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(jì)方案，該方案利用ZigBee技術(shù)將若干可穿戴心電檢測(cè)終端根據(jù)需求構(gòu)建相應(yīng)結(jié)構(gòu)的無(wú)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(chǔ)、顯示等一系列信息化管理功能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由心電監(jiān)測(cè)芯片BMD101、STC微處理器和CC2530無(wú)線收發(fā)模塊等構(gòu)成。設(shè)計(jì)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(jì)大賽三等獎(jiǎng)。
關(guān)鍵詞： 可穿戴；心電監(jiān)測(cè)；ZigBee；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；BMD101
0 引言
心電圖檢測(cè)監(jiān)護(hù)儀是臨床診斷、監(jiān)測(cè)心血管疾病的動(dòng)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(lái)越重要的作用。但常規(guī)心電監(jiān)護(hù)儀需要病患靜臥測(cè)量，受時(shí)間、醫(yī)療場(chǎng)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(diǎn)。同時(shí)常規(guī)監(jiān)護(hù)儀存在價(jià)格昂貴、體型笨重、不易移動(dòng)的不足，無(wú)法滿(mǎn)足患者長(zhǎng)期實(shí)時(shí)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(wú)線通信技術(shù)方案被提出[4-9]，但普遍不能滿(mǎn)足可穿戴的要求。相關(guān)信息顯示，到2017年，世界上將會(huì)出現(xiàn)6.4億個(gè)可穿戴設(shè)備，它們主要用來(lái)監(jiān)測(cè)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(cè)設(shè)備、睡眠監(jiān)測(cè)設(shè)備、心臟狀況監(jiān)測(cè)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(zhuān)用心電芯片BMD101的可穿戴心電圖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理與報(bào)警等數(shù)據(jù)管理信息化新形勢(shì)下醫(yī)療護(hù)理的需求。
1 心電芯片BMD101
BMD101是美國(guó)NeuroSky推出的第三代生物信號(hào)檢測(cè)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(guò)圖1（b）所示的UART實(shí)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(gè)檢測(cè)感應(yīng)器脫落的檢測(cè)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(hào)，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(guò)截止頻率為100 Hz的低頻濾波器濾波后，通過(guò)UART輸出。
BMD101數(shù)據(jù)包輸出格式則采用ThinkGear Packets類(lèi)型，如圖2（a）所示[10]：數(shù)據(jù)包的報(bào)頭由兩個(gè)同步幀和一個(gè)告知有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的字節(jié)構(gòu)成；緊接著發(fā)送實(shí)際數(shù)據(jù)代碼；最后發(fā)送有效數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和。其中有效數(shù)據(jù)內(nèi)部也按照一定的格式定義來(lái)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(gè)用以指示擴(kuò)展碼等級(jí)的擴(kuò)展碼（EXCODE）開(kāi)始，擴(kuò)展碼等級(jí)則用以說(shuō)明后續(xù)的代碼所屬的數(shù)據(jù)類(lèi)型。緊接著是數(shù)據(jù)的代碼和數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度信息，最后發(fā)送代碼對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值。
對(duì)心電信號(hào)的解釋流程偽代碼如下：
（1）讀取等待同步幀字節(jié)（0xAA）；
（2）讀取下一個(gè)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(zhǎng)度字節(jié)[PLENGTH]；
（4）讀取有效數(shù)據(jù)并進(jìn)行校驗(yàn)和運(yùn)算；
（5）將校驗(yàn)和累加器低位字節(jié)取反；
（6）對(duì)比數(shù)據(jù)的校驗(yàn)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(jì)擴(kuò)展代碼[EXCODE]（0x55）的個(gè)數(shù)；
②解釋當(dāng)前數(shù)據(jù)流代碼[CODE]；
③如果可能，解釋當(dāng)前數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度；
④基于前面的擴(kuò)展碼及長(zhǎng)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(méi)有解釋完畢，回到步驟①繼續(xù)。
簡(jiǎn)言之，BMD101的核心是一個(gè)功能強(qiáng)大的系統(tǒng)管理單元。它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的配置、運(yùn)行管理、內(nèi)外通信、專(zhuān)有算法計(jì)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(jì)
2.1 系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)
頂層設(shè)計(jì)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(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建成無(wú)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(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、顯示、回調(diào)與報(bào)警等一系列信息化管理功能。
2.2 心電監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
節(jié)點(diǎn)電路方案如圖4所示。心電監(jiān)測(cè)模塊選用神念公司的BMD101專(zhuān)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(wú)線模塊完成組網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信；節(jié)點(diǎn)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(tái)由ZigBee CC2530無(wú)線模塊、計(jì)算機(jī)及監(jiān)控軟件組成。
可穿戴節(jié)點(diǎn)原理圖及實(shí)物如圖5所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括STC微處理器系統(tǒng)、CC2530節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)、CC2530協(xié)調(diào)器系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)上電啟動(dòng)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(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)接管數(shù)據(jù)并保存以及按照用戶(hù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖8為本系統(tǒng)采集的一組心電圖數(shù)據(jù)。通過(guò)比較分析可以得知，所測(cè)數(shù)據(jù)可以完整地顯示心電圖波形，基本功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。與正常心電圖比較，各個(gè)波形的時(shí)間和幅度基本在典型值范圍內(nèi)。誤差主要來(lái)自電極導(dǎo)線與皮膚之間的接觸干擾。所測(cè)數(shù)據(jù)與醫(yī)用動(dòng)態(tài)心電儀測(cè)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(shí)現(xiàn)可穿戴心電圖監(jiān)控功能。由于其充分利用了ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，系統(tǒng)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：（1）可穿戴：延伸了監(jiān)測(cè)對(duì)象的活動(dòng)范圍；（2）可實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別：由于每個(gè)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(chǔ)和交流于一體，實(shí)現(xiàn)管理信息化，利用監(jiān)控平臺(tái)可以提高應(yīng)急響應(yīng)的速度和效率；（4）網(wǎng)絡(luò)化：通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可將所有的心電傳感節(jié)點(diǎn)根據(jù)需要構(gòu)建相應(yīng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)；（5）相對(duì)與現(xiàn)有的心電圖測(cè)試監(jiān)控儀器設(shè)備，該系統(tǒng)成本低。
此外，由于個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)采集、訓(xùn)練以及優(yōu)化的過(guò)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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