基于Android手机的心电、呼吸监护系统设计

鲍丙豪，刘 辉，曹一涵

(江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013)

基于Android手机的心电、呼吸监护系统设计

鲍丙豪，刘 辉，曹一涵

(江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013)

目前市场上多数心电监护产品存在体积大、功耗大、价格高等问题。为解决这些问题，设计了一种基于Android手机的便携式心电及呼吸监护系统。系统利用集成芯片ADS1292R采集和模数转换心电及呼吸信号，主控芯片通过异步串口通讯方式将数据传输至蓝牙模块，Android手机客户端实现与蓝牙模块的无线通讯和绘制心电波形。本监护系统可以便捷地、全天性地监测患者身体状况，实时显示心电波形。

心电信号；呼吸信号；ADS1292R；蓝牙；Android手机

心血管发病率及死亡率在我国仍处于上升阶段，尤其是在中国社会老龄化及医疗资源严重紧缺形势下，便携式心电监护产品是移动医疗领域内的一个重要方向[1-4]。目前大多数家用心电监护仪成本高，体积大不易携带，不适宜全天性的监测。

目前，基于智能手机的移动医疗技术已成为健康监护研究领域的一个热点。与传统的医疗设备不同的是，以Android智能手机为终端的医疗监护产品具有成本低、体积小、功耗低、便于携带的特点[5]。同时，这种便携式健康监护产品可以将生理参数以蓝牙的方式无线传输至手机端，以便病人可以实时掌握自己病情。为满足便携、低功耗和长期监测的需求，本文所设计的心电及呼吸信号监护系统具有信号采集，数字滤波处理，蓝牙无线传输以及手机显示心电波形等功能。

1 系统结构设计

监护系统以便携、低功耗为设计目标，以肢体三导联的方式采集心电及呼吸信号。系统包括心电和呼吸信号采集模块、单片机控制处理模块、稳压电源模块、蓝牙串口模块以及最后的手机客户端。系统框图如图1所示[6-7]。

图1 系统框图

2 硬件电路设计

2.1 信号采集模块

信号采集模块采用TI公司的集成芯片ADS1292R，它是一款适用于生物电信号采集的芯片。其内置2个24 bit模数转换器，可以实现心电与呼吸信号双通道采集，单个通道功耗仅为335 μW，且ADS1292R内置右腿驱动降噪电路和电极脱落检测电路[8-9]。

信号采用差分输入方式，两个电极右臂RA(负极)和左臂LA(正极)。通道1(IN1N和IN1P)用于采集呼吸信号，通道2(IN2N和IN2P)用于采集心电信号。右腿驱动电路连接到通道2上，形成负反馈以减少心电信号中共模干扰。呼吸信号和心电信号由电极分别引入通道1和通道2后经过ADS1292R内部可编程放大器(PGA)放大6倍，然后分别经过A/D模数转换，转换后的数字信号由SPI接口输入到单片机中。

由于病人在携带监护产品时，经常会发生电极导联脱落现象，导致无法正常采集信号。本系统利用ADS1292R内部电极脱落检测电路，当某处电极脱落时，ADS1292R内部寄存器就会发生改变，通过读取寄存器，判断各处电极是否脱落。

2.2 单片机控制模块

MSP430系列单片机具有极低功耗和工作模式可切换的特点，适合应用于对功耗有要求的便携设备中。在心电监护系统中，MSP430F149起到控制ADS1292R信号采集和数模转换，完成信号的数字滤波处理，以及与蓝牙模块通讯实现数据无线传输等。单片机外围连接如图3所示。

图2 单片机外围连接电路

2.3 蓝牙模块

蓝牙模块选择汇承公司的HC-06。单片机与蓝牙模块以异步串行接口的方式连接，如图3所示。

图3 单片机与蓝牙模块连接示意图

2.4 PCB布线布局

由于心电信号很微弱，典型幅值约为1 mV，易受到干扰，所以在硬件设计上除了需要右腿驱动电路消除共模干扰外，在PCB的布线布局上也应注意以下几点：(1)由于心电及呼吸信号是差分信号，所以在布线正负输入信号线时，尽量保持靠近和对称走线，以减少共模干扰；(2)为减少外界对输入信号线的干扰，用地线将输入信号线包裹起来；(3)电源数字电源单独供电，模拟地和数字地单独地，在一点处连接，避免模拟电路和数字电路之间相互干扰。

3 单片机软件设计

单片机是整个信号采集的核心，其软件流程图如图4所示。

图4 单片机软件设计流程图

3.1 单片机控制ADS1292R

单片机控制ADS1292R进行信号采集和AD转换。单片机与ADS1292R通过CS、SCLK、DIN、DUT四线实现SPI串行同步协议通讯。通过向ADS1292R内部寄存器写入相应值以配置相关设置，比如通道放大倍数、测量通道漂移量、工作时钟选择、导联脱落使能等。

3.2 数字滤波处理

人体呼吸，肌肉运动等造成了心电及呼吸信号基线漂移，噪声信号为0～0.5 Hz。采用一阶IIR滤波器去除基线漂移噪声[10-11]。其传递函数为

(1)

其中，A为0.992。其差分方程[12-13]

y(n)=0.992y(n-1)+60.996[x(n)-x(n-1)]

(2)

由上式可知每次计算滤波后的数据y(n)，需要当前采集的数据x(n)，也需要上一次的采集的数据x(n-1)和上一次的滤波后数据y(n-1)。需要保留的数据和计算量都不大，适合实时的便携式系统。

在心电信号中，50 Hz工频干扰是最大干扰。这里设计了162阶的FIR带阻滤波器[13]。其滤波效果好，性能稳定。FIR滤波器的传递函数为

(3)

其差分方程为[14]

(4)

这里采样频率为500 Hz，陷波频率范围为49～51 Hz，衰减80 dB。

由于呼吸信号的频率集中在2 Hz以下[8]，所以这里设计了一个162阶2 Hz的FIR低通滤波器。滤波器截止频率为3 Hz，衰减80 dB。

3.3 蓝牙模块

单片机与蓝牙模块进行串行异步通讯，这种通讯方式实现简单[15]。只需要配置相应的输出和输入管脚、串口时钟、以及波特率即可。为保证心电及呼吸数据能高速无延时地传输，波特率选择115 200。

4 实验结果及测试

图5滤除基线漂移前后信号对比图

图5 为带有基线漂移的原始信号和滤

除基线漂移后的信号的对比图，从图中可以看出原始信号的基线在-280～-270 mV之间漂移，而经过滤波后的信号的基线基本稳定在0处。

图6为带有50 Hz干扰的原始信号和滤除50 Hz干扰后的信号的对比图，从图可以看出50 Hz干扰得到了较好的滤除。

图7是呼吸信号滤除基线漂移和高频干扰前后对比图，从图中可以发现基线漂移和高频干扰得到了较好的滤除。系统整体测试如图8所示。

图6 滤除50 Hz干扰前后信号对比图

图7 滤除基线漂移和高频干扰后的呼吸信号对比图

图8 系统整体测试图

5 结束语

本监护系统有效地监测心电及呼吸信号，可以实时对信号进行滤波处理，且滤波效果稳定良好，使计算心率和呼吸频率变得简单。并且系统具有功耗低、体积小，便于携带的特点，同时具有电极导联脱落提醒功能，方便在运动中使用。实时有效地监护心血管患者心电情况，将有助于减少患者猝发性死亡的可能。本系统在移动医疗领域具有广泛的应用价值。

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Design of the ECG and Respiratory Signal Monitoring System Based on Android Phones

BAO Binghao，LIU Hui，CAO Yihan

(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

In view of the large volume, huge power consumption of most ECG monitors, a portable ECG and respiratory signal monitoring system is designed based on Android phones. The system uses an integrated chip ADS1292R to collect ECG and respiratory signals, and then the master chip transfers the data to a Bluetooth module through an asynchronous serial communication. The Android mobile client achieves wireless communication with the Bluetooth module and then draws ECG. This monitor system can monitor the state of the patient’s body easily and naturally and displays the ECG waveform in real time.

ECG signal; respiratory signal; ADS1292R; Bluetooth; Android

2016- 04- 05

江苏省高等学校大学生创新创业训练计划资助项目(201510299109H)；江苏大学工业中心大学生创新实践基金项目(ZXCXJJ201438)

鲍丙豪(1963-)，男，教授。研究方向：新型传感技术。刘辉(1988-)，男，硕士研究生。研究方向：传感器设计和嵌入式系统应用。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.035

TP277;R540.4+1

A

1007-7820(2017)02-135-04