文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.08.019
中文引用格式： 凌振寶，李姝妍，張銘，等. 基于ZigBee技術(shù)的無導(dǎo)聯(lián)線動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(8)：66-69.
英文引用格式： Ling Zhenbao，Li Shuyan，Zhang Ming，et al. Design of wireless dynamic ECG monitoring device based on ZigBee technology[J].Application of Electronic Technique，2015，41(8)：66-69.
0 引言
心臟作為人體最重要的一個(gè)器官[1]，是人體血液循環(huán)的推進(jìn)劑，其重要性是不言而喻的。心電信號(hào)能從多角度、多層面對(duì)心臟的狀態(tài)信息進(jìn)行反映，因此心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于由心臟引起的諸類疾病的臨床診斷和治療具有非常突出的實(shí)用價(jià)值[2]。常規(guī)心電圖記錄時(shí)間短，對(duì)診斷有一定的局限性。動(dòng)態(tài)心電圖可以較全面地記錄心電信號(hào)的改變，發(fā)現(xiàn)心臟的各類異常情況，為臨床診斷和治療提供了重要依據(jù)[3]。
目前，醫(yī)療上使用的多為有導(dǎo)聯(lián)線的動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)裝置，這限制了患者的活動(dòng)范圍，存在較強(qiáng)的束縛感。同時(shí)，導(dǎo)聯(lián)線牽拉會(huì)扯動(dòng)電極導(dǎo)致心電圖記錄的間斷或者使基線發(fā)生變化，從而影響心電信號(hào)的質(zhì)量。動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已向無線方向發(fā)展，即利用無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)[4]。無線網(wǎng)絡(luò)與心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)合，使醫(yī)生能夠?qū)崟r(shí)得到心電數(shù)據(jù)，有利于對(duì)突發(fā)心臟病進(jìn)行即時(shí)的診斷和治療，從而挽救生命[5]。因此，研究一種無導(dǎo)聯(lián)線的動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)儀具有十分重要的意義。
1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要由心電信號(hào)采集與預(yù)處理、無線傳輸和上位機(jī)顯示三大部分組成，其中心電信號(hào)預(yù)處理部分包括主放大電路、高通濾波電路、50 Hz陷波電路、低通濾波電路、二次放大電路、右腿驅(qū)動(dòng)電路、加法器電路；無線傳輸部分包括ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和ZigBee主控節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
心電電極輸出的心電信號(hào)經(jīng)放大、濾波等預(yù)處理后，通過A/D前置驅(qū)動(dòng)電路使心電信號(hào)的幅值在A/D模塊工作電壓范圍之間，抬升后的心電信號(hào)在CC2530芯片內(nèi)置的14位A/D模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并存儲(chǔ)在相應(yīng)的寄存器內(nèi)，之后數(shù)據(jù)由ZigBee節(jié)點(diǎn)接收并將其發(fā)送至上位機(jī)。
2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 采集電極與預(yù)處理電路
目前，醫(yī)療上最常用的采集心電信號(hào)的電極為一次性無紡布電極片，使用這種電極片存在操作復(fù)雜、皮膚過敏和使用次數(shù)有限等問題。為此，本系統(tǒng)制作了以導(dǎo)電布為材料的電極。導(dǎo)電布具有極佳的導(dǎo)電性，用導(dǎo)電布制成的電極柔軟貼膚，在提高舒適度的同時(shí)解決了無紡布電極片的幾大缺點(diǎn)，十分適用于動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)。
心電信號(hào)的幅度范圍是5 μV～4 mV[6]，必須先對(duì)其進(jìn)行放大，采用兩級(jí)放大，總放大倍數(shù)為350倍。由于電極采集的心電信號(hào)中含有基線漂移、工頻干擾、高頻干擾等噪聲，所以在放大過程還需進(jìn)行濾波處理，濾除干擾，從而獲得較理想的心電信號(hào)。預(yù)處理電路如圖2所示。
2.2 主放大電路
系統(tǒng)采用兩級(jí)放大，主放大電路選用AD620芯片，它具有低輸入偏置電流、低噪聲、高精度及低功耗等特點(diǎn)[7]，特別適合ECG等醫(yī)療應(yīng)用。
其增益計(jì)算公式為：
由式(1)可知，電路的增益可以通過調(diào)節(jié)電阻Rg的大小來改變。AD620的增益調(diào)節(jié)范圍為1～1 000，由于降低主放大電路的增益可以達(dá)到減少共模干擾的目的，所以主放大電路的增益不應(yīng)過大，本設(shè)計(jì)中，Rg=8.25 kΩ，增益約為7。二級(jí)放大選用OP07放大器，放大倍數(shù)為50倍。
人體會(huì)受到電磁干擾，這種干擾會(huì)掩蓋生物信號(hào)，使得心電信號(hào)難以測(cè)量，因此，在電路中需要添加右腿驅(qū)動(dòng)電路來消除干擾噪聲。本質(zhì)上，右腿驅(qū)動(dòng)電路就是一個(gè)共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，起到一個(gè)快速放電的作用，可以有效衰減人體所帶的共模電壓。
2.3 濾波和50 Hz陷波電路
心電信號(hào)采集時(shí)，人的呼吸、肌電和輕微運(yùn)動(dòng)等都會(huì)產(chǎn)生干擾，這些干擾會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生基線漂移，為了降低基線漂移的影響，設(shè)計(jì)一個(gè)二階高通濾波器，從而實(shí)現(xiàn)基線校直，同時(shí)還可以降低極化電壓的干擾，二階高通濾波器的截止頻率設(shè)置為0.3 Hz。放大后的心電信號(hào)中還存在高頻干擾，為了濾除高頻干擾，選用具有輸出噪聲低、動(dòng)態(tài)特性好、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)的MAX275芯片進(jìn)行二階巴特沃斯低通濾波，其截止頻率約為130 Hz。
50 Hz的工頻干擾是由于工頻電磁場(chǎng)作用于測(cè)量裝置與人體之間的環(huán)路所致，對(duì)心電信號(hào)是一種干擾源，需要對(duì)其進(jìn)行濾除。本設(shè)計(jì)采用通用性較強(qiáng)的UAF42芯片來實(shí)現(xiàn)50 Hz陷波，其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、具有高精度頻率和Q值，解決了使用雙T帶阻濾波電路具有的問題[8]。因此，用UAF42芯片設(shè)計(jì)陷波器可以穩(wěn)定高效地實(shí)現(xiàn)50 Hz陷波，設(shè)計(jì)的陷波電路如圖3所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)通過串口與ZigBee接收模塊連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，利用MATLAB軟件編程，實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的接收并通過MATLAB圖形界面進(jìn)行心電信號(hào)波形的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)，同時(shí)進(jìn)行初步診斷及狀態(tài)提示。
3.1 數(shù)據(jù)采集與無線傳輸
ZigBee終端節(jié)點(diǎn)主要由CC2530芯片及外圍電路組成，實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換后的心電信號(hào)進(jìn)行無線發(fā)送。
CC2530芯片內(nèi)置的ADC模塊支持14位A/D轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)采用其ADC模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換即可。CC2530芯片的端口0引腳可用作ADC輸入，則設(shè)置P0.0引腳為ADC的單端輸入，同時(shí)對(duì)ADCCON3寄存器進(jìn)行配置來控制轉(zhuǎn)換通道、參考電壓和抽取率。使用ADC的端口0引腳作為ADC輸入端，同時(shí)必須將APCFG寄存器中的相應(yīng)位置1。將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的高位存儲(chǔ)在ADCH寄存器，低位存儲(chǔ)在ADCL寄存器中[9]。
ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間為：
由于ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間為0.2 ms，采樣頻率設(shè)置為500 Hz，則采樣時(shí)間間隔為2 ms，采樣時(shí)間足夠大不會(huì)影響ADC的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)上電后，ZigBee終端等待A/D轉(zhuǎn)換命令，接收到命令后啟動(dòng)定時(shí)器，每2 ms進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)送至ZigBee主控節(jié)點(diǎn)。發(fā)送程序流程圖如圖4所示。
ZigBee主控節(jié)點(diǎn)接收ZigBee終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行心電信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示。接收程序流程圖如圖5所示。
3.2 小波分析去噪
心電信號(hào)由多個(gè)波段組成,各波頻率不相同, 是一種非線性、非平穩(wěn)的微弱信號(hào),具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和隨機(jī)噪聲。肌電信號(hào)、50 Hz工頻干擾、高頻電磁場(chǎng)干擾等一系列的干擾信號(hào)都混在最初采集到的心電信號(hào)中，這些干擾會(huì)與心電信號(hào)產(chǎn)生混疊，使心電信號(hào)產(chǎn)生畸變導(dǎo)致心電信號(hào)波形的改變[10]。僅僅依靠硬件電路是不能夠完全濾除噪聲達(dá)到預(yù)期效果的，想要得到理想的波形，還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件方面的設(shè)計(jì)，采用小波分析的方法，利用MATLAB軟件對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行去噪。去噪軟件流程圖如圖6所示。
首先從接收到的數(shù)據(jù)中選擇一個(gè)導(dǎo)聯(lián)的數(shù)據(jù)，確定分解層次之后對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行小波分解；分解后，選擇一個(gè)閾值對(duì)各個(gè)分解尺度下的高頻系數(shù)進(jìn)行軟閾值量化處理；最后,根據(jù)各系數(shù)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行小波重構(gòu)。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
為驗(yàn)證本系統(tǒng)的實(shí)用性，選擇兩組測(cè)試者進(jìn)行試驗(yàn)，采用重復(fù)對(duì)比的方法，對(duì)同一個(gè)測(cè)量者在同一時(shí)期分別使用設(shè)計(jì)儀器（儀器編號(hào)為1）和Holter儀器（儀器編號(hào)為2），同時(shí)對(duì)二位測(cè)試者進(jìn)行動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)。
A為健康者，年齡24歲，心血管功能正常；B為心臟病患者，年齡49歲，心血管功能異常，病史2年以上。測(cè)試后，儀器給出自動(dòng)診斷結(jié)果，即平均心率、最快心率、最慢心律、總心搏數(shù)等參數(shù)，醫(yī)生根據(jù)兩個(gè)儀器的監(jiān)測(cè)記錄給出診斷結(jié)果，將兩者的診斷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。表1與表2為設(shè)計(jì)儀器與Holter儀器對(duì)測(cè)試者A、B的診斷結(jié)果對(duì)比，表3為儀器的自動(dòng)診斷結(jié)果相對(duì)誤差。
為測(cè)試本系統(tǒng)對(duì)干擾的靈敏度，測(cè)試過程中，兩組測(cè)試者均首先保持平躺狀態(tài)30 min，采集靜止時(shí)的心電信號(hào)；然后兩組測(cè)試者進(jìn)行30 min慢跑，采集運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的心電信號(hào)。測(cè)試結(jié)束后，分別提取靜止?fàn)顟B(tài)下和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的心電圖進(jìn)行分析和診斷，對(duì)比靜止?fàn)顟B(tài)下和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下儀器的相對(duì)誤差率。表4為測(cè)試者A、B在靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下儀器自動(dòng)診斷結(jié)果的相對(duì)誤差對(duì)比。
從上述結(jié)果可以看出，儀器準(zhǔn)確性較高，與Holter儀器的相對(duì)誤差均不大于5%；對(duì)于不同體質(zhì)人，即健康者和心臟病患者的測(cè)試結(jié)果誤差均在允許范圍內(nèi)；但對(duì)靜止和運(yùn)動(dòng)兩種狀態(tài)的測(cè)試結(jié)果誤差差距較大，表明儀器對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的低頻漂移有較高的靈敏度。
5 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的無導(dǎo)聯(lián)線動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)儀降低了被測(cè)者的不適感，在多種噪聲干擾中提取出了心電信號(hào)，通過軟件進(jìn)行優(yōu)化處理，最終得到有效、可靠的心電數(shù)據(jù)，具有很強(qiáng)的便攜性和實(shí)用性，同時(shí)具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作方便、顯示直觀等特點(diǎn)，既滿足了用戶實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)觀察心電圖形，又使得數(shù)據(jù)傳輸和復(fù)用更加方便。通過測(cè)試，儀器準(zhǔn)確性較高,相對(duì)誤差不大于5%，實(shí)現(xiàn)了無導(dǎo)聯(lián)線的動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)，滿足了患者在家中進(jìn)行心電監(jiān)護(hù)的要求，可以為患者就醫(yī)提供一定的依據(jù)，有一定的醫(yī)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
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