A Design of ECG Signal Monitoring System Based on Intelligent Terminal

CHANG Feiba，YIN Jun，ZHANG Hehua，YAN Lexian，PENG Run

(Medical Engineering Department，Institute of Surgery Research，Daping hospital，The Third Military Medical University，Chongqing 400042，China)

A Design of ECG Signal Monitoring System Based on Intelligent Terminal

CHANG Feiba，YIN Jun*，ZHANG Hehua，YAN Lexian，PENG Run

(Medical Engineering Department，Institute of Surgery Research，Daping hospital，The Third Military Medical University，Chongqing 400042，China)

This article designed of human ECG monitoring system based on an intelligent terminal，through the monitoring system ECG can be real-time continuously detected.The system includes front-end ECG signal acquisition module and back-end ECG wireless transmitter module.The front-end ECG signal acquisition module to pretreatment ECG signal;the back-end ECG signal transmission module using Bluetooth wireless communication mode，in order to achieve short-distance wireless ECG data transmission and convenient with the PDA or Android smart phones and other handheld terminal communication，to ensure the guardian for the continuous real-time monitoring.

ECG;bluetooth;intelligent terminal;real-time monitoring

心血管疾病仍是人类致死率最高的疾病之一。心率变异性分析提供了一种新的非创伤性的，对自主神经系统活动情况进行评价的方法，在预防猝死和心率失常方面具有重要意义［1-2］。常规心电图不易捕捉一过性失常，而动态心电图(Holter)系统则成本昂贵，体积过大，重量偏高不适宜连续实时的长时间监测。

目前，基于智能终端的移动医疗技术已成为平时医疗健康监护研究的一个热点［3-5］。相对于传统的医疗设备系统，智能终端的移动医疗技术是一种低生理、心理负荷的生理信号采集及监护技术。同时，智能终端的移动医疗系统具有体积小、成本低、功耗小、携带方便等突出特点。当利用生理参数采集系统对人体生理信号的采集之后，及时准确的传输出去，让被监护的对象及时的掌握自己的病情状况，并且可以通过个人智能终端获得自己的一些生理参数，这样更加方便快捷的与监护人员进行交流和沟通。所以，就要求一些生理参数采集系统具有和个人智能终端相互数据传输功能。

在人体参数采集系统中无线通信标准有IEEE 802.15.1(Bluetooth)和IEEE820.15.4(ZigBee)、红外IrDA(Infrared)、医疗植入通信服务MICA(Medical Implant Communication Service)和超宽带UWB(Ultra Wideband)等［6］。但基于现有智能手机都具有蓝牙传输功能。同时，由于智能手机的计算和存储能力及普遍连接性的增强，对于人体参数的连续实时监测成为可能。并且智能手机不但可以像传统数据记录器一样记录病人信息，而且可以作为信息网关将采集到的信息发送出去，另外它集成的GPS追踪系统可以很快确定危险病人的位置［7］。所以选择蓝牙传输生理信号是设计人体生理信号采集系统的首选。基于蓝牙人体生理参数采集系统能够与移动电话、PDA等智能终端之间进行无线数据交换。所以利用蓝牙能够有效地简化生理参数采集系统与智能终端设备之间的通信，而且通过智能终端能够简化生理参数采集系统与因特网Internet之间的通信，从而采集的生理数据传输变得更加迅速高效，并且可以通过智能终端实时监测病人的生理状态［8］。

本文的一种基于智能终端的人体心电信号监护系统设计采用智能终端作为心电波形显示和数据处理的控制器平台，配以前端心电采集模块，组成心电采集与监护系统。该系统有体积小，功能性强，操作方便等特点，并且被监护者的日常生活行为不受监护的干扰，对现有采用PC机作为心电波形显示和数据处理的控制器的心电检测和监护系统，该系统具有体积小，易携带性;另外对于一些直接采用单片机做处理器的心电采集和监护系统，该系统的功能较为丰富，数据存储量大，使用方便。

1 人体心电信号监测系统的总体设计

一种基于智能终端的人体心电信号监护系统设计采用智能终端作为心电波形显示和数据处理的控制器平台，配以前端心电采集模块，组成心电采集与监护系统，其总体设计框图如图1所示。人体心电信号监护系统分为三大模块即前端心电采集模块、蓝牙发送模块和电源模块。心电信号采集模块主要是完成对心电信号的采集及预处理;然后微处理器对预处理的信号进行A/D采样及进一部处理并控制整个模块的工作，同时控制蓝牙模块将A/D采样之后的心电信号传至个人智能终端;电源模块采用可充电电池锂电池为整个系统供电。

图1 人体心电信号监测系统的总体设计框图

蓝牙是一种短距离低功耗的无线电信号传输标准。尽管在实际应用中其功耗已经很低，但是在工作时其天线发射所需要的功耗相对来说仍然较大。因此在小型便携式生理参数采集系统中为了保证小容量电池持续供电，需要考虑如何进一步降低功耗、延长电池的使用时间。所以，本无线通信模块采用了TI公司MSP430低功耗系列中MSP430F149微处理器以及蓝牙模块JBM-141。设计时充分利用了它们本身具有的各种低功耗运行方式来最大限度地降低系统功耗，以较小的硬件尺寸、较好的便携性和移动性来实现生理信号采集模块与智能终端之间的相互通信。在最大限度降低功耗的同时，而且要求对生理信号可以准确实时的传输，以便智能终端可以准时的收到传输的数据，以配合医疗监护人员决定监护治疗的方案。

2 监测系统各个设模块设计分析

2.1 人体心电信号采集模块

人体心电信号采集模块设计主要包括心电采集系统的导联方式选择与采集模块的电路设计，心电信号是人体电信号中典型的一种，生命电信号的本质是两点之间的电位差，将电极直接加于人体，并且按照一定规则，通过相应的导联方式和信号处理技术，将极其微弱心电信号处理后得到相应的直观且易于观察的信号。所以心电导联方式的选择与心电信号的采集是一种基于智能终端的人体心电信号监护系统设计的前提。

2.1.1 心电采集模块导联方式选择

一种基于智能终端的人体心电信号监护系统设计中心电采集的导联方式选择的是“单级心前导联”。该导联方式可以可靠、准确地识别每次心跳，且进行相应节律分析为主要目的，所以该导联方式常被用作监测系统。并且该导联方式中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联系统电极位置的配置以获得较大的R波为原则，它的典型方式在于只分析一个，或最多两个导联那么就可以获得较大的R波，所以本设计所采用的导联方式为“单级心前导联”，如图2所示。

图2 “单级心前导联”电极放置位置

“单级心前导联”电极放置位置距心脏较近，获得的心电波形幅度值较大，易于观察，方便诊断。单极胸导导联方式中导联电极与人体胸部的具体粘贴位置为V1～V6，即:V1为胸骨右缘第四肋间;V2为胸骨左缘第四肋间;V3为V2及V4之中点;V4为左锁骨中线与第五肋间相交点;V5为左腋前线与V4同一水平线相交处;V6为左腋中线与V4同一水平线相交处。

2.1.2 心电采集模块电路设计

由于人体心电信号是一种信噪比低的弱电信号，且一般正常的心电信号频率范围为0.05 Hz～100 Hz，但90%的心电信号频谱能量集中在0.25 Hz～35 Hz之间;同时心电信号的采集时会受到各种噪声源的干扰如工频干扰、电极接触噪声、肌电干扰(EMG)、基线漂移、仪器噪声等。所以，心电信号的检测、分析必须在建立在有效抑制各种干扰、检测出良好的心电信号的基础之上。其心电采集模块设计具体电路如图3所示。该电路主要包括心电信号的前置放大电路、二阶低通滤波电路、二阶高通滤波电路、陷波电路及后级放大电路。

图3 心电采集模块电路

首先针对心电信号是微弱信号，所以设计前置放大电路用来放大心电信号。由于心电测量中，皮肤和电极接触将引起极化电压，如果两个电极完全对称，则相应的极化电压的数值和相位相同，相当于直流共模干扰信号输入到前置放大器;环境中存在的工频干扰也是一种共模干扰。因而所选放大器一定要有很高的共模抑制比(CMRR)，共模抑制比高能很好地抑制干扰。所以前置放大器选择了高输入阻抗、低噪声和低温漂的AD620仪用放大器。其前置放大电路的增益计算如式(1)，其中RG=R103=6.8 kΩ。

由于心电信号属于低频信号，为了消除高频干扰，电路中设计了低通有源滤波器，该低通滤波器为二阶的低通有源滤波器，其高通截止频率为式(2)所示。

其中R401=R402=10 kΩ，C401=C402=0.1 μF，其高频截止频率约为159 Hz。

同时，为了滤除零点漂移产生的共模量，保持心电信号的基线处于水平位置。设计了高通滤波电路抑制心电信号的基线漂移。该高通滤波器为二阶高通有源滤波器，其低通截止频率为式(3)所示。

其中R405=R406=30 kΩ，C405=C406=47 μF，其低频截止频率约为0.112 Hz。高通滤波器与低通滤波器组合成一个频带较宽的带通滤波器，滤除各种高低频率干扰，确保有效的心电信号通过。

心电信号采集模块中的前置放大电路对50 Hz工频干扰有很强的抑制作用，但仅仅靠共模抑制是不够的，还需要设计专门的模拟带阻滤波器即陷波器来滤除。该陷波电路采用的是最典型的无源的双T网络加运算放大器，双T网络是由低通和高通滤波器并联组合成的二阶有源带阻滤波器。由于取R501=R502=2R503，C501=C502=C503/2，所以陷波频率为式(4)所示。

心电信号虽然在前置放大电路进行放大，但相对电平还是比较低，所以还需要通过后置放大电路进一步放大。为了抬高心电信号电位，尽可能满足采样量程不失真，设计了2.5 V参考基准电压电路。

2.2 人体心电信号发送模块

人体心电信号监护系统的蓝牙模块与微处理器采用蓝牙主机控制接口HCI(Host Controller Interface)与通用异步收发器(UART)连接，且该无线通信模块采用的蓝牙通信模块为JBM-141，JBM-141适用于各种近距离无线数据传输，采用UART/RS232接口，串口速率可调，可以实现点对点或点对多点的全透明数据传输。其外围具体电路如图4所示。

图4JBM-141外围电路

根据JBM-141外围电路可知，JBM-141引脚4是电池低压检测脚，利用发光二极管D3进行电压显示。R26、C34组成阻容复位电路，控制蓝牙模块的复位。引脚12、14是与单片机部分引脚相连，通过这两个引脚实现数据在单片机和JBM-141之间的发送和接收。同时，这两个引脚能与PC机串口相连，用于模块的参数设置，设置后的参数在复位或重新上电后生效。引脚35与外部天线相连，心电信号数据由此引脚发送给智能终端。

3 人体生理参数采集系统中蓝牙模块功能验证

为了验证所设计的人体心电监护系统的整体性能，我们采用了FLUKE公司生产的多参数模拟仪MPS450来模拟人体的心电信号，其模拟人体的心电信号波形如图5所示。这是一款能够模拟心电图、血压、呼吸、体温、脉搏、脑电图和心率失常等多种生理现象的模拟仪器，能够产生稳定的心理信号;同时，我们利用设计的心电监护系统来采集多参数模拟仪MSP45产生的心电信号，然后通过系统的无线传输模块来发送采集到的心电信号，最后利用Android智能终端上的应用程序接收监护系统发送的心电信号。

图5FLUKE多参数模拟仪及生成的心电信号

本文使用的Android智能终端是三星公司的Galaxy S，即GT-i9100。同时，本文采用Eclipse软件，作为Android的软件开发平台，这是一个基于java语言的开源开发平台，通过附带的java开发工具JDK(Java Development Kit)，对Android应用程序进行编写和设计。智能手机接收到的人体心电波形如图6所示。

图6 智能终端接收的心电信号

通过智能手机接收的心电信号波形，我们可以得出所设计的一种基于智能终端的人体心电信号监护系统可以实现人体心电信号的采集、发送、显示等功能基本完成，实验目的达到，节点可以正常工作。

4 总结

本文设计了一种基于智能终端的人体心电信号监护系统，可以连续实时的监测被监护者的心率变异性。该系统的心电采集及传输采用蓝牙实现心电数据短距离无线传输且方便与PDA或智能手机的手持终端通信的特点;并且采用智能终端为心电信号的显示、处理及传输平台，所以该系统对被监护者造成极低甚至无心理负荷。同时，设计的系统经过测试可以最大限度地降低系统功耗，硬件体积也最大限度地降低，可以满足较好的便携性和移动性。

［1］雷靳灿，廖彦剑，郑小林，等.模块式多功能运动心电检测系统的设计［J］.仪器仪表学报，2010，31(7):1484-1489.

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苌飞霸(1985-)，男，安徽，硕士，第三军医大学大坪医院野战外科研究所医学工程科，主要研究方向为生物医学信号检测、传输及信息编码技术研究，chang573788260@163.com;

尹军(1968-)，女，安徽，高级工程师，第三军医大学大坪医院野战外科研究所医学工程科主任，主要研究方向为医学仪器管理与研发，gaiety@126.com。

一种基于智能终端的人体心电信号监护系统设计

苌飞霸，尹军*，张和华，颜乐先，彭润
(第三军医大学大坪医院野战外科研究所医学工程科，重庆400042)

设计了一种基于智能终端的人体心电信号监测的系统，通过该系统可以实时连续地检测到被监护者的心电信号。该系统主要包括前端心电信号采集模块和后端心电信号无线发送模块。其中前端采集模块对心电信号进行了预处理;后端心电信号发送模块采用蓝牙无线通信方式，从而实现心电数据短距离无线传输且方便与PDA或Android智能手机等手持终端通信，保证了对被监护者的连续实时监测。

心电;蓝牙;智能终端;实时监测

TP393

A

1004－1699(2014)03－0289－04

2013-11-20修改日期:2014-03-05

C:7510D

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.03.002