低功耗便携式多导联心电信号采集系统设计*

廖 远， 张梦新， 刘文涵， 黄启俊

(武汉大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉 430072)

0 引 言

根据文献报道和调研结果，心脏疾病已经成为了威胁人类身体健康的重要因素，人们对心脏健康状态的关注度越来越高[1]。目前用于心脏健康监护的主要是医用心电设备，这些设备专业操作性较强，价格昂贵，一般只能在医院由医生配合诊断使用，不能满足人们日常对心脏监护的需求。因此，面向家用心脏健康监护、操作简单的便携式心电监护设备的需求越来越大[2]。针对上述情况，本文从便携式、低功耗、长时间心电监护角度出发，结合心电信号的特点，采用美国德州仪器(TI)公司最新的心电信号模拟采集芯片ADS1298，设计了一种适用于家庭监护的低功耗、便携式多导联心电采集系统。系统能稳定、有效地采集得到多导联心电信号，通过无线ZigBee把心电数据发送到后台分析诊断系统，对心脏健康状况进行监护。

1 系统框图

系统框图如图1所示。系统通过导联线从人体采集得到心电信号，由预处理模块对其进行处理，消除高频干扰；为了实现系统便携化和多导联采集，心电信号在芯片ADS1298中进行放大和模/数转换；控制器通过串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)通信接口对ADS1298进行设置和接收采集得到的心电数据，然后通过无线ZigBee模块将数据发送至后台分析诊断系统；右腿驱动模块和屏蔽线驱动模块用来提高系统的共模抑制能力和抗干扰能力；锂电池电源管理模块保证了系统能进行长时间心电采集。

图1 系统框图

2 硬件设计

2.1 心电信号预处理电路

针对心电信号的特点[3],设计了图2所示的心电信号预处理电路，并要求具有高输入阻抗、低噪声、高共模抑制比[4]。电路由二阶无源RC低通滤波器和双向二极管限幅电路组成，用于滤除心电信号中的高频噪声和防止AD采样时造成混叠干扰。滤波器截止频率为30 kHz。

图2 预处理电路

2.2 ADS1298心电采集模块

2.2.1 改良导联体系

为了实现便携式心电采集，系统按照改良导联体系在人体的连接方式，采集得到心电信号。改良导联体系将常规导联体系在四肢贴放的采集电极，依次改置在右胸上部(RA)、左胸上部(LA)、左下腹部(LL)、右下腹部(RL参考电极)，胸导联电极安放位置同常规心电图的胸导联。改良导联体系描记的波形和常规ECG十分近似，更适合便携式的长时间心电监护[5]。设胸导联的参考电位为WCT，则有

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为了实现系统的便携化，同时满足日常监护的需求，系统选取部分导联信号进行心电采集。Ⅱ导联信号适合QRS波检测；aVL,V2,V3,V5导联信号为判断心梗、心率不齐的重要依据[6]，因此，系统选取这五个导联。导联和所需采集通道对应关系如表1。

表1 导联体系及转换

表中V2，V3，V5是三个胸导联电极电位，RA，LA，LL为肢体导联电位，Ⅰ～Ⅴ为五个采集通道信号。

2.2.2 ADS1298采集电路设计

为了实现多导联心电信号的采集，同时兼顾到系统的体积、功耗以及便携化，本文采用独立模拟前端ADS1298芯片实现模拟信号采集及模数转换。芯片内置PGA和24位ADC，输入参考噪声为4 μV(峰峰值)，共模抑制比为115 dB，输入阻抗约为1 000 MΩ，满足上文分析采集电路的要求。本文利用芯片中的5路通道来实现五导联心电信号的采集[7]。ADS1298心电采集模块如图3所示，心电信号经电磁干扰(electro-magnetic interference,EMI)滤波器后进入PGA放大，考虑到采集时存在300 mV的极化电压，PGA放大倍数设置为6倍；放大后的信号在ADC进行模/数转换，ADC参考电压为2.4 V，电压分辨率为0.28 μV，满足0.05～5 mV范围心电信号的采样，ADC采样率是250 Hz；A/D转换后的数据经过SPI接口与STM32处理器进行传输；威尔逊中心终端(Wilson center terminal,WCT)电位设置为RA,LA和LL的平均值，为胸导联提供参考；右腿驱动为屏蔽线和右腿驱动模块提供源信号。

图3 ADS1298心电采集模块

2.3 屏蔽线驱动和右腿驱动模块

2.3.1 右腿驱动模块

电路如图4所示。

图4 右腿驱动电路

心电信号经过高共模抑制比的差分输入PGA放大后，共模干扰得到了有效抑制，为了进一步消除50 Hz工频干扰等共模噪声，本文引入了屏蔽线驱动和右腿驱动电路[8]。右腿驱动原理是：由ADS1298内部集成的右腿驱动放大器得到输入端的共模信号，经反向放大后反馈到安置在人体的RF参考电极，与原来的共模电平极性相反，设置适当的放大倍数可以抵消共模电平干扰。经实际测试，放大倍数为1.78(R3=392 kΩ)时，去噪效果最好。C3与R3形成低通滤波器，截止频率为40 Hz，用来增加电路的稳定性。

2.3.2 屏蔽线驱动模块

本系统采用的导联线带有屏蔽层端口，在采集心电信号时，在屏蔽层加上共模电位可以减少由屏蔽层与传输线之间分布电容耦合引入的干扰[9]。图5为由低噪声运放OPA211构成的屏蔽驱动电路，将右腿驱动电路的输出信号缓冲输出加到屏蔽层，从而减小导联线的干扰。

图5 屏蔽线驱动电路

2.4 处理器控制部分

系统采用STM32F103C8T6作为控制部分。该处理器使用ARM架构，低功耗0.19 mW/MHz，外设丰富，适合低功耗便携式系统的应用[10]。处理器功能包括：采用SPI通信接口完成对ADS1298中输入通道、PGA、右腿驱动、WCT放大器、ADC的配置；控制和读取转换后的心电数据；采用串口控制无线ZigBee模块进行心电数据传输。利用内置的实时时钟产生时间戳，用来记录心电信号采集的时间。

2.5 电源管理模块

为了实现系统的便携化和进行长时间采集，采用单节3.7 V锂电池供电[11]。电源管理模块如图6所示。

图6 电源管理电路

考虑锂电池放电电压动态范围为2.75～4.2 V，选用LM3668可升降压开关电源芯片转换得到3.3 V为系统供电；采用MCP73831芯片对锂电池进行充电，充电电流500 mA；在锂电池保护方面，采用DW01+8205A芯片组对锂电池进行保护，当锂电池存在过充、过放、过流状态时，自动从电路中断开锂电池，达到保护目的；系统工作中可能存在锂电池过热的情况，采用负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)薄膜热敏电阻器对锂电池进行温度监控，通过STM32处理器内部ADC采集热敏电阻器上的电压，来检测电池温度；当锂电池温度异常时，处理器通过I/O口关断LM3668电源芯片，锂电池停止放电。为了达到好的监测效果，将薄膜热敏电阻器紧贴锂电池表面。

3 软件设计

3.1 ADS1298配置

系统对ADS1298的配置和读取心电数据采用SPI通信接口，并对其进行初始化操作。ADC选用内部参考电压2.4 V。设置工作模式为：PGA放大倍数6倍、通道选择外部输入，右腿驱动输入信号源为RA，LA，LL，配置WCT电位，ADC采样率250 Hz。

3.2 采集系统软件设计

采用模块化编程的思想，实现采集系统的软件设计[12]。系统上电后对各个模块进行初始化，包括ADS1298配置、定时器、ADC、实时时钟(RTC)、串口、SPI接口、ZigBee模块；初始化完毕后，关断ADS1298模块，系统进入待机模式，等待后台分析诊断系统发送采集命令；接收到命令后启动进行心电数据采集，在中断服务程序中进行数据的读取，读取后开启ZigBee进行无线传输；采集到所需心拍数之后，系统进入待机模式，继续等待后台发送采集命令。

4 系统测试

4.1 心电采集测试

在室温自然条件下，被测者心脏健康，身体放松，对采集系统进行测试。实验中采用AgCl电极片进行采集，按照改良导联系统对电极片进行贴放，通过导联线将信号传输至采集系统。图7为原始采集和滤波处理的Ⅱ导联心电信号，图8为原始采集和滤波处理的V3导联心电信号。原始心电信号在幅度和形态上与正常心电信号一致，但噪声干扰比较严重，经数字滤波后，噪声基本消除。

图7 Ⅱ导联原始心电信号和滤波后心电信号

图8 V3导联原始心电信号和滤波后心电信号

4.2 系统功耗测试

对系统模块工作时功耗情况进行测试，各模块消耗的电压电流分别为：处理器为3.3 V,8 mA; ADS1298模块为3.3 V,20 mA; ZigBee模块为3.3 V,35 mA。

功耗数据是在系统进行五导联心电数据采集和发送的情况下测得，功耗为214.5 mW。当系统工作在待机模式时，功耗最小，为142 mW。系统使用的是3.7 V，3 200 mA·h锂电池，在正常工作状态下，理论上能维持系统工作55 h。经实测，单颗锂电池能供电48 h，满足人体长时间心电监护的需求。

5 结 论

本文设计的心电采集系统，采用直流耦合方法和高分辨率ADC技术，利用TI公司的集成模拟采集芯片ADS1298，完成了多导联心电信号的采集；采用锂电池供电，配置有完整的锂电池充电和保护方案，系统更加安全便携；采用集成采集方案，动态电源监控，优化了软硬件设计，降低了系统功耗，实现了多导联心电信号的长时间采集。