基于无线网络的心电信号系统采集电路的设计

高 丽，周笑丽

（西安工业大学 电信学院，陕西 西安 710032）

心脏病具有突发性强、发病危险性高的特点，是威胁人类生命的最严重疾病之一，其发病死亡率在美国、日本和欧洲等国家居第1位，在我国居第3位[1]。心电图（Electrocardiogram，ECG）是心脏病病理研究、治疗和诊断的主要依据，因此实施的心电监护系统对预防和救治此类疾病具有十分重要的意义。

目前国内对无线便携式心电监护仪的开发处于起步阶段，因此市场上仅仅是存在便携式心电监护仪，并没有得到很好的普及。大量资料显示心电监护仪一般是通过DSP,ARM,FPGA以及单片机的方法来实现的，如美国的HeartFAX系统、瑞典的Caliber Trigger Monitor系统、北京世纪今科的蓝牙PDA型心电监护系统[2]等。这些方法各有千秋，适当地解决了某一方面的问题，但往往存在着功耗大，成本高，携带不便等缺陷。文中所研究项目的适用对象是亚健康人群以及特殊行业工作人员,例如运动员、矿井下的工人等，目的是粗略检查出被检测人员的身体状况是否出现异常，只有检测出异常才能进一步了解具体情况。因此，低功耗的无线心电信号采集系统的研究与设计有重大而深远的意义。

1 系统设计概述

基于无线网络的心电监护系统示意图如图1所示。它主要包括两部分:心电监护终端和医院监护中心。患者随身携带的监护终端由它上面的无线模块通过外界网络（internet）与监护中心服务器相连接。监护终端采集并处理患者的心电信号,所得到的心电数据通过该链路传输到监护中心服务器上,并由服务器上的心电分析软件进行分析,医生则根据软件分析结果及自己的判断来给患者适当的医嘱,必要时采取相应的救治措施。

图1 系统示意图FIg.1 System diagram

2 系统终端硬件设计

系统终端硬件设计如图2所示，它是由数据采集与调理电路、MCU微控制器、zigbee通信模块及电源模块这几部分构成。

图2 系统终端硬件设计框图Fig.2 Hardware design diagram of the terminal system

2.1 心电信号采集模块

人体心电信号的频率[3]主要集中在 0.05～100 Hz，幅度为10 μV～4 mV（典型值为 1 mV），是一种低频率的微弱双极性信号。在采集心电信号时，易受到仪器、人体活动等因素的影响，而且还常伴有干扰。其主要干扰首先是基线漂移，一般是由人体呼吸和心肌兴奋所引起的，频率低于1 Hz；其次是肌电干扰，是由肌肉兴奋和收缩所致，其频率范围在5 Hz～2 kHz之间；再次是工频干扰，其固定频率[4]是50 Hz。另外，心电信号具有近场检测的特点，离开人体微小的距离，就基本上检测不到信号。针对以上心电信号的特点，调理电路的示意图如图3所示。

图3 调理电路示意图Fig.3 Diagram of signal regulate circuit

对信号调理电路的要求如下：1）信号放大是必须步骤，而且还应将信号放大到800～1 000倍，使其能够符合A/D输入端的要求；2）需尽可能地消除工频干扰的影响；3）要解决由于呼吸等原因引起的基线漂移的问题；4）需考虑电路的输入阻抗以及噪声的问题。

在这部分中心电导联方式是首先要解决的问题，目前广泛应用的是国际标准十二导联，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF、V1～V6。aVR、aVL、aVF、V1～V6 为单极导联，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联为双极导联，也称为标准导联，标准导联的特点是能比较广泛地反映出心脏的大概情况，如后壁心肌梗塞，心率失常等，在导联Ⅱ或者导联Ⅲ中可记录到清晰的波形改变。所以在此选择使用标准导联Ⅲ[5]。

由于人体皮肤是高阻抗，而心电信号比较微弱，且存在多种信号干扰，所以前置放大电路中的芯片选择显得尤为重要。根据心电信号的特点以及电极的提取方式，要求前置级必须满足以下条件：1）高输入阻抗；2）高共模抑制比CMRR；3）低噪声，低温漂；4）高安全性，以保证人体的绝对安全。这里采用的前置放大器是Analog Devices公司的AD620AN，其主要特点是：电源供应范围：+2.3～+18 V，高达 120 dB的共模抑制比，输入偏置 60 μV,温漂 0.6 μV，输入阻抗为 1012GΩ,AD620的增益是通过1脚和8脚之间的电阻RG来调节的,可达1～1 000倍。增益的计算公式为:

为避免AD620的静态工作点处于饱和状态，选择适宜的增益G=7。心电信号幅值属于毫伏级，为了能清晰得到心电信号，须将信号增大至V（伏）级，即增大1 000倍，所以主放大电路的增益须为143左右。

心电信号中常混有低频和直流干扰,其中,由于金属电极、导电介质和皮肤之间的化学反应而产生的直流偏压是主要干扰成分,因此设计了截止频率为0.05 Hz的二阶高通滤波器来滤除这部分干扰。相应地,高频干扰信号通过一个截止频率为100 Hz的二阶低通滤波器予以滤除。此外,采用由辅助运算放大器生成的共模电压使共模信号反相,经限流电阻回送至人体来抑制50 Hz工频干扰。反相共模信号通过右腿驱动电极回送至人体,这对50 Hz工频干扰而言是一种深度负反馈,因而可以有效加以抑制[7]。

心电信号经过一系列的放大和滤波之后所得到的信号大多还属于双极性信号，这些信号最终是要经过芯片CC2431将其进行A/D转换以及其他的信号处理方式通过PC机将其显示出来，而CC2431芯片的供电电压为3.3 V，因而主放大电路后须加上电压匹配电路。

2.2 MCU微控制器模块

ATmel128L、MSP430等是比较常见常用的处理器，如若选择它们，则需要再购置Freescale公司的MC13192/MC13193类似的无线收发器以及与I公司的CC2420芯片功能相同的无线通信芯片，才能使整个系统正常运行，这无形中就增加了系统成本，且从低功耗、体积小等角度考虑也不符合设计的初衷，而如果选择的片内部集成了RF无线收发功能的处理器，比如片上系统CC2430、CC2431以及EM250等，则这些问题都迎刃而解。此设计选择芯片CC2431来处理心电信号的数据分析。

CC2431是TI公司推出的带硬件定位引擎的片上系统（SoC）解决方案，内部集成了射频收发器、工业标准增强型8051MCU内核、128 kB的Flash ROM和8 kB的RAM，具有8路输入的8－14位的ADC和强大的DMA等功能，并内置了ZigBee协议栈[8]，易于建立低成本的Zigbee网络，具有一定的市场竞争力。CC2431芯片采用0.18 μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430/CC2431的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

2.3 无线通信模块

对于此系统而言，采用ZigBee技术相当便捷。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

ZigBee协议栈由一系列分层结构组成,每一层为上一层提供服务[9]。数据实体提供数据传输服务,管理实体提供其他功能服务。每种服务实体通过服务接入点(SAP)为上层提供接口。基于ZigBee网络软件分层结构如图4所示。

图4 Zigbee体系结构模型Fig.4 Structure model of ZigBee system

2.4 软件设计

系统的软件设计主要包括单片机底层软件和医院管理中心上位机监护软件。单片机底层软件设计使用的是IAR Embedded Workbench（EW8051）集成开发环境，并利用 TI提供的带有操作系统的免费ZigBee2006协议栈组成强大的网络。上位机软件采用C++面向对象语言编写，内含串口驱动程序，通过串口和ZigBee中心节点连接，负责接收并显示所采集的数据，控制中心对患者的心电数据可实时监控。软件流程图如图5所示。

图5 系统软件流程图Fig.5 System software flow chart

2.5 电源模块

心电信号调理电路主要是由3种放大器来完成：AD620，TLC2254，CC2431。而它们的工作电压又各不相同，如表1所示，须挑选一种芯片来完成各个电压间的转换，使系统能正常工作。芯片AD620AN和TLC2254需要-5 V的电压供电，因而需要将+5 V的电压转换到-5 V，这里采用的芯片是ICL7660；处理器需要+3.3 V的工作电压，将+5 V的电压转化为+3.3 V的电压，这里采用的是芯片LM1117。

表1 电源管理Tab.1 Power supply manage

3 电路性能检验

通过心电信号频率特性分析，在整个频段用正弦波输入，在电路输出端测得输出信号，整个频段信号的放大线性度较好。运用Multisim等相关仿真软件对电路进行检测，放大以及滤波效果均为良好，证明此前端电路设计合理。所测瞬态电流数值在6.5 mA左右，基本符合低功耗的初衷。

4 结束语

ZigBee网络是低功耗、低成本、高可靠性的无线传感器网络，其在家庭监护应用中具有广阔的前景。文中介绍了一种基于ZigBee网络的心电信号监护系统，体积小便于携带，运用ZigBee无线网络方式使整个系统的成本大大地降低，并且无线网络的方式使病人的活动范围不必拘泥于病房之中。这个系统将其扩展之后可以应用于脉搏，血压，血氧饱和度等等多种人体生理信息的监护。

[1]王保华.心电技术面向未来--纪念心电图机发明100周年[J].中国医疗器械杂志，2003，27(6)：390-391.WANG Bao-hua.ECG technology for the future—The 100th anniversary of the invention of electrocardiogram machine[J].Chinese Journal of Medical Instrumentation，2003，27 （6）:390-391.

[2]周玮宁，施荣，沈边丰.基于蓝牙技术的无线医疗监护系统[J].现代电子技术，2004，27（l）:77-80.ZHOU Wei-ning SHI Rong，SHEN Lian-feng.The wireless medical telemetry system based on bluetooth[J].Modern Electronic Technique，2004，27（1）:77-80.

[3]李鑫.基于ARM、蓝牙通信的心电采集系统的设计[D].西安：西北工业大学，2007.

[4]高秉新.心电向量图图谱[M].北京：北京医科大学&中国协和医科大学联合出版社，1995.

[5]余学飞.现代医学电子仪器原理与设计[M].广州：华南理工大学出版社，2007.

[6]陈鎏.基于DSP的心电信号采集和系统分析[D].西安：西北工业大学，2007.

[7]吕英俊，杨雪.便携式医疗监护仪的研制[J].仪器仪表学报，2005，26（8）：484-486.LV Ying-jun，YANG Xue.Research of the portable medical monitor[J].Chinesse Journal of Scientific Instrument，2005，26（8）：484-486.

[8]Chipcon AS.SmartRF CC2430 Preliminary（rev.1.01）[EB/OL].（2005-09-15）.http://rocus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc2430.html.

[9]Zig Bee Alliance.Zig Bee specification[EB/OL].（2005-05）[2011-09-20].http://www.zigbee.org.