 的 nRF52832 是 一 颗 Bluetooth Low Energy 的 SoC，在功率上比其他产品更具优势，例如 TI图 1SenseON 系统组成124Circuits and Systems电路与系统电子技术应用 2023年 第49卷 第4期的 CC26XX12。它 的 实 际 功 率：Active-mode RX:5.5 mA；Active-mode TX 0dBm:5.5mA；Active-mode TX 4dBm:7.7mA。nRF52832 的 内 核 如 图 2 所 示，它 拥 有 512 kB 的Flash 和 64 kB 的 RAM，超大的空间足以支撑前端采集到的数据存储。真实的协议栈一般是 70 kB 至 90 kB 的大小，如果像大多数的 BLE SoC 那样只提供 128 kB 的Flash 的话，应用程序只有大概 40 kB 的空间，不利于传感器采集的任务。内嵌的 Cortex-M4F 的内核具有强大的运算能力以及浮点运算的技术，内核运行期 64 MHz足以支撑内置的提取算法。nRF52832 提供了-96 dBm的灵敏度，这个数据非常接近于 TI 的-97 dBm，更高的灵敏度意味着更远的传输距离。2.3 软件设计系统对 ADS1298 的配置和读取心电数据采用 SPI 通信接口，并对其进行初始化操作。ADC 选用内部参考电压 2.4 V。设置工作模式为:PGA 放大倍数 12 倍，通道选择外部输入，右腿驱动输入信号源为 RA 和 LA，ADC采样率 200 Hz。蓝牙模块通过蓝牙 4.0（BLE，低功耗蓝牙）协议与手 机 App 进 行 连 接，主 要 通 过 尖 刺 的 波 的 事 件 连 接（Connection Events）传输数据和剩余的