基于蓝牙的便携式心电监护仪的设计

赛客（厦门）医疗器械有限公司 黄艺聪

本文以蓝牙技术为基础，研究设计了一种便携式心电监护仪，可实时处理与储存心电信号，为患者提供动态心电变化情况，使用价值高，值得临床广泛推广运用。

便携式心电监护仪是一种新型设备，为心脏病患者提供了更多的便捷。传统心电监护仪中，通信线缆将各种硬件装置连接起来，并以串口电缆、互联网TCP/IP协议将数据传输到服务器上，在一定场合中这一系统具有较强的适用性，但是复杂的连线在一定程度上影响了患者的日常生活，导致这一诊断只能够在医院开展，在一定程度上影响了患者的康复。针对这一情况，设计一种低功耗、高效率的无线传输技术尤为必要，可使得患者不再受线路的制约，可自由行动。蓝牙技术具有组网灵活、微功率、抗干扰能力强等优势，是无线医疗设备系统构建的关键。

1 基于蓝牙的便携式心电监护仪的设计要求

鉴于便携性的要求，蓝牙便携式心电监护仪的设计需要考虑以下几个基本要求：

（1）电池供电。由于便携式心电仪为长时间随身携带的仪器，在患者随身携带时只能依靠电池供电。

（2）低功耗。因电池的供电量极为有限，因此系统设计要以低功耗为前提，保证系统的待机时间。

（3）数据存储。需要具备心电数据存储功能，存储时间不小于24h，且数据应可导出与查看。

（4）通讯接口。需要具备数据传输接口，使测量数据通过数据传输接口传输到电脑，实现心电波形的显示与回放。

2 硬件设计

2.1 系统硬件结构

系统硬件主要由心电模块、数据存储模块、供电模块、蓝牙BLE模块、MCU主控单元、报警模块以及上位机组成。系统硬件的总体框图如1所示。

2.2 心电模块

由于心电信号较为微弱，频率一般处于0.5～100Hz范围之间，幅值处于10μV～5mV范围之间，对此，需放大一千倍以上才能够对心电数据进行分析。因工频干扰等不良影响，会造成心电信号被噪声所掩盖，可使用仪表放大器实行差分放大，对共模干扰予以抑制，并适当地放大心电信号，同时可在电路中设计右腿驱动电路，强化整个电路抗工频50Hz干扰能力，并同人体、放大电路构建成闭合回路，维持心电放大电路能够正常运行。

图1 系统整体框图

传统心电信号放大电路，大多采用多级运算放大器的分立元件组成，硬件调试繁琐，信号易受干扰。本文采用全集成单导联心率监护（ECG）芯片AD8232设计。AD8232是一款用于ECG及其他生物电测量应用的集成信号调理模块，可以通过放大器来帮助获得PR和QT间隔的一个明确的信号；采用双极点高通滤波器来消除运动伪像和电极半电池电位，该滤波器与仪表放大器结构紧密耦合，可实现单级高增益及高通滤波；采用一个无使用约束运算放大器来创建一个三极点低通滤波器，消除了额外的噪声；内置一个放大器，用于右腿驱动(RLD)等受驱导联应用；包含一项快速恢复功能，可以减少高通滤波器原本较长的建立长尾现象。AD8232的电源供电为2～3.5V，典型工作电流为170uA，超低功耗。AD8232是单导联解决方案，它放大滤波处理一对两片电极的差分信号，使用第三个电极作为右腿驱动，来抑制共模干扰。AD8232电路原理图如图2所示。

图2 AD8232电路原理图

2.3 蓝牙BLE模块

蓝牙BLE模块采用DX-BT22，内置NRF52832射频芯片，支持蓝牙BLE 4.2和5.0，自带高性能ARM CORTEX-M4内核，并拥有UART、I2C、SPI、ADC、DMA、PWM等丰富的外设资源, 集成2.4GHz无线电收发器，在低功耗蓝牙模式下拥有-96dBm灵敏度，支持数据传输速率1Mbps和2Mbps，供电电压为1.7～3.6V, RX和TX(0dBm)的峰值电流仅为5.5mA，功耗非常低。蓝牙BLE模块使用串口与MCU主控单元通讯，MCU通过AT指令即可控制蓝牙模块的连接、断开、数据传输等功能。

2.4 数据存储模块

为了实时存储心电数据，采用Micro SD卡进行数据存储。Micro SD卡功能兼容SD卡和Mini SD卡，其尺寸更小，更适合小型化的产品。MCU主控单元使用SPI接口与Micro SD卡通讯，可读取或写入数据。Micro SD卡工作在SPI模式，其控制接口共有6个引脚，分别是GND、VCC、MISO、MOSI、SCK和CS。

2.5 MCU主控单元

MCU主控单元采用STM32F103RB，为高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器，丰富的增强10端口和联接到两条APB总线的外设，包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：I2C、SPI、UART、USB和CAN等，MCU供电电压范围2.0～3.6V。

心电模块的输出信号第10脚OUT，输入到MCU的12位ADC转换器的通道0，以1KHz采样率采样心电信号。心电模块的LO-和LO+分别接MCU的中断GPIO口，作为心电极贴脱落检测信号。

经过ADC转换后的心电数据再经过软件数字滤波后，实时保存到Micro SD中。若蓝牙与电脑处于连接状态，则心电数据通过串口发送到蓝牙模块，再传输到电脑端软件显示。

2.6 其他模块

系统供电模块采用18650锂电池供电，电池电压为3.7V，经过LDO稳压后提供3.3V输出给其他各个模块供电；同时，系统设置有源蜂鸣器作为声音报警系统，为了使蜂鸣器声音尽可能大，采用SS8050 NPN型三极管集电极对蜂鸣器驱动，当心电极贴脱落时给予提醒。

3 软件设计

系统软件包含MCU软件和上位机软件两部分。MCU软件包含系统初始化、心电数据采集和心电数据传输三部分内容。

3.1 MCU软件

使用C语言设计，使用IAR Embedded Workbench for ARM 6.4编译环境，C语言程序相对较为简单，移植性佳，可靠性高，成本投入低且系统维护较为便捷。

MCU使用串口与蓝牙模块通讯，调用STM32的串口初始化函数USART_Init()，设置波特率为115200，8位数据，1位停止位，无奇偶校验。

MCU使用SPI接口与SD卡通讯，调用STM32SPI初始化函数SPI_Init()，设置为SPI主设备模式。SD卡在SPI模式下的典型初始化过程如下：复位卡（CMD0）；激活卡（内部初始化并获取卡的类型）；查询OCR（获取供电情况）；是否使用CRC（CMD59）；设置读写块大小（CMD16）；读取CSD获取存储卡的其他信息（CMD9）；发送8个CLK后禁止片选。

心电信号属于低频微弱的信号，极易受到外界噪声信号干扰，因此在进行系统软件设计时，既要实现系统的基本功能，即对心电信号的采集、分析以及传输与显示，又需要考虑心电信号的典型特征，对心电信号数据进行软件部分的预处理等操作。

3.2 上位机软件

采用C#语言编程，Visual Studio 2013开发环境，使用windows 10自带的蓝牙BLE控件Windows.Devices.Bluetooth开发。软件运行流程为：搜索蓝牙设备，连接蓝牙设备，开启接收监听服务，接收蓝牙数据并绘制波形图，同时对数据进行存储以便于回放查看。对于心电波形，其实就是电压时间曲线V/t，把连续的电压数据点按时间顺序连成曲线即可。

结语：本文采用AD8232前端心电模块采集心电信号，通过蓝牙BLE传输，在电脑端显示心电图曲线。通过积极调试软硬件，确保软硬件能够采集、传输、处理和存储心电信号。不同于其他心电仪，这一便携式心电仪以蓝牙技术为基础，体积小、功耗低，可无限传输数据，使得患者能够对心电信号进行随时随地24h的动态监测，实用性较强。