一种基于USB接口的数字心电传感器

【作 者】石波，孔祥勇，马小智，张根选

1 蚌埠医学院医学影像学系，蚌埠市，233030

2 上海理工大学医疗器械与食品学院，上海市，200093

一种基于USB接口的数字心电传感器

【作 者】石波1，孔祥勇2，马小智1，张根选1

1 蚌埠医学院医学影像学系，蚌埠市，233030

2 上海理工大学医疗器械与食品学院，上海市，200093

该文基于BMD101心电专用集成电路芯片设计了一种数字心电传感器，使用时只要通过USB接口插到电脑或手机等上位机，即可在上位机上实现心电数据的显示、报警、存储及传输等操作。经过测试，该传感器可以用于二联律、期前收缩等心律失常问题的检测。它成本低，体积小，使用方便，操作简单，可以用于医院外人群的心脏健康监护和管理。

心电图；随身心脏监护；传感器

0 引 言

在全球范围内，心血管疾病(Cardiovascular Disease，CVD)已经成为导致人类住院和死亡的主要疾病之一。据美国心脏协会(AHA)发布的《心脏病和卒中统计数据（2015版）》统计，全球每年有1 730万人因CVD死亡[1]。随着生活水平的提高、生活节奏的加快以及全球老龄化社会的到来，CVD的发病率将愈发上升。

心律失常是指心脏电活动的频率、节律、起源部位、传导速度或激动次序产生异常，是CVD中常见的、重要的一组疾病，可引起心悸、胸闷、头晕等症状，严重者可出现晕厥，甚至猝死。心电图检查是目前临床上诊断心律失常的唯一有效方法。但是，心律失常具有突发性和一过性的特点，等患者出现不适到医院进行心电图检查时，症状可能完全消失，心电图检查一切正常。Holter是一种便携式的心电图记录设备，可以24 h连续记录病人的动态心电图信息，能有效捕捉偶发性的心律失常，但是缺乏实时报警功能，而且价格昂贵，无法满足个人随时随地的心脏健康监护和管理需求。

随着电子技术的飞速发展，体积小、可穿戴、能随时随地进行心电监测的便携式心电设备应运而生[2-4]。目前已经商业化的产品，如飞利浦公司的Digitrak XT Recorder、迪美泰公司的Dicare-m1CP、欧姆龙公司的HCG 801等。用户利用这些设备测出自己的心电图，通过无线或有线的方式与手机、电脑等设备连接，将心电图数据发送到医院或者健康服务机构，然后由临床专家进行分析，并给出各种建议或诊断。这些便携式心电设备，大都具有独立的电源模块和显示模块，相对来说，体积较大，使用也比较繁琐，尤其是把数据从心电设备传输到手机或电脑等上位机，对于老年人来说，操作难度较大。本文设计了一种具有USB接口的数字心电传感器（Digital Electrocardiogram Sensor, DeSensor），使用时只要将DeSensor通过USB接口插到手机或电脑等上位机，即可在上位机实现心电数据的显示、报警、存储及传输等功能。

1 系统设计

1.1 总体设计

心电采集系统的核心一般由模拟前端（AnalogFront End，AFE）、模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)、微处理器（Micro Processor，MP）或者数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）等部分组成。传统的AFE一般采用由仪表放大器集成电路（Integrated Circuit Instrumentation Amplifier，ICIA）组成的多级模拟电路来实现[3,5-6]。多级模拟电路需要使用较多的电子器件，不仅增加了电路的体积和功耗，同时也增加了电路的内部噪声。随着超大规模集成电路技术的发展，AFE采用专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）[7-9]成为一种发展趋势。集成度高的芯片，不仅集成有AFE，同时还包括ADC、MP或者DSP、电源管理、无线收发模块等。考虑到DeSensor使用的便携性，本设计采用ASIC芯片；同时，由于DeSensor需要与手机或电脑等上位机连接，根据医疗器械安全法规，在设计中需要增加隔离模块。因此，整个硬件系统主要由导联线、心电ASIC、信号转换模块、隔离模块和接口等部分组成，原理框图如图1所示。

1.2 硬件系统设计

1.2.1 心电ASIC

心电ASIC采用BMD101（NeuroSky，USA）芯片。BMD101是一款集心电信号采集和处理于一体的片上系统，体积仅3 mm × 3 mm，内置AFE、16 bit ADC、DSP、电源管理和时钟模块。AFE由低噪声放大器和抗混叠滤波器组成。16 bit ADC可以有效地检测微伏到毫伏级的心电信号并将其转换成数字信号。DSP主要是完成各种数字滤波运算和心率(Heart rate，HR)的计算。BMD101芯片输出心电信号的采样率为512 Hz，信号带宽为0.5 ～ 100 Hz。芯片使用3.3 V单电源供电，工作电流不超过0.8 mA。BMD101内部结构如图2所示。

图2 BMD101内部结构图Fig.2 Block diagram for BMD101

1.2.2 信号转换模块

由于BMD101以串口的方式输出心电和HR等数据，而目前的手机、电脑等最常使用的是USB接口。因此，需要设计串口到USB接口转换电路。常用的串口转USB接口芯片有FT232RL、PL2303、CP2014等，本设计选用FT232RL。FT232RL是一款高度集成的双向RS232 - USB接口转换器，其最大的优点是可以应用于各种上位机的操作系统。此外，FT232RL内置USB功能控制器、振荡器等，应用电路设计简单，只需外接几只电容即可实现串口到USB接口的转换功能。

1.2.3 隔离模块

由于设计的DeSensor在使用过程中需要与手机、平板电脑、笔记本电脑等设备连接，为了保证使用者的安全，可以采用浮地形式，以实现人体与这些上位机之间的隔离，同时降低干扰。本文选用ADuM4160（ADI，USA）数字隔离器和F0505S（MORNSUN，China）电源模块进行信号隔离及电源隔离。ADuM4160采用16脚SOIC封装，内部集成了USB收发器、数字隔离通道、上拉与下拉电阻等；可以精确的驱动USB通信模式，不影响数据交换速率。F0505S采用SIP封装、工作稳定、转换率高达80%，直接耦合输入与输出电流，通过浮地接地，有效地抑制了漏电流的发生。

1.3 软件系统设计

1.3.1 数据解析

BMD101的通信协议和NeuroSky的其他产品一样，采用的是ThinkGear技术。BMD101的ThinkGear数据包主要包括信号品质（Poor Signal Quality，PSQ）、HR和原始心电数值（Raw Wave Value，RWV）。PSQ表示所测信号的噪声水平，取值范围为0 ～ 200。PSQ值越高，意味着噪声越大。当PSQ为200时，表示传感器脱离使用者的皮肤，只有当PSQ的值为零时HR才有输出（每秒钟更新一次）。RWV表示原始心电的采样值。该变量由两个字节组成，取值范围为-32 768 ～ 32 767。在进行数据解析时，需要把第一个字节左移8位，再和第二个字节按位或，用公式可表示为：

其中，Value[0]为高8位，Value[1]为低8位。在一些位运算不方便的编程语言中，可以采用算术运算来实现。

1.3.2 上位机软件开发

上位机软件主要实现心电图和HR的实时显示及存储、异常HR报警等功能，本设计采用C#编写。C#继承了微软COM组件，简单、稳定的特点，方便程序的编写、升级与维护。为了提高程序的运行速度，开发中采用了多线程技术。

2 结 果

基于上述原理，设计了USB式数字心电传感器DeSensor。为了验证DeSensor的性能，使用iBUSS信号源（Dimetek，China）和Dicare-m1CP型心电记录仪（Dimetek，China）进行了测试。

2.1 MIT-BIH ECG数据测试

美国麻省理工学院的MIT-BIH数据库是国际上公认的三个主流心电数据库之一，其中的心律失常数据库已经成为一种验证参照标准。iBUSS信号源支持MIT-BIH心电数据库的下载。我们选择MIT-BIH心电数据库中的aami3a（二联律）和aami3d（双向收缩）两个信号作为基准信号进行测试对比，结果如图3和图4所示。

图3 aami3a测试波形Fig.3 aami3a test waveforms

图4 aami3d测试波形Fig.4 aami3d test waveforms

从图3和图4可以看出，DeSeneor测得的波形与信号源产生的原始心电波形在趋势上保持一致，可以满足心律失常的判断。

2.2 与Dicare-m1CP型心电记录仪测试比较

Dicare-m1CP型心电记录仪（Dimetek，China）信号带宽可调，我们将其设置为和DeSensor相同的带宽（0.5～100 Hz），使用iBUSS信号源产生的信号作为基准进行测试对比。iBUSS信号源可产生按照YY 1079-2008标准进行制定和扩展合成心电信号。选择iBUSS中的增强型合成心电波作为测试信号，分别使用DeSensor和Dicare-m1CP型心电记录仪进行测试，结果如图5所示。

图5 DeSensor和Dicare-m1CP型心电记录仪记录的波形Fig.5 Waveforms recorded by the Dicare-m1CP ECG recorder and DeSensor

从图5可以看出，DeSeneor测得的波形与Dicarem1CP型心电记录仪记录的波形各波群间期一致，P波和T波幅值也一致，仅Q波、R波、S波幅值分别产生了约0.04 mV、0.07 mV、0.06 mV的误差。对于一些需要心电图波形精确分析的应用场合，如病理性Q波、破碎的QRS波等分析，DeSeneor可能无法满足要求。但是QRS波幅值的差异并不会引起RR间期、PR间期、QT间期等间期的计算误差，对于心脏节律异常的判断影响不大，因此DeSeneor可以满足医院外人群心脏健康管理和监护的需求。

3 结 论

本文基于BMD101芯片设计了一种USB接口的数字心电传感器——DeSensor，使用时只要将DeSensor通过USB接口插到电脑或手机等上位机，即可在上位机上实现心电数据的显示、报警、存储及传输等操作。经过测试，可以满足心律失常问题的检测。由于在DeSensor设计中所采用的BMD101芯片的信号带宽为0.5 ～ 100 Hz，导致心电信号中直流和近直流成分（如ST-T段）失真较大，不能满足心电P-QRS-T波群精确分析的要求，因此无法实现心肌缺血、心肌梗死等疾病的诊断。BMD101内置放大器的增益为128倍，ADC为16 bit，这种设计在一定程度上增加了系统的动态范围，提高了抗干扰能力，但是进一步降低放大倍数，使用更高分辨率的ADC还是必要的。这样可进一步增加系统的动态范围，从而降低放大器的高通滤波截止频率，使得如ST-T段等低频信号的采集成为可能，从而可以满足P-QRS-T波群精确分析的要求，为心肌缺血、心肌梗死等疾病的诊断提供更多有价值的信息。

本传感器成本低，体积小，使用方便，操作简单，可以用于医院外人群的心脏健康管理和监护，具有广阔的市场前景。开发不同应用平台的上位机软件，在上位机软件上增加心率变异性分析、心电数据传送、即时通信等应用，是我们下一步将要开发的功能。

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A USB-Based Digital ECG Sensor

【 Writers 】SHI Bo1, KONG Xiangyong2, MA Xiaozhi1, ZHANG Genxuan1
1 Department of Medical Imaging, Bengbu Medical College, Bengbu, 233030
2 School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093

electrocardiogram (ECG), mobile cardiac telemetry (MCT), sensor

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.01.012

1671-7104(2016)01-0041-03

2015-09-28

石波，E-mail: shibohome@qq.com

【 Abstract 】Based on the ECG-specific BMD101 integrated circuit chip, this study designed a digital ECG sensor. In practical application, users just need to connect the ECG sensor to upper computer (such as PC or mobile phone) through USB interface, to realize the functions including display, alarm, saving, transfer etc. After tests, They demonstrate that the sensor can be applied to the detection of arrhythmia, such as bigeminy coupled rhythm, proiosystole etc. Besides, the sensor has various advantages in monitoring and managing the heart health of people out of hospital, including low cost, small volume, usableness, simplicity of operation etc.