摘 要： 提出了一種可穿戴式心電醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)設計方案，該方案利用ZigBee技術將若干可穿戴心電檢測終端根據(jù)需求構建相應結構的無線傳感器網(wǎng)絡，由服務主機完成數(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)模塊等構成。設計作品結果表明，該方案可行，并獲得第十四屆廣東省電子設計大賽三等獎。
關鍵詞： 可穿戴；心電監(jiān)測；ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡；BMD101
0 引言
心電圖檢測監(jiān)護儀是臨床診斷、監(jiān)測心血管疾病的動態(tài)心電圖分析系統(tǒng)的重要組成設備[1]，在有效地預防、監(jiān)護心臟疾病中發(fā)揮著越來越重要的作用。但常規(guī)心電監(jiān)護儀需要病患靜臥測量，受時間、醫(yī)療場所等限制，不能適應病患發(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方案[2-3]與無線通信技術方案被提出[4-9]，但普遍不能滿足可穿戴的要求。相關信息顯示，到2017年，世界上將會出現(xiàn)6.4億個可穿戴設備，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備、放松冥想監(jiān)測設備、睡眠監(jiān)測設備、心臟狀況監(jiān)測設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)的設計方案，以滿足實時監(jiān)護和數(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模擬輸入端負極，4、5腳為UART收發(fā)端，6腳為系統(tǒng)復位端，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用于可穿戴設備及便攜式設備中。
BMD101模擬前端主要由低噪聲放大器、ADC模數(shù)轉換器以及一個檢測感應器脫落的檢測電路組成，具有極佳的消噪功能。可采集從?滋V到mV的生物信號，采樣頻率為512 Hz，模擬數(shù)字轉換器采用16位精度。結果經(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)性質及其具體表征內容及含義，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展碼等級的擴展碼（EXCODE）開始，擴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）；
（3）讀取數(shù)據(jù)長度字節(jié)[PLENGTH]；
（4）讀取有效數(shù)據(jù)并進行校驗和運算；
（5）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）進入數(shù)據(jù)解釋循環(huán)，直至解釋完成：
①解釋并統(tǒng)計擴展代碼[EXCODE]（0x55）的個數(shù)；
②解釋當前數(shù)據(jù)流代碼[CODE]；
?、廴绻赡?，解釋當前數(shù)據(jù)的長度；
?、芑谇懊娴臄U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；
⑤如果數(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大的系統(tǒng)管理單元。它負責整個系統(tǒng)的配置、運行管理、內外通信、專有算法計算和電源管理，為可穿戴設備的應用提供了保障。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 系統(tǒng)頂層設計
頂層設計如圖3所示。利用ZigBee組網(wǎng)技術將協(xié)調器與可穿戴心電檢測節(jié)點構建成無線傳感器網(wǎng)絡，協(xié)調器經(jīng)COM串口或UART與由服務器主機連接，借助軟件平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示、回調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微處理器模塊負責數(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)軟件設計
系統(tǒng)軟件設計包括STC微處理器系統(tǒng)、CC2530節(jié)點系統(tǒng)、CC2530協(xié)調器系統(tǒng)和計算機上位機軟件平臺。整個系統(tǒng)上電啟動就緒后，按照以下流程進行：STC微處理器負責接收心電芯片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)調器發(fā)送數(shù)據(jù)；協(xié)調器接收到數(shù)據(jù)后立即上傳至計算機；計算機接管數(shù)據(jù)并保存以及按照用戶指令執(zhí)行相應操作。各子系統(tǒng)的流程圖如圖6、圖7所示。
4 實驗結果
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。誤差主要來自電極導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處理。
5 結論
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，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)控平臺可以提高應急響應的速度和效率；（4）網(wǎng)絡化：通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術可將所有的心電傳感節(jié)點根據(jù)需要構建相應結構的網(wǎng)絡；（5）相對與現(xiàn)有的心電圖測試監(jiān)控儀器設備，該系統(tǒng)成本低。
此外，由于個人的生理體征都不一樣，其相應心電圖信息也不相同，需要一個數(shù)據(jù)采集、訓練以及優(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。這是投入應用前需要深入進行的工作。
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