电子大赛作品欣赏：一种可穿戴心电监护系统设计方案

心电图检测监护仪是临床诊断、监测心血管疾病的动态心电图分析系统的重要组成设备[1]，在有效地预防、监护心脏疾病中发挥着越来越重要的作用。但常规心电监护仪需要病患静卧测量，受时间、医疗场所等限制，不能适应病患发病的突发性、间歇性、短暂性等特点。同时常规监护仪存在价格昂贵、体型笨重、不易移动的不足，无法满足患者长期实时监控、记录并分析的需要。为此，很多新型的便携式技术方案[2-3]与无线通信技术方案被提出[4-9]，但普遍不能满足可穿戴的要求。相关信息显示，到2017年，世界上将会出现6.4亿个可穿戴设备，它们主要用来监测人的身心健康。从可穿戴的健康追踪设备、放松冥想监测设备、睡眠监测设备、心脏状况监测设备到智能手表和眼镜，可穿戴产品具有广阔的发展空间。

本文提出一种基于专用心电芯片BMD101的可穿戴心电图监测系统的设计方案，以满足实时监护和数据的存储、处理与报警等数据管理信息化新形势下医疗护理的需求。

1 心电芯片BMD101

BMD101是美国NeuroSky推出的第三代生物信号检测和处理的SoC芯片，图1（a）所示为8脚封装。1脚为片选控制端，2脚为ECG模拟输入端正极，3脚为ECG模拟输入端负极，4、5脚为UART收发端，6脚为系统复位端，7、8脚为电源端。该芯片体积小，功耗低且采用干电极传感器。其与微处理器的接口电路通过图1（b）所示的UART实现，因此可以很便利地应用于可穿戴设备及便携式设备中。

BMD101模拟前端主要由低噪声放大器、ADC模数转换器以及一个检测感应器脱落的检测电路组成，具有极佳的消噪功能。可采集从?滋V到mV的生物信号，采样频率为512 Hz，模拟数字转换器采用16位精度。结果经过截止频率为100 Hz的低频滤波器滤波后，通过UART输出。

BMD101数据包输出格式则采用ThinkGear Packets类型，如图2（a）所示[10]：数据包的报头由两个同步帧和一个告知有效数据长度的字节构成；紧接着发送实际数据代码；最后发送有效数据的校验和。其中有效数据内部也按照一定的格式定义来确定所发送的数据性质及其具体表征内容及含义，如图2（b）和表1所示。有效数据以0或者多个用以指示扩展码等级的扩展码（EXCODE）开始，扩展码等级则用以说明后续的代码所属的数据类型。紧接着是数据的代码和数据的长度信息，最后发送代码对应的数据值。
　　
对心电信号的解释流程伪代码如下：
　　
（1）读取等待同步帧字节（0xAA）；
　　
（2）读取下一个字节并判断是否为同步帧字节（0xAA），如果不是回到步骤（1）；
　　
（3）读取数据长度字节[PLENGTH]；
　　
（4）读取有效数据并进行校验和运算；
　　
（5）将校验和累加器低位字节取反；
　　
（6）对比数据的校验和[CRC]，判定是否一致，不一致则返回步骤（1）；
　　
（7）进入数据解释循环，直至解释完成：
        ①解释并统计扩展代码[EXCODE]（0x55）的个数；
　　②解释当前数据流代码[CODE]；
　　③如果可能，解释当前数据的长度；
　　④基于前面的扩展码及长度等信息，解释和处理数据流的数据信息；
　　⑤如果数据流没有解释完毕，回到步骤①继续。
　　
简言之，BMD101的核心是一个功能强大的系统管理单元。它负责整个系统的配置、运行管理、内外通信、专有算法计算和电源管理，为可穿戴设备的应用提供了保障。

2 系统硬件设计
2.1 系统顶层设计

顶层设计如图3所示。利用ZigBee组网技术将协调器与可穿戴心电检测节点构建成无线传感器网络，协调器经COM串口或UART与由服务器主机连接，借助软件平台实现数据的采集、存储、显示、回调与报警等一系列信息化管理功能。
　　
2.2 心电监测节点设计

节点电路方案如图4所示。心电监测模块选用神念公司的BMD101专用心电芯片，STC微处理器模块负责数据收集，经由ZigBee CC2530无线模块完成组网和数据通信；节点采用锂电池供电，经LM1117电源模块为微处理器和CC2530提供稳定的电源输出。监控平台由ZigBee CC2530无线模块、计算机及监控软件组成。
　　
可穿戴节点原理图及实物如图5所示。

3 系统软件设计
　　
系统软件设计包括STC微处理器系统、CC2530节点系统、CC2530协调器系统和计算机上位机软件平台。整个系统上电启动就绪后，按照以下流程进行：STC微处理器负责接收心电芯片BMD101的心电数据并由SPI传输至CC2530；CC2530在接收到数据后，周期性地向协调器发送数据；协调器接收到数据后立即上传至计算机；计算机接管数据并保存以及按照用户指令执行相应操作。各子系统的流程图如图6、图7所示。

4 实验结果

图8为本系统采集的一组心电图数据。通过比较分析可以得知，所测数据可以完整地显示心电图波形，基本功能已经实现。与正常心电图比较，各个波形的时间和幅度基本在典型值范围内。误差主要来自电极导线与皮肤之间的接触干扰。所测数据与医用动态心电仪测得数据比较，差别在于波形的平滑度，还需后期的滤波算法等技术处理。　　

5 结论
　　
本系统方案能很好地实现可穿戴心电图监控功能。由于其充分利用了ZigBee无线通信技术，系统具有以下创新点：（1）可穿戴：延伸了监测对象的活动范围；（2）可实现身份识别：由于每个终端都具有唯一的ID，可与病患身份捆绑；（3）信息管理智能化：该系统可以更加方便有效地将信息的获取、处理、存储和交流于一体，实现管理信息化，利用监控平台可以提高应急响应的速度和效率；（4）网络化：通过ZigBee无线传感器网络技术可将所有的心电传感节点根据需要构建相应结构的网络；（5）相对与现有的心电图测试监控仪器设备，该系统成本低。
　　
此外，由于个人的生理体征都不一样，其相应心电图信息也不相同，需要一个数据采集、训练以及优化的过程，以确保数据分析与诊断的可靠性和可信度。这是投入应用前需要深入进行的工作。

【相关阅读】
 
QQ物联，腾讯持续发力可穿戴设备方案

精选2015年可穿戴十大热门方案

反射式光电心率传感器方案（可穿戴方向）