基于织物电极的可穿戴式心电监护系统

林视达,朱纪军

(东南大学生物科学与医学工程学院,南京 210096)



基于织物电极的可穿戴式心电监护系统

林视达,朱纪军*

(东南大学生物科学与医学工程学院,南京 210096)

随着移动医疗的飞速发展,可穿戴式心电监护已成为个人日常心电监护的一个重要发展方向。而长时间穿戴所存在的便携性和舒适性差、监测数据不准确等问题是制约可穿戴式心电监护设备发展的重要瓶颈。采用织物电极作为心电采集电极,设计了一种单导联低功耗、小型化的心电监护系统,改善了长时间穿戴所存在的问题。系统采用织物电极取代传统Ag-AgCl电极进行心电采集;模拟前端采用ADS1292芯片,调理心电信号,提高信噪比,并进行24位ADC转换;MCU采用MSP430F5659,进行数据的实时获取、存储和计算,并控制外设进行异常警报和与上位机的蓝牙通信。系统完成静坐、行走和跑步状态下的测试,并对比同步脉率,验证了检测数据准确性,证明可基本满足个人日常心电监测使用。

心电监护;可穿戴;织物电极;ADS1292

随着全球人口数量增长,老龄化程度加剧以及日常生活压力的不断增大,心血管疾病已经成为一种人类不可忽视的严重疾病。根据世界卫生组织公布的数据显示,2015年的全球死亡人口中,由心血管疾病造成的超过1 800万[1],接近三分之一,而在我国,相关人数也在持续快速上升。国家心血管病中心统计的数据表明,目前全国有2.9亿的心血管疾病患者,其中每年因心血管疾病死亡的人数则高达350万,患病率增幅接近50%,而肥胖和三高的影响使得患病数量额外增长23%。如果不引起重视,加强日常监测和控制,那么预估到2030年,我国将增加2 130万的心血管病患者,同时死亡人数将增加770万[2-3]。

作为威胁人类健康的“第一杀手”,心脏病是心血管疾病的最主要部分之一,它突发性强,一般难以被及时发现,同时死亡率很高,所以对人生命的危害极大。大部分心脏疾病患者由于无法及时发现心率异常或在发病后不能得到快速有效的治疗而导致病情加剧,甚至严重情况下会造成死亡[4]。相关研究表明,心脏疾病患者在心脏异常前,有超过70%的人会感到明显不适,而且症状持续时间多数超过15 min[5]。这说明通过对心脏疾病患者心率的实时监控来及时发现心脏异常并提醒其采取相应治疗措施来避免悲剧发生的手段是有重要意义的。现阶段,医院常用的心电图(ECG)监护设备,如心电监护仪[6]和Holter机,都存在着使用舒适感差、便携性不足、价格昂贵等问题,使得无法满足多数心脏疾病患者进行长期、实时的日常心电监护使用,特别是使用常规Ag-AgCl心电电极,冗长的导线和无法长时间贴合使用的电极片会给患者的日常生活带来极大的不便。因此,为了应对此现状,需要一种更加便携、便宜且有效的心电监护设备来满足心脏疾病患者的日常使用需求,帮助他们更及时有效的发现心脏问题,并得以尽快缓解病情。

近些年来,移动医疗设备的发展进入了高速增长期,而可穿戴式心电监护设备也开始被大众普遍接受,作为新型的ECG监护设备进入人们的日常生活。由于需要对患者的心脏状况进行实时监护,可穿戴式心电监护设备必须具备穿戴轻便舒适、续航时间长和满足不同生活场景下(如站立、行走、吃饭、睡觉等)正常工作等特点。而且设备最好能够连接移动终端,将采集到的实时心电信号数据通过蓝牙等无线通讯方式传输到智能移动终端上进行存储、分析和显示[7-10]。基于这些特点和功能,本文设计了一种基于织物电极的可穿戴式心电监护设备,可以有效的满足心脏疾病患者日常心电监护使用。

1 系统总体设计

为了充分体现可穿戴式心电监护设备的特点和优势,本文设计了一种基于织物电极的低功耗、小型化可穿戴心电监护设备。心电采集传感器采用全新的织物电极,用银纤维与普通衣物面料局部混织而成,完全融合到衣物面料中,无凸起,可长时间舒适穿戴无负担。心电采集模拟前端采用TI公司的ADS1292芯片,配合MSP430F5659单片机,完成心电信号的实时采集、数据存储和处理以及传输等功能。本系统设计主要包括心电传感器、采集前端电路、MCU及外围控制电路、电源管理模块和蓝牙传输模块等部分。系统总体结构如图1所示。

本系统采用两电极进行成人胸部心电信号的单导联采集,ADS1292采样频率为250 Hz,并通过SPI与MSP430F5659进行数据通信,MSP430F5659对采集到的数据进行处理计算,得到实时心率数据,并通过蓝牙4.0模块将其传输到终端进行显示,系统正常工作平均功耗在10 mA左右,且采用可充电锂电池进行系统供电。

图1 设计系统总体结构

1.1 心电采集电极

本系统采用织物电极获取人体心电信号。织物电极是利用特定纺织工艺将银纤维等导电织物材料制作为电极的一类特殊传感器,用来采集人体体表微弱生理信号[11]。传统一次性Ag-AgCl电极作为目前最普遍使用的心电电极,优势在于与人体皮肤贴合紧密,极化电压小,采集到的信号质量较好,但在长时间使用时容易产生摩擦脱落、皮肤过敏等一系列问题,而且使用时有明显的佩带感,同时需要定时更换,所以对日常心电监护而言并不合适[12-13]。考虑到传统电极在日常心电监护中的不足,本系统采用织物电极进行心电信号的采集,如图2所示。

图2 心电织物电极

此织物电极有别于一般的导电布,它是通过提花纺织技术与其他织物面料进行局部混织而成,可以实现织物电极与普通衣物的完美结合,无凸起感。电极采用双面织物结构,地层是由涤纶纱线织造,传感层是由镀银纱线织造,经纱是化纤长丝,纬纱是镀银导电纱。镀银纱线在纬纱方向形成双层结构,如图3所示[14]。此织物电极是典型的柔性干态电极,与传统一次性黏性电极相比,它的柔性、耐久性、可水洗性、人体生物兼容性、可集成性都大大提高。

图3 织物电极采用的提花技术的横截

1.2 心电采集模拟前端

心电采集模拟前端通过高频滤波、阻抗匹配等手段,高质量获取人体体表微弱心电信号,进行多级放大和滤波处理,并通过ADC转换,将得到的心电数据传输给MCU进行处理分析的模块[15]。本系统考虑到小型化设计需求,采用TI公司开发的集成模拟前端ADS1292进行系统设计。ADS1292芯片是一款用于测量生物电信号的集成调理模块,可实现心电的同步采样和24位模数转换,采样精度高,信号无需高倍数放大就可满足采样精度要求,且内置可编程增益放大器、内部参考和一个板载振荡器,心电采集参数可以通过配置内部寄存器进行灵活设置,是心电采集系统设计的最佳选择之一。本文利用ADS1292进行两电极心电采集电路设计,具体电路如图4所示。

图5 MSP430F5659控制及外围电路设计

图4 基于ADS1292的两电极心电采集电路

1.3 MSP430系统硬件设计

本系统采用MSP430F5659作为微处理器实现对心电信号的采集、处理和与移动终端的蓝牙4.0数据通信等功能。MSP430F5659是一款TI公司的超低功耗16位RISC结构MCU,工作电压为1.8 V到3.6 V。通过MSP430F5659的SPI接口实现和ADS1292的SPI通信来获得其采集的24位心电信号数据,并将获得的数据进行存储和计算,获得实时心率值。一旦出现心率异常,系统将通过蜂鸣器进行用户提醒,确保及时将异常反馈给使用者,为其争取宝贵的就诊时间。于此同时,系统会将该时间段的实际采集数据进行长久保留,并在和智能移动终端建立蓝牙连接后,将心率数据以及异常阶段的心电信号数据上传至移动终端,供用户查看和辅助医生诊断使用。控制电路设计如图5所示。

1.4 电源管理设计

本系统采用可充电锂电池进行系统供电,以满足用户长时间佩带使用的需求,避免经常更换纽扣电池所带来的麻烦。锂电池容量为200 mAh,尺寸为4.7 mm×2 mm×0.4 mm,可以恰好附着在电路板背面,最大程度节省了空间,满足小型化的需求,如图6所示。该锂电池可以维持设备至少1 d～2 d的正常工作。

锂电池充放电管理采用TI公司的BQ24040芯片,可以灵活控制管理充放电,且有效保护锂电池,避免过充;LDO采用TPS73033和TPS73201芯片,为

系统提供稳定的3.3 V和1.8 V电压。电源管理电路如图7所示。

图6 系统供电可充放电锂电池

图7 电源管理电路

1.5 蓝牙通信模块设计

本系统除了完成基本的心电信号采集、计算和存储功能外,还可以通过蓝牙4.0与移动终端进行数据通信,上传心率和异常心电信号数据,以满足辅助医生追踪诊断的需求和个人健康数据的长期统计和趋势分析,从而更好的帮助心脏疾病患者进行自身健康的长时间有效监控。

系统采用基于CC2541芯片设计的蓝牙4.0低功耗模块进行通信。模块支持UART串口通信和SPP蓝牙串口协议,具有小型化、低功耗、收发灵敏等优点。待机状态下电流只有400 μA到1.5 mA;进行正常数据传输时的电流也仅为8.5 mA,完全符合低功耗的设计要求。蓝牙4.0模块的电路设计如图8所示。

图8 低功耗蓝牙4.0模块

2 单片机程序设计

本系统软件的主要功能是获取心电信号,进行数据存储和异常警报,以及电源管理和蓝牙数据通信等。心电采集模拟前端经ADC转换后得到24位心电数据,并通过SPI通信传输给MCU,来处理得到实时心率数据。当出现心率异常,且此时未连接蓝牙时,异常时间段数据将被保存,等到下次蓝牙连接后,下位机会将存储的实时心率数据以及异常信号数据发送给移动终端,供用户查看和医生追踪诊断使用。如图9所示为MCU内部程序流程图。

图9 MCU内部程序流程图

图11 不同行为状态下被测者胸部心电信号

3 实验结果

本系统设计实物如图10所示。使用单导联织物电极松紧带设计,最大程度减小了传统心电检测方式存在的导联线缠绕、佩带舒适度差等问题,可以更好的满足用户在各种生活场景中的使用,例如坐立、睡眠、行走、慢跑等。松紧带设计可以满足不同胸围的用户使用,并兼顾了检测性能要求和使用舒适性。硬件检测设备尺寸仅为5.5 mm×4 mm×0.9 mm,重量不到10 g,小巧轻便,完全可以满足用户的长时间佩带要求。

图10 系统设计实物图

为了充分评估本设计系统的实际心电检测性能,对此进行了实验验证。实验对象为一名25岁男性,身体健康,无疾病。胸带固定在被测者胸部位置,并确保织物电极与皮肤完整贴合。被测者进行不同的日常活动,本设备检测其不同行为状态下的心电信号,并使用传统的Ag-AgCl电极进行同步测试,且同时人工记录脉率数据,进行对比。实验测试获得的心电原始信号、脉率和计算得到的心率数据如图11所示。

从采集到的不同活动状态下的心电信号可以看到,在静坐状态和正常行走状态下,本设备都可以准确有效的检测当时的心电波形信号和心率;当在跑步状态时,由于胸带与皮肤产生的巨大摩擦等一系列因素影响使得设备检测得到的心电信号出现较大的基漂和失真,从而无法持续得到有效心电信号和准确心率数据。由此分析,本设计系统可以基本满足用户日常生活的心电监测使用,但对于运动心电监测,本系统需要从结构、电路和算法等方面需要进一步完善。

4 结论

为了满足个人日常心电监护需求,提高设备使用灵活性,同时确保获取心电数据的准确性,本文提出了一种基于织物电极的低功耗、小型化心电监护胸带,用于个人特别是心脏疾病患者日常心电监护使用。通过实验测试,对比采用基于织物电极开发的本心电监护系统获得的心电信号和使用传统Ag-AgCl电极获得的心电,可以看到,平静状态下,心电信号质量相当,本系统采集信号噪声略有偏大,但QRS波和T波清晰,不影响心率计算的准确性;而运动状态下,两系统都无法准确的获得心率数据,且本系统相对而言获得的心电信号质量更差,有待改善。同时,由于从设计之初就充分考虑到低成本、低功耗、小型化和抗干扰等需求,本设备稍加优化,完全可以转化成一款日常心电监护或是运动心电监护类产品。相关工作将在后期进一步开展。

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Wearable ECG Monitoring System Based on Textile Electrodes

LIN Shida,ZHU Jijun*

(Department of Biological Science and Medical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

With the development of mobile medical monitoring equipment,wearable ECG monitoring has become an important part of personal ECG monitoring. But the lack of comfort and portability with a long time wearing,inaccurate monitoring data and other issues restrict the development of wearable ECG monitoring equipment. This paperdesigns a single lead and low power miniaturized ECG monitoring system with textile electrodes,which can improve those problems. The system uses textile electrodes instead of Ag-AgCl electrodes,and thefront-endmodule uses TI’s ADS1292 to filter and amplify ECG signal,which can improve the SNR and have 24-bit ADC sampling. The MCU uses MSP430F5659 tocomputeand storeECG datain real time,controlling peripherals and bluetoothcommunications.Experimental results indicate the system can get the data accurately and meet the personal daily ECG monitoring.

ECG monitoring;wearable;textile electrodes;ADS1292

林视达(1991-),男,浙江宁波人,硕士研究生,主要研究方向为生物医学信号检测、医学仪器研发,lsd600@163.com;

朱纪军(1970-),男,江苏泰州人,东南大学副教授,主要研究方向为生物医学信号检测、微流控和医用分析仪器研发,jjzhu@seu.edu.cn。

2016-11-09 修改日期:2017-02-26

TP393

A

1004-1699(2017)06-0944-06

C:7220;7510D

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.06.023