摘  要： 提出了一種可穿戴式心電醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案利用ZigBee技術(shù)將若干可穿戴心電檢測終端根據(jù)需求構(gòu)建相應(yīng)結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由服務(wù)主機(jī)完成數(shù)據(jù)匯總、存儲、顯示等一系列信息化管理功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要由心電監(jiān)測芯片BMD101、STC微處理器和CC2530無線收發(fā)模塊等構(gòu)成。設(shè)計作品結(jié)果表明，該方案可行，并獲得第十四屆廣東省電子設(shè)計大賽三等獎。

　　關(guān)鍵詞： 可穿戴；心電監(jiān)測；ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；BMD101

0 引言

　　心電圖檢測監(jiān)護(hù)儀是臨床診斷、監(jiān)測心血管疾病的動態(tài)心電圖分析系統(tǒng)的重要組成設(shè)備[1]，在有效地預(yù)防、監(jiān)護(hù)心臟疾病中發(fā)揮著越來越重要的作用。但常規(guī)心電監(jiān)護(hù)儀需要病患靜臥測量，受時間、醫(yī)療場所等限制，不能適應(yīng)病患發(fā)病的突發(fā)性、間歇性、短暫性等特點。同時常規(guī)監(jiān)護(hù)儀存在價格昂貴、體型笨重、不易移動的不足，無法滿足患者長期實時監(jiān)控、記錄并分析的需要。為此，很多新型的便攜式技術(shù)方案[2-3]與無線通信技術(shù)方案被提出[4-9]，但普遍不能滿足可穿戴的要求。相關(guān)信息顯示，到2017年，世界上將會出現(xiàn)6.4億個可穿戴設(shè)備，它們主要用來監(jiān)測人的身心健康。從可穿戴的健康追蹤設(shè)備、放松冥想監(jiān)測設(shè)備、睡眠監(jiān)測設(shè)備、心臟狀況監(jiān)測設(shè)備到智能手表和眼鏡，可穿戴產(chǎn)品具有廣闊的發(fā)展空間。

　　本文提出一種基于專用心電芯片BMD101的可穿戴心電圖監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，以滿足實時監(jiān)護(hù)和數(shù)據(jù)的存儲、處理與報警等數(shù)據(jù)管理信息化新形勢下醫(yī)療護(hù)理的需求。

1 心電芯片BMD101

　　BMD101是美國NeuroSky推出的第三代生物信號檢測和處理的SoC芯片，圖1（a）所示為8腳封裝。1腳為片選控制端，2腳為ECG模擬輸入端正極，3腳為ECG模擬輸入端負(fù)極，4、5腳為UART收發(fā)端，6腳為系統(tǒng)復(fù)位端，7、8腳為電源端。該芯片體積小，功耗低且采用干電極傳感器。其與微處理器的接口電路通過圖1（b）所示的UART實現(xiàn)，因此可以很便利地應(yīng)用于可穿戴設(shè)備及便攜式設(shè)備中。

　　BMD101模擬前端主要由低噪聲放大器、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及一個檢測感應(yīng)器脫落的檢測電路組成，具有極佳的消噪功能?？刹杉瘡?滋V到mV的生物信號，采樣頻率為512 Hz，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器采用16位精度。結(jié)果經(jīng)過截止頻率為100 Hz的低頻濾波器濾波后，通過UART輸出。

　　BMD101數(shù)據(jù)包輸出格式則采用ThinkGear Packets類型，如圖2（a）所示[10]：數(shù)據(jù)包的報頭由兩個同步幀和一個告知有效數(shù)據(jù)長度的字節(jié)構(gòu)成；緊接著發(fā)送實際數(shù)據(jù)代碼；最后發(fā)送有效數(shù)據(jù)的校驗和。其中有效數(shù)據(jù)內(nèi)部也按照一定的格式定義來確定所發(fā)送的數(shù)據(jù)性質(zhì)及其具體表征內(nèi)容及含義，如圖2（b）和表1所示。有效數(shù)據(jù)以0或者多個用以指示擴(kuò)展碼等級的擴(kuò)展碼（EXCODE）開始，擴(kuò)展碼等級則用以說明后續(xù)的代碼所屬的數(shù)據(jù)類型。緊接著是數(shù)據(jù)的代碼和數(shù)據(jù)的長度信息，最后發(fā)送代碼對應(yīng)的數(shù)據(jù)值。

　　對心電信號的解釋流程偽代碼如下：

　?。?）讀取等待同步幀字節(jié)（0xAA）；

　?。?）讀取下一個字節(jié)并判斷是否為同步幀字節(jié)（0xAA），如果不是回到步驟（1）；

　?。?）讀取數(shù)據(jù)長度字節(jié)[PLENGTH]；

　?。?）讀取有效數(shù)據(jù)并進(jìn)行校驗和運算；

　?。?）將校驗和累加器低位字節(jié)取反；

　?。?）對比數(shù)據(jù)的校驗和[CRC]，判定是否一致，不一致則返回步驟（1）；

　　（7）進(jìn)入數(shù)據(jù)解釋循環(huán)，直至解釋完成：

　　①解釋并統(tǒng)計擴(kuò)展代碼[EXCODE]（0x55）的個數(shù)；

　　②解釋當(dāng)前數(shù)據(jù)流代碼[CODE]；

　?、廴绻赡?，解釋當(dāng)前數(shù)據(jù)的長度；

　?、芑谇懊娴臄U(kuò)展碼及長度等信息，解釋和處理數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)信息；

　?、萑绻麛?shù)據(jù)流沒有解釋完畢，回到步驟①繼續(xù)。

　　簡言之，BMD101的核心是一個功能強(qiáng)大的系統(tǒng)管理單元。它負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的配置、運行管理、內(nèi)外通信、專有算法計算和電源管理，為可穿戴設(shè)備的應(yīng)用提供了保障。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)頂層設(shè)計

　　頂層設(shè)計如圖3所示。利用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)將協(xié)調(diào)器與可穿戴心電檢測節(jié)點構(gòu)建成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器經(jīng)COM串口或UART與由服務(wù)器主機(jī)連接，借助軟件平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示、回調(diào)與報警等一系列信息化管理功能。

　　2.2 心電監(jiān)測節(jié)點設(shè)計

　　節(jié)點電路方案如圖4所示。心電監(jiān)測模塊選用神念公司的BMD101專用心電芯片，STC微處理器模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集，經(jīng)由ZigBee CC2530無線模塊完成組網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信；節(jié)點采用鋰電池供電，經(jīng)LM1117電源模塊為微處理器和CC2530提供穩(wěn)定的電源輸出。監(jiān)控平臺由ZigBee CC2530無線模塊、計算機(jī)及監(jiān)控軟件組成。

　　可穿戴節(jié)點原理圖及實物如圖5所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計包括STC微處理器系統(tǒng)、CC2530節(jié)點系統(tǒng)、CC2530協(xié)調(diào)器系統(tǒng)和計算機(jī)上位機(jī)軟件平臺。整個系統(tǒng)上電啟動就緒后，按照以下流程進(jìn)行：STC微處理器負(fù)責(zé)接收心電芯片BMD101的心電數(shù)據(jù)并由SPI傳輸至CC2530；CC2530在接收到數(shù)據(jù)后，周期性地向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)；協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后立即上傳至計算機(jī)；計算機(jī)接管數(shù)據(jù)并保存以及按照用戶指令執(zhí)行相應(yīng)操作。各子系統(tǒng)的流程圖如圖6、圖7所示。

4 實驗結(jié)果

　　圖8為本系統(tǒng)采集的一組心電圖數(shù)據(jù)。通過比較分析可以得知，所測數(shù)據(jù)可以完整地顯示心電圖波形，基本功能已經(jīng)實現(xiàn)。與正常心電圖比較，各個波形的時間和幅度基本在典型值范圍內(nèi)。誤差主要來自電極導(dǎo)線與皮膚之間的接觸干擾。所測數(shù)據(jù)與醫(yī)用動態(tài)心電儀測得數(shù)據(jù)比較，差別在于波形的平滑度，還需后期的濾波算法等技術(shù)處理。

5 結(jié)論

　　本系統(tǒng)方案能很好地實現(xiàn)可穿戴心電圖監(jiān)控功能。由于其充分利用了ZigBee無線通信技術(shù)，系統(tǒng)具有以下創(chuàng)新點：（1）可穿戴：延伸了監(jiān)測對象的活動范圍；（2）可實現(xiàn)身份識別：由于每個終端都具有唯一的ID，可與病患身份捆綁；（3）信息管理智能化：該系統(tǒng)可以更加方便有效地將信息的獲取、處理、存儲和交流于一體，實現(xiàn)管理信息化，利用監(jiān)控平臺可以提高應(yīng)急響應(yīng)的速度和效率；（4）網(wǎng)絡(luò)化：通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可將所有的心電傳感節(jié)點根據(jù)需要構(gòu)建相應(yīng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)；（5）相對與現(xiàn)有的心電圖測試監(jiān)控儀器設(shè)備，該系統(tǒng)成本低。

　　此外，由于個人的生理體征都不一樣，其相應(yīng)心電圖信息也不相同，需要一個數(shù)據(jù)采集、訓(xùn)練以及優(yōu)化的過程，以確保數(shù)據(jù)分析與診斷的可靠性和可信度。這是投入應(yīng)用前需要深入進(jìn)行的工作。

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