《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ADS1293的穿戴式心電檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
李承煒1,韓俊南2,杜 欣1,王凱曦1,黃義成等
1.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系,廣東 廣州510006; 2.廣州雙悠生物科技有限責(zé)任公司,廣東 廣州510670; 3.廣州市惠愛(ài)醫(yī)院(廣州醫(yī)科大學(xué)附屬腦科醫(yī)院)精神科,廣東 廣州510370; 4.廣東省醫(yī)療器械研究所國(guó)家醫(yī)療保健器具工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州510500
摘要: 通過(guò)對(duì)穿戴式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備與低功耗技術(shù)的研究,設(shè)計(jì)了一款穿戴式心電檢測(cè)裝置。該裝置將心電監(jiān)護(hù)設(shè)備與背心服飾相結(jié)合,心電監(jiān)護(hù)設(shè)備采用低功耗、高集成度的模擬前端芯片ADS1293與BLE藍(lán)牙4.0低功耗無(wú)線模塊進(jìn)行心電信號(hào)的采集與傳輸,并結(jié)合低功耗MCU與電源管理模塊可有效地降低系統(tǒng)功耗,然后通過(guò)Matlab GUI進(jìn)行顯示分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證,本裝置體積小、功耗低、精度高,可在靜息、行走和慢跑狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間準(zhǔn)確地采集心電信號(hào),具有較高的可靠性、準(zhǔn)確性和穿戴舒適性,可用于心臟疾病的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)與早期預(yù)警。
中圖分類號(hào): R318.6
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173173
中文引用格式: 李承煒,韓俊南,杜欣,等. 基于ADS1293的穿戴式心電檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(9):8-12.
英文引用格式: Li Chengwei,Han Junnan,Du Xin,et al. Design and implementation of a wearable ECG device based on ADS1293[J].Application of Electronic Technique,2017,43(9):8-12.
Design and implementation of a wearable ECG device based on ADS1293
Li Chengwei1,Han Junnan2,Du Xin1,Wang Kaixi1,Huang Yicheng1,Lin Feixiong1,Zhong Weiguo1, Liu Ya1,Wu Xiaoming1,Ning Yuping3,Chen Jun4,Wu Kai1,4
1.Department of Biomedical Engineering,School of Material Science and Engineering, South China University of Technology,Guangzhou 510006,China; 2.Brain Power System Co.,Ltd,Guangzhou 510670,China; 3.Department of Psychiatry,The Affiliated Brain Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou Huiai Hospital,Guangzhou 510370,China; 4.Guangdong Institute of Medical Instruments,National Engineering Research Center for Healthcare Devices, Guangzhou 510500,China
Abstract: Based on the studies of ECG devices and the low-power consumption technology, a wearable ECG device was designed based on ADS1293. The wearable ECG device includes a low-power consumption module of ADS1293 with high integration of the analog front-end chip, a low-power wireless module of Bluetooth for ECG acquisition, and a module of power management for flexible power management. When monitoring ECG signal by the wearable ECG device with a piece of intelligent clothes, the ECG data can be sent to a computer by Bluetooth and displayed in a Matlab GUI. We tested the device by experiments and verified that the wearable ECG device can collect ECG signals in different daily activities. It has the advantages of small volume, low power consumption, and high reliability and accuracy of signals. The wearable ECG device can be used for remote monitoring and early warning of heart diseases.
Key words : ECG;wearable;ADS1293;Bluetooth 4.0;low power consumption

0 引言

    隨著我國(guó)人口老齡化的加劇,心臟疾病發(fā)病率、死亡率日益上升,心臟疾病具有突發(fā)性和一過(guò)性等特點(diǎn),導(dǎo)致許多心臟疾病患者由于發(fā)病后無(wú)法得到及時(shí)有效的治療而加劇了病情甚至付出生命代價(jià)[1-2]。傳統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備,如醫(yī)院常用的大型監(jiān)護(hù)設(shè)備和Holter機(jī)等,由于存在便攜性或?qū)崟r(shí)性不足等缺陷,往往難以長(zhǎng)期實(shí)時(shí)的監(jiān)護(hù)患者日常生活中的心臟健康狀況。而具有便攜輕便、長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)的穿戴式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備逐漸成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)[3]。

    穿戴式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備用于隨時(shí)隨地監(jiān)護(hù)人們的心臟狀況,因此需要具備輕便小巧、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、穿戴舒適、可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)等特性。目前,現(xiàn)有的穿戴式心電監(jiān)測(cè)設(shè)備形態(tài)上大致可分為手環(huán)手表(Apple Watch、小米手環(huán)、Fitbit手環(huán)等)、胸帶腰帶(Geonaute、HRM2心率帶等)和背心襯衫(生命衫、智慧衫、MIThril等)以及黏貼式單導(dǎo)聯(lián)(泰控心儀、邁瑞Mr.wear等)心電監(jiān)測(cè)儀等產(chǎn)品[4-5]。但手環(huán)手表等光學(xué)檢測(cè)設(shè)備往往存在因光線和膚色影響準(zhǔn)確性和電池續(xù)航時(shí)間短等問(wèn)題;而黏貼式單導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)測(cè)儀由于可監(jiān)測(cè)的特征參量較少,因此在需要監(jiān)測(cè)多特征參量的醫(yī)學(xué)應(yīng)用當(dāng)中受到一定的限制;對(duì)于胸帶腰帶和背心襯衫等心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品,在檢測(cè)穩(wěn)定性和導(dǎo)聯(lián)數(shù)目上具有一定的優(yōu)勢(shì),但往往存在穿戴舒適性問(wèn)題,以及在不同使用環(huán)境和日?;顒?dòng)下信號(hào)檢測(cè)的精確性問(wèn)題[6-10]。因此,穿戴式心電檢測(cè)裝置如何降低低功耗、提高穿戴舒適性和信號(hào)深度分析的精準(zhǔn)性,以及可在不同日?;顒?dòng)下(如靜息、慢走、跑步等)均能穩(wěn)定精確地采集信號(hào)等特性,是目前我們需要解決的問(wèn)題和研究的重點(diǎn)。本文在以前研究的基礎(chǔ)上,基于低功耗集成模擬前端和藍(lán)牙低功耗(Bluetooth Low Energy,BLE)無(wú)線通信技術(shù),設(shè)計(jì)了一套可用于心電監(jiān)護(hù)的可穿戴式心電背心,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試在靜息、行走和慢跑狀態(tài)下均可穩(wěn)定采集數(shù)據(jù),且具有較好的心電信號(hào)特征,降低了系統(tǒng)功耗和設(shè)備的幾何尺寸,并提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)的穩(wěn)定性與精確性。

1 穿戴式心電檢測(cè)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    穿戴式心電檢測(cè)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括集成模擬前端ADS1293心電采集電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)以及電源管理電路設(shè)計(jì)三大部分。裝置形態(tài)采用背心服飾與心電設(shè)備相結(jié)合的方式采集人體心電信號(hào),系統(tǒng)硬件基于集成模擬前端ADS1293進(jìn)行信號(hào)調(diào)理與模數(shù)轉(zhuǎn)換,通過(guò)低功耗MCU控制器與BLE藍(lán)牙4.0無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)傳輸,電源管理模塊為各模塊供電并進(jìn)行功耗管理。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和Matlab GUI的波形顯示與分析,從而實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集與心率值的實(shí)時(shí)計(jì)算。設(shè)備整體幾何尺寸大小為5.4 cm×3.5 cm,系統(tǒng)硬件整體框圖如圖1所示,心電模塊大小與穿戴式心電背心如圖2所示。

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2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 集成模擬前端心電采集電路設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)基于TI德州儀器半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的心電集成模擬前端芯片ADS1293進(jìn)行設(shè)計(jì)。ADS1293可同步輸出3通道24位高分辨率的數(shù)字心電圖,不用經(jīng)過(guò)二次放大即可滿足心電信號(hào)采集時(shí)分辨率的要求,以及每通道0.3 mW的低功耗性能和高度集成的特性,可大幅縮小板級(jí)空間和降低系統(tǒng)采集部分的功耗,極大的豐富了心電采集設(shè)備的性能[11]。相比于單導(dǎo)聯(lián)穿戴式心電采集系統(tǒng)特征參數(shù)少、采集信號(hào)可信度低的不足,以及8導(dǎo)聯(lián)和12導(dǎo)聯(lián)采集系統(tǒng)線材冗雜、穿戴不適等問(wèn)題。本設(shè)計(jì)選擇的三導(dǎo)聯(lián)心電采集系統(tǒng)方案如圖3所示。

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    三導(dǎo)聯(lián)心電采集系統(tǒng)一共需要4個(gè)差分信號(hào)輸入端口,分別連接至人體的右臂(RA)、左臂(LA)、右腿(RL)、左腿(LL);本設(shè)計(jì)中RA、LA、LL、RL分別接到差分輸入引腳IN1~IN4;通過(guò)ADS1293內(nèi)部集成的導(dǎo)聯(lián)路由電路將IN2引腳同時(shí)接至儀表放大器通道1與通道2的反相輸入端,IN1與IN3分別接至儀表放大器通道1與通道2的正相輸入端,通過(guò)將右腿(RL)連接至輸出引腳IN4,儀表放大器的高輸入阻抗、低輸出阻抗特性可有效的抵消耦合進(jìn)來(lái)的共模干擾,為了進(jìn)一步消除輸電線供電噪聲,右腿驅(qū)動(dòng)電路(RLD)將輸入引腳IN1~IN3的信號(hào)經(jīng)過(guò)共模檢測(cè)器和輸出引腳IN4反向輸出駁回到患者軀體,只需少許微電流即可實(shí)現(xiàn)顯著的CMRR改進(jìn),從而進(jìn)一步的抑制噪聲干擾。然后模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)三個(gè)24位高分辨率Σ-Δ ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行同步采樣,Σ-Δ ADC采用過(guò)采樣技術(shù)與抽取濾波器濾波技術(shù),可將心電信號(hào)中的低頻噪聲轉(zhuǎn)移到高頻段,經(jīng)過(guò)三級(jí)5階Sinc濾波器進(jìn)行濾取,從而進(jìn)一步降低了輸出信號(hào)中夾雜的噪聲[12]。

    ADS1293通過(guò)寄存器的配置能夠?qū)γ總€(gè)通道設(shè)置特定的采樣率和帶寬,從而使得用戶能夠針對(duì)性能和功耗來(lái)優(yōu)化配置。從而保證了不同場(chǎng)合采集裝置配置時(shí)的靈活性和低功耗特性。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的采樣率為200 Hz,帶寬為40 Hz,最小分辨率為0.16 μV,經(jīng)過(guò)Σ-Δ ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出高分辨率的數(shù)字采樣信號(hào),然后通過(guò)數(shù)字控制器電路部分的SPI接口與外部MCU連接,可以將數(shù)字心電信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送給外部MCU控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,然后通過(guò)BLE藍(lán)牙模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸。能夠很好的滿足穿戴式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備對(duì)于信號(hào)可靠性和便攜性以及低功耗的需求。

2.2 系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)功耗問(wèn)題與電池續(xù)航能力一直是制約穿戴式設(shè)備發(fā)展的一大瓶頸。本系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)主要通過(guò)低功耗集成芯片與電源管理模塊進(jìn)行功耗管理,從而達(dá)到降低功耗、提升系統(tǒng)的續(xù)航能力。MCU控制器選擇具有超低功耗鐵電存儲(chǔ)器系列的MSP430FR5739,該型號(hào)單片機(jī)接口豐富,且采用非易失性超低功率鐵電存儲(chǔ)FRAM技術(shù),支持快速與低功耗讀寫(xiě)。BLE低功耗藍(lán)牙模塊采用無(wú)線收發(fā)集成芯片CC2541進(jìn)行開(kāi)發(fā),支持藍(lán)牙4.0協(xié)議和UART接口以及SPP藍(lán)牙串口協(xié)議,具有低成本、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點(diǎn)[13]。休眠時(shí)的消耗電流為90 μA,工作狀態(tài)指示燈關(guān)閉時(shí)的消耗電流為1.6 mA,本設(shè)計(jì)可通過(guò)電源管理模塊進(jìn)一步控制藍(lán)牙低功耗模塊電源的開(kāi)斷,從而進(jìn)一步的降低無(wú)線傳輸模塊的功耗。

2.3 電源管理電路設(shè)計(jì)

    電源管理模塊采用低壓差線性穩(wěn)壓電源(Low Dropout Regulator,LDO)芯片S-1721A3030進(jìn)行設(shè)計(jì),選擇3.7 V鋰電池進(jìn)行供電,相比于DC-DC開(kāi)關(guān)電源的輸出紋波與開(kāi)關(guān)噪聲較大的不足,該款芯片具備低壓差、高精度輸出電壓、低消耗電流、高紋波抑制率的特點(diǎn)。為消除各模塊電源之間互相影響,本設(shè)計(jì)采用多路LDO分別進(jìn)行供電,可以穩(wěn)定輸出兩路150 mA 3.0 V的輸出電壓,分別為各模塊進(jìn)行供電,從而增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性,休眠時(shí)消耗電流低至0.1 μA且可以通過(guò)邏輯控制輸出電壓的開(kāi)斷,從而可靈活管理各模塊的功耗,將進(jìn)一步有效提升電池的續(xù)航能力。芯片采用超小型SNT-6A封裝,結(jié)合單鍵開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì),長(zhǎng)按與短按即可控制設(shè)備的開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài),進(jìn)而縮減電源模塊的板級(jí)空間??紤]到穿戴式心電模塊可持續(xù)使用的要求,采用TI公司生產(chǎn)的充電芯片BQ24202對(duì)鋰電池進(jìn)行充電管理,增強(qiáng)了電池續(xù)航的可持續(xù)性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    心電采集通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn),如圖4所示為MSP430FR5739單片機(jī)軟件程序流程圖,在主程序中通過(guò)開(kāi)關(guān)機(jī)判斷、BLE藍(lán)牙配置、ADS1293配置等一系列初始化工作過(guò)后,等待ADS1293數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后DRDYB引腳產(chǎn)生電平跳變,觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷引腳,然后單片機(jī)通過(guò)SPI接口讀取ADS1293轉(zhuǎn)換后的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存,通過(guò)UART發(fā)送到BLE藍(lán)牙串口模塊,BLE藍(lán)牙串口模塊將心電數(shù)據(jù)發(fā)送到主藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)接收,從而完成三導(dǎo)聯(lián)心電采集系統(tǒng)的的數(shù)據(jù)采集與無(wú)線發(fā)送功能。 

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4 系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試

    系統(tǒng)基本參數(shù)測(cè)試主要參照標(biāo)準(zhǔn)YY0885-2013醫(yī)用電氣設(shè)備第2部分對(duì)動(dòng)態(tài)心電圖系統(tǒng)安全和基本性能要求進(jìn)行對(duì)比,具體要求與測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1測(cè)試結(jié)果表明該穿戴式心電檢測(cè)裝置的性能參數(shù)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)YY0885-2013中提到的相關(guān)技術(shù)要求,可以滿足醫(yī)療機(jī)構(gòu)對(duì)心電監(jiān)護(hù)設(shè)備的硬件技術(shù)需求。

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    功耗測(cè)試主要通過(guò)在3.0 V的工作電壓下,測(cè)試流經(jīng)每個(gè)模塊的電流和查閱芯片手冊(cè)進(jìn)而確定每個(gè)模塊的功耗,具體測(cè)試結(jié)果如表2所示。測(cè)試結(jié)果可知穿戴式心電檢測(cè)裝置在連續(xù)工作狀態(tài)下的總消耗電流約為2.15 mA,在容量600 mAh的鋰電池供電下可連續(xù)工作約11天左右,休眠待機(jī)狀態(tài)下的總消耗電流約為0.172 mA,可持續(xù)續(xù)航145天左右。通過(guò)電源管理模塊可進(jìn)一步地控制功耗,從而提高穿戴式心電檢測(cè)裝置的電池續(xù)航能力。

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    通過(guò)Fluke ProSim 8生命體征模擬器產(chǎn)生六種不同頻率與波幅的標(biāo)準(zhǔn)心電信號(hào)和帶有噪聲的心電信號(hào),然后通過(guò)穿戴式心電檢測(cè)裝置進(jìn)行多次信號(hào)采集,并進(jìn)行心率與波幅對(duì)比,分別截取1 500采樣點(diǎn)心電數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示如圖5所示,通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知穿戴式心電檢測(cè)裝置信號(hào)采集的精確性很高,對(duì)不同類型的心電信號(hào)具有較強(qiáng)的敏感性與特異性。

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4.2 不同活動(dòng)狀態(tài)下的心電監(jiān)護(hù)測(cè)試

    基本日?;顒?dòng)下的心電監(jiān)護(hù)測(cè)試主要通過(guò)健康志愿者穿戴上心電背心在靜息、慢走和跑步運(yùn)動(dòng)三種日?;净顒?dòng)下采集志愿者的原始心電數(shù)據(jù),從而測(cè)試三種不同狀態(tài)下心電背心采集原始心電信號(hào)的有效性[14]。圖6為截取三種不同狀態(tài)下1500個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行原始波形顯示,圖7為三種不同狀態(tài)下功率譜比較后的結(jié)果顯示。對(duì)比圖6與圖7的原始心電波形與功率譜分析可以看出,三種不同狀態(tài)下測(cè)得的原始心電波形均具有很強(qiáng)QRS波和P波信號(hào)特征,在功率譜上也具有較強(qiáng)的特異性,且均帶有不同程度的基線漂移干擾,可通過(guò)高通濾波進(jìn)行濾除。由圖6對(duì)比靜息與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)心電波形可知,在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下主要噪聲為呼吸干擾與肌電干擾。分析圖7頻率譜可知信號(hào)頻譜集中在0.5~35 Hz低頻段,對(duì)50 Hz工頻干擾和肌電干擾均具有很強(qiáng)的抑制能力,隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增大,心電波形中的T波與P波變得尖銳,頻譜圖的幅度也隨之降低,由于低頻呼吸噪聲與高頻肌電噪聲頻率的引入,頻譜分布也愈發(fā)分散和尖銳,對(duì)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)表現(xiàn)出較強(qiáng)的特異性。因此,通過(guò)后期數(shù)據(jù)處理與分析可用于不同日?;顒?dòng)狀態(tài)下的心電監(jiān)護(hù)以及疾病愈前與愈后的運(yùn)動(dòng)康復(fù)指導(dǎo)與評(píng)估。

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4 結(jié)論

    通過(guò)對(duì)穿戴式健康檢測(cè)設(shè)備的信號(hào)精確性、低功耗與系統(tǒng)集成以及不同活動(dòng)狀態(tài)下穩(wěn)定性的研究,設(shè)計(jì)了一款基于ADS1293的穿戴式心電檢測(cè)裝置,采用集成模擬前端ADS1293和BLE藍(lán)牙低功耗無(wú)線模塊進(jìn)行心電信號(hào)的采集與傳輸,結(jié)合低功耗MCU與電源管理模塊,從而可有效降低系統(tǒng)功耗,然后通過(guò)MATLAB GUI進(jìn)行顯示分析,采用集成芯片進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)可有效降低設(shè)備體積與運(yùn)行功耗。通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試與不同活動(dòng)狀態(tài)下的心電監(jiān)護(hù)測(cè)試,測(cè)試驗(yàn)證該裝置體積小、功耗低、信號(hào)采集可靠性與準(zhǔn)確性高,可滿足患者日常生活中不同活動(dòng)狀態(tài)下的監(jiān)護(hù)需求,可在靜息、行走和慢跑狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間準(zhǔn)確地采集心電信號(hào),具有較高的可靠性、準(zhǔn)確性和穿戴舒適性,可用于心臟康復(fù)等慢病監(jiān)護(hù)以及心臟疾病的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)與早期預(yù)警。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

李承煒1,韓俊南2,杜  欣1,王凱曦1,黃義成1,林飛熊1,鐘偉國(guó)1,

劉  亞1,吳效明1,寧玉萍3,陳  軍4,吳  凱1,4

(1.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系,廣東 廣州510006;

2.廣州雙悠生物科技有限責(zé)任公司,廣東 廣州510670;

3.廣州市惠愛(ài)醫(yī)院(廣州醫(yī)科大學(xué)附屬腦科醫(yī)院)精神科,廣東 廣州510370;

4.廣東省醫(yī)療器械研究所國(guó)家醫(yī)療保健器具工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州510500)

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