一款三导联便携式动态心电信号采集系统的设计

王洪伟，金关华

绍兴文理学院附属医院 （浙江绍兴 312000）

心电信号是心脏搏动时产生的电信号，通过心电信号采集仪器从体表将其记录下来即可得到心电图。心电图是诊断心脏疾病的重要依据。心电信号具有频率低、信号弱、噪声背景强、随机性强等特点。删除心电信号的直流成分后，其主要频率集中在0.05～100.00 Hz，且多数能量集中在0.05～40.00 Hz，属于低频信号。心电信号弱，通常仅1 mV 左右[1]，极易被噪声干扰及覆盖。从人体体表获取的心电信号混杂肌电干扰、基线漂移、热噪声、散粒噪声等多种噪声。心电信号随机性强，很难用特定的函数表达，临床采集的通常为静止状态下的心电信号，而很多心脏疾病具有阵发性特点，很难在某一时间点捕捉到，所以需要设计一款可长时间记录、保存且可随身携带的动态心电信号采集系统。本研究设计了一款三导联（Ⅰ导、Ⅱ导、Ⅲ导）便携式动态心电信号采集系统，可方便患者居家监测和诊断，有利于实现智能居家医疗。

1 系统架构

本研究设计的三导联便携式动态心电信号采集系统主要由预处理模块、采集模块（ADS1293 生理信号采集芯片）、主控模块（STM32 微处理器）、蓝牙模块、安卓客户端、中央监护站、SD 卡模块、电源模块等组成。系统通过电极从人体采集微弱且夹杂噪声的心电信号，由预处理模块对其进行高频滤波处理，滤除高频部分干扰；信号进入精度高且功耗低的采集模块（ADS1293 生理信号采集芯片），完成信号调理及A/D 转换[1]；通过SPI 传输模式将数字信号传送至主控模块（STM32 微处理器），主控模块将信号存储于SD 卡模块的同时通过蓝牙模块将信号传输至安卓客户端，并在客户端显示实时心电信号；安卓客户端利用5G 技术将心电信号传输至远程中央监护站，实时动态监控。系统架构见图1。

图1 三导联便携式动态心电信号采集系统架构

2 硬件设计

2.1 预处理模块

预处理模块电路（图2）由1 个二阶无源低通滤波器和2 个同向连接的并联硅二极管组成[2]。低通滤波器可有效滤除高频噪声，保证心电信号顺利通过滤波器。同向连接的二极管可将输入信号幅度限制在-0.6～+0.6 V，确保输入的心电信号不衰减，同时减少干扰。

图2 预处理电路

2.2 采集模块

采集模块电路（图3）设计采用TI 公司自主研发生产的ADS1293 生理信号采集芯片。该芯片是一款3 通道24 位模/数转换器，每个通道的功耗仅0.3 mW，显著低于传统分立元件100、200 mW的功耗[2]，且具有精度高、较适合生理信号数模转换的特点。该芯片集成度高，内置右腿驱动电路，具有导联脱落检测、威尔逊中心端、数字起搏检测、集成呼吸阻抗测量、串行外设接口等功能[3]。高集成芯片体积小、质量轻，因此该芯片被广泛应用于便携式心电信号采集系统。采集模块信号通路如下：预处理模块滤除高频部分干扰后的信号进入采集模块，通过由RC 滤波器组成的EMI 滤波器，该滤波器频率宽度为3 MHz，可有效抑制高频噪声；通过滤波器处理后，心电信号进入多路复选器（为心电信号提供许多可配置的信号开关选项），通过配置相关寄存器，实现不同信号间的相互切换和复用[2]，进而实现系统噪声自检、电源电压检测、导联脱落检测等功能。

图3 采集模块简化电路

ADS1293 生理信号采集芯片为每个通道提供了1 个高精度的24bit A/D 转换器，考虑到产品对功耗的要求，为避免中途断电，本研究设计的系统采用低功耗模式工作[4]。 A/D 转换器采用“过采样”技术将已转换成数字量的输入信号频谱与量化噪声频谱分离，通过数字抽取滤波器滤除量化噪声及混叠噪声，得到较高信噪比的信号。该滤波器采用sinc3 抽取滤波器，是一种抽取率可变的三阶低通滤波器[4]。

由于心电信号容易被共模信号淹没，所以本研究采用右腿驱动电路抑制共模干扰，滤除共模信号，进而降低输出信号中的共模信号，提高共模抑制比。

导联脱落检测为系统的特殊设计，主要由2 个电压比较器和1 个四位DAC 构成，直流激励信号接输入通道一端，通过上拉电阻接电源，另一端通过下拉电阻接地，电阻阻值为10 MΩ[2]，导联脱落后，相应的通道出现饱和报警。

2.3 主控模块

主控模块承担数据运算、控制传输、任务管理等工作，整个系统的性能取决于微处理器的性能。本系统采用的STM32 微处理器是ARM 公司的高性能“Cortex-M4”内核微处理器[5]，其是一款32 位中等容量（2 MB Flash）处理器，可读写同步，具备256+4 KB 的静态随机存取存储器（static random-access memory，SRAM），同时提供了丰富的外设资源，丰富的接口资源简化了外围电路，既降低了功耗，同时保证了系统运行。主控模块的主要功能包括控制和读取转换后的心电数据、完成与ADS1293 的数据通信、WCT 放大器、右腿驱动、ADC 配置、与蓝牙模块数据的传输、控制心电信号存储。STM32 与ADS1293 的数据传输需通过SPI接口，SPI 接口硬件功能强大，软件实现简单，是一种全双工通信模式，效率极高[3]。当START 变成高电平，开始转换数据，当完成1 次数据转换会发1 个DRDT 信号，当信号变低，表示有数据可传输，将片选信号拉低，串行时钟开始工作， 电平在SCLK 的第1 个时钟下降沿升高，在SCLK 上升沿往外部控制设备传输数据，在下降沿从外部控制设备读取数据命令。数据在传输阶段必须保持低电平[6]。

2.4 SD 卡模块

心电信号采用SD 卡存储，存储时间为24 h，数据量为百兆量级，目前市场上的快闪存储器可满足设计要求。SD 卡模块采用SPI 传输模式，SD卡座与STM32 微处理器接口电路见图4。图中SD卡的D0～D3 为数据信号线，CLK 为时钟信号线，CMD 为命令响应信号线。在监测心电信号时主控芯片操作SD 卡进行读写。

图4 SD 卡座与STM32 微处理器接口电路

2.5 蓝牙模块

主控板数字化后的心电信号，通过蓝牙串口发送至安卓客户端。本系统的蓝牙模块采用BDEBLEM201，其是基于TI CC2541 芯片开发的兼容蓝牙4.0 低功率单模蓝牙模块，具有功耗低、延时端、开发快速的特点，被广泛应用于便携式设备。蓝牙模块电路见图5。引脚BT_REST、BT_WU 控制蓝牙模块的复位、休眠与唤醒，从BT_CONN 引脚读取当前蓝牙模块的连接状态。引脚BT_RX、BT_TX与蓝牙模块进行数据透传。主控模块通过BT_PWR引脚控制蓝牙模块的电源通断，实现更精细化的功耗管理[7]。

图5 蓝牙模块电路

2.6 电源模块

电源模块可为系统提供稳定的电源，管理电池充电电路。本系统采用锂电池作为供电电源，采用低噪声的LP5912Q3.3DRVRQ1 芯片作为充电管理芯片，该芯片输入电压为1.6～6.5 V，输出电压为3.3 V，波动幅度为±2%，最大输出电流为500 mA，满足系统要求[7-8]。在稳压电路中PWR_EN 为高电平时，可使芯片输出；PWR_EN 为低电平时，禁用芯片输出。充电电路可兼容USB 充电，可通过引脚EN1和EN两选择2种充电电流（100 mA和500 mA）。电源模块电路见图6，部分引脚功能见表1。

表1 充电管理芯片部分引脚功能说明

图6 电源电路图

3 软件设计

3.1 ADS1293 软件配置

ADS1293 的首要任务是初始化芯片时钟，设置使用晶振类型，设置复位操作，配置各类寄存器，配置内部参考电压，电压设置为2.4 V[9-10]。选择自定义功能，完成各功能配置。数据转换模式可采用分单次读取模式和连续读取模式。系统采用SPI 通信接口，并对接口初始化操作。根据乃奎斯特定律，为使采样信号不产生混叠，采样频率需等于或高于信号最高频率的2 倍，因此采样频率应>200 Hz。增益放大器PGA 放大倍数可选择1、2、3、4、6、8、12 倍，由于心电信号幅值为1 mV 左右，因此选择PGA 放大倍数为1 倍。工作模式设置如下：ADC 采样率为250 Hz，PGA 放大倍数为1 倍，通道选择外部输入，配置WCT 电位[11]。

3.2 采集终端的工作流程

本研究采用模块化的编程设计思路，设计心电采集终端的软件。采集终端工作流程见图7。系统上电后，首先对各模块初始化，包括ADS1293 初始化、时钟初始化、定时器初始化、SD 卡初始化等，完成初始化后，准备就绪。按下启动开关，启动ADS1293 采集1 个周期心电信号，正常情况下切换到主循环中运行，外设中断执行后，将数据写到缓冲区，主循环中读入缓冲区的数据和命令，依次完成监测记录、蓝牙通信及状态管理任务。处理完成后，返回读取中断数据缓冲区处循环运行[12-14]。完成新数据采样后，新数据准备好被读取时，DRDY引脚被拉低，主控模块捕获该引脚被置低的中断信号，进入中断服务程序，启动SPI 时钟，读取各个通道的心电数据。

图7 采集终端工作流程

3.3 安卓客户端设计及客户端程序工作流程

安卓客户端程序主要完成接受采集端发送的心电信号数据，并在客户端实时显示并保存接收的心电波形。客户端程序工作流程见图8。

图8 客户端程序工作流程

3.4 安卓客户端与中央监护站数据传输

安卓客户端连接中央监护站后，将接收到的心电信号通过5G 传输，使用TCP/IP 协议传输至中央监护站[15-18]，便于中央监护站的专家远程监控及诊断患者相关情况。具体传输流程如下：安卓客户端创建Socket 后，连接到指定的服务器端口，向Socket 写入数据并发送至中央监护站[18]，等待接收响应信息；远程中央监护站先创建Socket，绑定地址和端口号，阻塞等待[19]，接收客户端的连接请求。连接成功后读取数据，完成数据缓存及存储，返回响应信息，数据传输完成后关闭连接[20]。

4 实验结果

本研究设计的三导联便携式动态心电信号采集系统实物见图9。将系统的采集终端连接心电模拟发生器后，系统可采集不同导联的心电信号，并通过5G 网络实时传输至中央监护站。安卓客户端及中央监护站显示情况见图10 。

图9 采集终端实物图

图10 安卓客户端及中央监护站显示图

5 小结

本研究设计的三导联便携式动态心电信号采集系统基于ADS1293 生理信号采集芯片，搭载STM32 微处理器，并通过蓝牙和5G 传输技术将心电波形传输至安卓客户端和远程中央监护站。心电模拟发生器实验结果显示，安卓客户端和中央监护站均可实时显示清晰、稳定的心电波形。系统完全符合设计要求，可用于医学研究和辅助诊断。后续将通过以下两方面继续完善系统功能：一是在主控模块中增加数学算法，对采集到的心电数据进行分析，达到自动诊断的目的；二是进一步挖掘ADS1293 相关功能，如脑电信号检测、呼吸检测等，使系统功能更加完善。