基于AD8232芯片的便携式心电监护仪设计

卢潭城，刘 鹏，高 翔，陆起涌

（复旦大学电子工程系，上海 200433）

基于AD8232芯片的便携式心电监护仪设计

卢潭城，刘 鹏，高 翔，陆起涌

（复旦大学电子工程系，上海 200433）

设计了一种基于手机的便携式心电监护仪。该系统使用ADI公司新推出的单导联心率监护仪模拟前端的AD8232芯片，仅需2个电极连接便可测量人体的心电信号，并通过蓝牙通信技术实时地把心电信号显示在手机上。叙述了软硬件设计。此系统具备心电信号分析、心率计算、心律失常检测、失常心电图的回放、导联脱落检测、快速自动恢复心电信号等功能。结果表明该心电监护仪具有低成本、低功耗、小尺寸、便于携带等优点。

便携式心电监护仪；AD8232；小尺寸低功耗

随着人口老龄化问题的日趋严重，心脏类疾病的发病率越来越高，对疾病老年人的心电监护也就越来越受到重视。许多研究表明，一半以上的猝死者在死前的数周有过心电图失常的症状。虽然很多病人在猝死前曾诊治过，但因为病人心电图失常的症状很少出现，诊断时病人的症状已经消失，导致许多不易被检测到的症状被忽视［1］。心电监护仪是一种新一代的医用电子仪器，用户不需要亲自到医院，在家中使用它就可以完成心电图的测量，实现远程监护［2－3］。它与监护诊断仪器不同，心电监护仪必须长时间实时监护病人的心电图，才能检测出心率变化趋势，保存失常的心电图信号，为医务人员提供治疗的参考依据，起到缓解并移除病情的作用［4］。

近年来，在智能手机平台上研发了一些基于数码相机检测心率功能的应用软件［5］，其测量方法是利用手机的补光灯充当光源，然后在手机相机上感应出皮下毛细血管的跳动来测心率。此种方法适合于心率的测量，但无法提供心电图形的测量。

便携式心电监护仪一般由信号的采集、处理和显示模块组成，运用互联网技术，实现病人心电的远程监护，实时地确保病人的安全。但目前多数的心电信号采集模块存在的不足有：（1）采用仪表放大器和运算放大器等分立器件实现对人体微弱生物信号的放大和滤波，模块的功耗和体积一般比较大［6－7］；（2）心电采集模块采用三电极单导联的测量方式，其中的一个电极是右腿驱动［8］（本文中基于AD8232的心电监护仪可以不用此电极），主要是改善系统的共模抑制性能；（3）心电信号采集模块与显示模块连接在一起［9］，不仅不方便测量，而且身上的导线会给测量者带来心理压力，影响测量结果。

AD8232芯片是ADI公司新推出的一款用于心电及其他生物电测量的集成信号调理模块，大小仅为4 mm×4mm，集成了仪表放大器、增益放大器、右腿驱动电路、休眠电路设计、基准电压缓冲以及导联脱落检测电路，主要是提取、放大及过滤微弱的生物电信号［10］。因其低成本、低功耗、小尺寸等优势被广泛应用在便携式健身设备、远程医疗监护终端、汽车、手表、手机等多种电子设备上。AD8232芯片还具有导联脱落检测功能、创新的快速恢复模式、可实现高共模抑制能力［11］。本文主要针对心电监护仪的心电信号采集模块，采用AD8232芯片作为监护仪的模拟前端，设计了基于AD8232的便携式心电监护仪，并将心电图实时地显示在手机上，同时对心电数据进行分析，检测出心律情况。

1 硬件设计

心电监护仪由电源管理电路、心电信号采集模块、处理器控制电路、蓝牙模块和嵌入式操作系统的手机移动终端等部分组成，结构框图如图1所示。心电信号的采集模块是由AD8232芯片加外围电路组成，这一部分的设计比分立元器件构成的采集模块节省空间与能耗，而且还有快速自动恢复和导联脱落检测等功能，符合便携式低功耗产品设计的要求。采集模块的模拟输出信号经A／D转换后，经过处理器将数据以一定的数据格式送至蓝牙缓存区，与具有蓝牙功能的手机实现通信。

便携式心电监护仪最主要的特点就是体积小、功耗低、携带方便，由AD8232芯片、小尺寸的AT－mega328p处理器、简单的HC－07蓝牙模块、带有蓝牙功能的手机即可组装成方便携带的心电监护仪［12］，总大小为3．5cm×3．5cm，戴在胸前时可以照常活动，不会对用户造成不适的感觉。

图1 便携式心电监护仪结构框图

1．1 电源管理模块

作为心电监护仪的供电电源，锂电池一般的输出电压范围是3．3～4．2V，但有可能因为电池电压的不稳定或锂电池充电期间的电压超过AD8232的最大额定值而影响AD8232芯片、处理器和蓝牙模块的正常工作。为了保证心电监护仪各模块能够稳定工作，系统使用ADI公司的ADP150电源芯片，配合使用电容和电感，它可以为AD8232芯片、ATmega328p处理器、蓝牙模块提供3．3V的电压，保证系统稳定地工作。此外，电源引脚上的噪声过高会降低芯片的性能，必须使用旁路电容来对片式电容去耦。一般在电源引脚附近放置一个0．1μF电容，如果去耦电容过大则会导致功耗的增加。

1．2 心电信号采集模块

根据人体微弱心电信号的频率和幅值范围，设计高低通滤波器电路的截止频率和幅值增益。考虑到一般心电信号的频率范围在0．5～100Hz之间，而且主要集中在低频区域，本系统所设计的高通滤波器的截止频率HPF为0．3Hz，低通滤波器的截止频率LPF为100Hz，幅频特性曲线如图2所示。心电信号的采集电路主要使用AD8232芯片，虽然有ADI提供的外围参考电路图，但是实际的电路还是需要进行调试。电路在调试时，低通滤波电路可能会出现自激振荡现象，采用电容校正法即可以解决。

图2 高通、低通滤波器的幅频特性曲线

根据芯片内部的电路设计，AD8232通过给仪表放大器提供一个100kHz的小电流源来检测电极何时断开。如图3所示，此电流在仪表放大器输入端产生一个差分电压，该电压经同步检测并与内部阈值进行比较，判断是否有导联脱落的情况。图3中的2个电阻过小会使差分压降过低而检测不到导联脱落，同时也会降低心电采集模块的输入阻抗，所以2个电阻的阻值的大小最好是10MΩ。当某一端的心电电极出现脱落时，AD8232芯片的LOD引脚会输出高电平。在软件设计中，可以容易判断心电监护仪是否处于正常工作状态，不会因为导联脱落的原因而造成伪报警。

图3 导联脱落检测的电路配置

一般的心电图应用中高通滤波器采用低截止频率，信号建立的时候可能长达数秒，用户可能会对此感到沮丧。AD8232在内部通过检测导联的连接，可以快速地让较低的等效电阻把电极切换到较高的频率，从而缩短建立时间。当用户在运动过程中暂时断开电极连接或者出现导联脱落时，当电路恢复正常后，AD8232芯片可以在1s内就自动恢复心电信号，相比没有此功能的心电采集模块，恢复的时间要缩短很多，此功能可以显著改善用户的最终体验［11］。

1．3 处理单元模块

处理核心选择开源电子原型的Arduino Pro Mini ATmega328p控制芯片，大小为10mm×10mm，使用其专门的IDE编程环境实现对芯片内部的数据运算等进行处理。采用处理器内部集成的10bit分辨率AD转换器完成心电信号的采样。ATmega328p芯片主要负责心电信号的模数转换、数据传送、设置休眠等功能，而对于该芯片中不需要使用到的功能，比如模拟比较器、掉电检测BOD、监视定时器（看门狗）等可以设置为关闭状态，使得处理器的功耗最小化。

构成ATmega 328p最小系统的方法与其他处理器的一样：采用1个外部16MHz晶振和2个22pF的电容组成。不同的是，新的ATmega 328p没有引导程序，不能将主程序直接烧录，还需要初始化处理器的硬件设备、建立内存空间映射图，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。下载引导程序的方法可以采用高速同步串行口（SPI）的连接方式，用额外的Arduino开发板进行下载。需要特别注意的是，配置熔丝位时必须与外部的晶振匹配，否则芯片将被锁死，最小系统需要更换与设置相匹配的晶振才可以重新和外部通信。

2 软件设计

2．1 处理器的程序

由于心电监护仪需要实时对人体心电信号进行采集，并且要无失真地显示出来，这对信号的采样频率有一定的要求。根据Nyquist采样定理，在进行模拟－数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号中最高频率的2倍时，采样之后的数字信号可以无失真地恢复出原始信号，完整地保留原信号的信息［13－14］。一般人体的心电信号的频率范围在0．5～100Hz之间，而且其中大部分的信号集中在低频范围，这要求AD采样频率必须大于或等于200Hz。在处理程序中使用延时函数，设置采样频率为200Hz。

数据传输的波特率是9 600bit／s，为了保证蓝牙通信过程中数据传输的准确性，程序以表1的数据格式进行传输，当在接收端（手机）收到“0xFF”字符时即表示这是一帧数据的开始，使用奇偶校验方法还可以检测出数据在传输过程中是否出现错误。

表1 数据格式

2．2 心电监护仪的手机应用设计

手机的应用设计是基于Java的可扩展开发平台（Eclipse）进行开发的。Eclipse最初是由IBM公司开发的替代商业软件Visual Age for Java的下一代著名跨平台IDE开发环境。它是一个框架和一组服务，用于通过插件组件构建开发环境。程序主要通过手机的蓝牙接收数据，再使用SurfaceView控件实时地完成心电图的绘画，同时还有对数据进行分析和处理等操作［15］。

为了能够给用户使用时带来好的体验，测量时心电图必须实时地显示在手机上，如果存在延时，就会出现用户的心脏跳动瞬间和心电图的QRS波不在同一个节奏上的情况。为此应用软件设计时，手机将接收到的数据存放在队列的数据类型中，当队列有数据时，就使用SurfaceView控件绘画出波形，达到实时的目的。在绘画之前，程序会根据表1的数据格式进行初始帧的判断，然后在每一帧结束后，对所接收到的数据进行奇偶校验，若校验出数据在传输过程中无错误，则使用白色的曲线绘图；若有错误，则在绘画这帧数据的波形图时用红色的曲线标记开来。

2．2．1 心率算法

系统的心电监护软件功能主要包括：心电波形显示、心率计算、实时心律失常分析、心电数据管理、心电波形历史回放等内容。

根据心电信号的特性，QRS波的频率一般在12～22Hz之间，而P波和T波的频带都是在此频带的低端以外［16］，所以QRS波的提取可以使用差分算法处理［17］，定义：将式（1）和（2）分别乘以比例系数后相加，得实验结果表明，当取a＝1．5，b＝1．2时，式（3）能很好地增强QRS波，减弱T波和P波，QRS波的提取效果如图4（a）所示。相比在原始信号直接使用阈值法计算心率，使用差分算法可以取得每个QRS波的准确位置，而且当心电信号发生基线漂移时，也能计算出正确的心率值。原始心电数据经过上式的差分算法处理后，再通过设定适当的阈值，可以检测出一定时间内QRS波出现的次数［18－19］。一般可以通过下式计算出瞬时心率HR：

其中，N为这段时间内QRS波出现的次数，f为采样频率，Tl和Tf分别为最后一个和第一个QRS波峰的位置。但由计算公式得出的瞬时心率变化过大，本文的软件设计中增加了一种计算平均心率的方法，即直接计算1min内QRS波出现的次数，然后取2种方法计算结果的平均值作为用户的心率测量值。其中，心率的测量值是每5s计算1次，也是每5s更新1次。如图4（b）是实时地心电信号在手机上的显示结果。

图4 QRS波的提取效果和心电波形

2．2．2 实时心律失常分析

用户需要24h随身佩戴便携式心电监护仪进行监护，假如没有针对性地对心电信号进行分析，那么在所记录下来的大量数据中很难找到异常的信号，这也不便于医务人员的诊断。心律失常分析方法是根据表2所示的指标进行判定，分别可以判定出漏搏、停搏、心动过速、心动过缓、心律不齐5种不同类型的心律失常［20］。

表2 心律失常的判定标准

当出现心律失常时，程序将自动保存最近1min的心电数据，并以“心律失常类型的名称＋当时的时间”命名，方便过后查阅。手机异常类型判定流程图如图5所示。应该说明的是，心动过速和心动过缓分生理性、病理性两种。比如跑步、紧张时心律加快为生理性的心动过速，而生理性窦性心动过缓常见于运动员、睡眠等。当检测出心动过速或心动过缓时，也不一定是病理性的心律失常，还需要根据实际情况分析。

图5 异常类型判定流程图

2．2．3 性能参数

该系统的性能参数如表3所示。实际的功耗取决于3种工作模式。

（1）蓝牙搜索设备模式。此时监护仪上的蓝牙指示灯会不停地闪烁，表示等待配对，工作电流为20～40mA。

（2）蓝牙已配对模式。此时监护仪上的蓝牙指示灯会一直亮，表示蓝牙模块与手机已经完成配对，工作电流大约为20mA。

（3）数据通信模式。此时监护仪的工作电流大约为28mA。

现有的心电监护仪一般使用三电极方式测量，其中一个电极作为右脚驱动，主要是为了提高心电信号测量时的共模抑制，降低干扰信号。而本文设计的心电监护仪使用均值滤波，也可以达到滤除噪声的效果。用户使用时可以节省1片心电电极片，降低使用成本。

表3 性能参数

3 结果与讨论

基于AD8232的便携式心电监护仪在测量实验中，采用I导联的测量方式，其测量的心电图信号干扰小，具有医学意义的T波和QRS波明显可见，而且相比分立器件构成的便携式心电监护仪，不容易发生基线漂移的现象。采用差分算法处理后，QRS波的正确检测率很高。作者通过对不同的人进行心率测量实验中，所测量的心脏跳动次数与实际值相差最大不超过3次／min。造成误差的原因，其中也包括用户在测量期间心跳速率变快或者变慢。另外，为了验证发生心动过速或心动过缓时能够被程序正确检测并记录，作者分别对在运动后和睡眠时候的人进行了实验。实验结果表明，对于运动后的测量，当心跳次数超过100 beat／min时，手机应用程序提示“心动过速”，并保存1 min的心电数据；对于睡眠者的心率测量，当心跳次数低于60beat／min时，手机应用程序提示“心动过缓”，并保存1min的心电数据。

本系统基于ADI公司的单导联心率监护仪模拟前端AD8232芯片，完成了心电信号采集的功能。借助当今普遍使用的手机设备，实现数据通信、信号分析、信号显示、心率计算、心律失常检测等功能。从其他有关便携式心电监护仪的研究中可以看出，心电信号的采集模块是由分立器件构成的，没有本文中所提的快速恢复电路、导联脱落检测等功能，而且需要3个电极才能完成心电测量。本文设计的心电监护仪，其仪表放大器和运算放大器等都被集成在AD8232芯片上，为心电监护仪的设计节省空间和成本。此外，手机应用程序对心电数据进行分析，可以在测量过程中检测到心律失常并自动记录，为用户快速锁定对心脏疾病有参考价值的失常心电图，这也是目前许多便携心电监护仪所不具备的优点。需要指出的是，便携式心电监护仪的大小仅为3．5cm×3．5cm，而且功耗非常小，这对远程心电监护仪的发展有一定的作用。

（References）

［1］杨虎．远程心电监测技术进展［J］．中国医疗器械信息，2005，11（6）：11－12．

［2］Cristian R，Alexandru P，Hariton C，et al．Telemedicine System for Remote Blood Pressure and Heart Rate Monitoring［C］／／International Conference on E－Health and Bioengineering．Proc EHB，2011：1－4．

［3］Lew C K，Moghavvemi M．Remote Heart Rate Monitoring System Based on Electrocardiography［C］／／Student Conference on Research and Development．Proc SCRD，2002：45－48．

［4］凌岚岚．飞利浦病人监护产品营销战略研究［D］．上海：上海交通大学，2009：10－11．

［5］Pelegris P，Banitsas K，Orbach T，et al．A Novel Method to De

tect Heart Beat Rate Using a Mobile Phone［C］／／Annual International Conference of the IEEE．IEEE EMBS，2010：5488－5491．

［6］续岭岭，杨景常，郝明刚．便携式心电监护仪的设计［J］．西华大学学报，2012，31（2）：50－53．

［7］张莉，周子龙．基于Android智能手机平台的便携式心电监护仪的设计［J］．中南民族大学学报，2012，31（4）：88－91．

［8］凌振宝，黄越，李肃义．基于自动增益放大的便携式心电监护仪设计［J］．东北石油大学学报，2013，37（3）：105－111．

［9］Zhang Yan，Tian Yi，Wang Zhaobin，et al．An ECG Intelligent Monitoring System with MSP430Microcontroller［C］／／International Workshop on Systems，Signal Processing and their Applications．IEEE WoSSPA，2013：214－219．

［10］李健．ADI混合信号处理技术产品解决方案展示［J］．电子产品世界，2013（9）：70－71．

［11］王莹．低成本、低功耗、小尺寸心率监护仪功能模块［J］．电子产品世界，2012（10）：20－23．

［12］Yang Hongli，Chai Jihong．A Portable Wireless ECG Monitor Based on MSP430FG439［C］／／International Conference on Intelligent Computation and Bio－Medical Instrumentation．IEEE ICBMI 2011：148－151．

［13］白居宪．信号与系统［M］．西安：西安交通大学出版社，1998：371－374．

［14］李联富．基于嵌入式系统的压力试验机的测试系统［D］．无锡：江南大学，2009：9－10．

［15］佘志龙，陈昱勋，郑名杰，等．Google Android SDK开发范例大全［M］．北京：人民邮电出版社，2011：1－70．

［16］王磊，郑崇勋，叶继伦，等．一种高效的QRS波实时检测方法［J］．北京生物医学工程，1998，17（4）：217－222．

［17］张玉霞，邢国泉，严瑜，等．基于差分法的心率计算及DSP实现［J］．信息技术，2011，35（35）：137－139．

［18］She Lihuang，Zhao Jinshuan，Zhang Shi，et al．A Novel Portable One Lead ECG Monitor with Low－Cost and Long－Time Recording Based on NUC501［C］／／Chinese Control and Decision Conference．IEEE CCDC，2010：276－279．

［19］Dong Jianwei，Zhang Shi，Jia Xiaonan．A Portable Intelligent ECG Monitor Based on Wireless Internet and Embedded System Technology［C］／／International Conference on BioMedical Engineering and Informatics．IEEE BMEI，2008：553－556．

［20］夏宏器，邓开伯．心律失常的临床分析与决策［M］．北京：中国协和医科大学出版社，2002：6－111．

Design of portable ECG monitor based on AD8232chip

Lu Tancheng，Liu Peng，Gao Xiang，Lu Qiyong
（Department of Electronic Engineering，Fudan University，Shanghai 200433，China）

This paper designs a portable ECG monitor based on mobile phone．Using the single－lead heart rate monitor simulates the front－end of AD8232chip produced by ADI company，and this monitor can measure the human ECG signal with only two electrodes and display the ECG signal on the mobile phone via Bluetooth communication in real time．The system has many functions like ECG signal analysis，heart rate counting，arrhythmia detection，abnormal ECG playback，lead off detection，fast recovery signal，etc．The result shows that the ECG monitor has several advantages such as low cost，low power consumption，small size，easy to carry，etc．

portable ECG monitor；AD8232；small size and low power consumption

TH772；TP273

A

1002－4956（2015）3－0113－05

2014－08－13

国家“863”高技术研究发展计划资助项目（2011AA100701）

卢潭城（1989—），男，广东陆丰，硕士研究生，研究方向为智能控制和物联网

E－mail：12210720033＠fudan．edu．cn

陆起涌（1966—），男，江苏大仓，教授，研究方向为物联网技术及应用．

E－mail：lqyong＠fudan．edu．cn