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一種可穿戴式多參數心臟活動監測設備的設計

來源 : 中國醫療設備 2018第3期
update : 2018/05/16
引言
隨著社會經濟的發展,國民生活方式發生了深刻的變化。尤其是人口老齡化及城鎮化進程的加速,中國心血管病危險因素流行趨勢明顯,導致了心血管病的發病人數持續增加 [1]。心臟系統疾病的防治和診斷成為醫學界面臨的重要課題之一。心電、心音和心衝擊信號是人體重要生理信號,攜帶大量生理健康資訊,可用於冠心病、心律失常等心血管疾病的診斷和預防。

在心電方面,國內一系列穿戴式心電貼設備獲得了國家食品藥品監督管理總局認證,例如東方泰華研發的“心儀”、邁瑞的 Mr.Wear 等。美國 Zio 公司的 irhythm 心電貼、美敦力公司的 SEEQ MCT 遠端心電監測系統也獲得了食品藥品監督管理局的認證。此外基於導電織物的胸帶等也得到大家的關注 [2]。

傳統心音設備基於心音探頭 [3] 或者基於駐極體麥克風感測器進行信號採集 [4],這種感測器體積比較大,比較難實現穿戴式應用。 Zhang 等 [5] 提出了一種基於數位麥克風的穿戴式心音採集設備,有效的降低了心音設備的體積和功耗。傳統的心衝擊信號基於壓電薄膜感測器 [6] 和電阻應變式稱重感測器 [7]。這些設備體積比較大,無法穿戴式使用。Castiglioni 等 [8] 和 He 等 [9] 團隊利用加速度感測器設計穿戴式心衝擊信號採集裝置,有效地解決了心衝擊裝置的小型化問題。

心電、心音和心衝擊信號從不同方面衡量心臟活動情況,聯合多參數的分析可以獲得射血前期,心輸出量等指標 [9]。因此本研究設計一種能夠從多個參數監測心臟活動情況的可穿戴式設備,該設備的所有單元集成在兩個心電電極片大小的空間內,在人體合適的部位貼上兩個心電電極片,把設備安裝在心電電極扣上即可實現心電、心音和心衝擊圖 3 種信號的同步採集。希望該設備能夠長時間佩戴,採集使用者的 3 種心臟相關信號。

1 需求分析和系統設計
本文研製的多參數心臟活動監測設備的主要需求有如下幾點 :體積小,重量輕,易於使用 ;多信號採集,能同步採集心電、心音和心衝擊信號 ;具有基於藍牙的無線資料傳輸功能 ;功耗低,可以能長時間連續的資料獲取。根據心電電極貼的大小和承載能力考慮,本設計將全部模組集成於兩個心電電極片大小的空間內,並將整個設備的重量降低到 40 g 以下,可以直接由兩片心電電極貼支撐。多參數心臟活動監測設備由如下幾個模組組成 : BLE 藍牙低功耗 SoC nRF51822、心電資料獲取模組、心音資料獲取模組、加速度模組、電源管理模組。系統設計框圖,見圖 1。

圖1 系統設計框圖

1.1 硬體設計
1.1.1 主控晶片
可穿戴式多參數心臟活動監測設備的主控晶片採用nRF52832 藍牙低功耗 SoC, nRF52832 是 Nordic 推出的知名BLE SoC 的 nRF51822 的續作,它面向藍牙低功耗和 2.4 GHz超低功耗無線應用,並帶來更強大的、擁有 64 MHz 的處理器工作頻率的 Cortex-M4F 核心和更低的功耗,豐富的外設功能,以及新 DMA 直接記憶體存取功能。

1.1.2 心電資料獲取模組
心電資料獲取模組通過醫用心電電極貼獲取心電信號,由於心電信號具有幅值小且極易受到干擾的特點,在心電資料獲取部分採用差分放大電路進行放大,以減小共模信號的干擾。該部分選用 TI 公司推出的 16 位模擬前端 ADS1191, ADS1191 高度集成了電磁干擾濾波器,可程式設計增益放大器、右腿驅動電路和導聯脫落檢測電路。ADS1191 中集成的可程式設計增益放大器採用差分輸入輸出,提供多種可調放大增益,而且放大器的共模抑制比高達115 dB,能有效抑制共模雜訊。 ADS1191 與傳統分列式元件電路相比,在功耗,體積以及穩定性上有明顯優勢。

1.1.3 心音資料獲取模組
傳統心音資料獲取模組多採用心音探頭配合 A/D 轉換電路的方式 [10]。雖然這種方式具有靈敏度高、信噪比高和抗干擾能力強的特點,但是由於其體積過大不益于集成,所以在本設計中選用體積更小的 MP34DB02 MEMS 數位麥克風作為心音感測器。 MP34DB02 是意法半導體推出的超緊湊型、低功耗、 MEMS 數位麥克風。該模組具有 62.6 dB的信噪比, 120 dB SPL 聲學超載點,相較于傳統心音探頭在收音能力上沒有弱勢,但由於其全指向的收音特點,在抗干擾能力上有所欠缺。通過外部覆蓋的吸音材質和外殼上的共鳴腔,可以有效改善其抗干擾能力 [8,11-13]。

1.1.4 加速度模組
加速度模組選用大量應用智慧手機的 BMA280 晶片。BMA280 是博世推出的一款數位輸出的低功耗三軸加速度感測器 [14]。 BMA280 集成了如敲擊檢測、自由落體檢測等多種可程式設計運動檢測功能。 BMA280 有著最高 0.244 mg 的測量精度,可以感應到由心臟機械活動產生的振動波所引起的身體震動,實現心衝擊圖的描繪 [15]。

1.1.5 電源管理模組
在電源模組中選用微芯的 MCP73831 作為鋰電池充電管理模組,選用德州儀器(TI)的 TLV70033 高精度、低雜訊、高電源抑制比低壓降線性穩壓器,為主控晶片以及其他感測器模組供電單元。由於心電信號容易受到其他信號的干擾,所以為心電採集模組單獨配製一顆 TLV70033,以減小電源對心電信號的干擾。

1.2 嵌入式程式設計
開發平臺選用 Keil 公司 2013 年 10 月正式推出的 KeilMDK v5,該版本使用 uVision5 IDE 整合式開發環境,是目前針對 ARM 微控制器,尤其是 ARM Cortex-M 內核微控制器最佳的一款集成開發工具。整個嵌入式程式運行流程圖,見圖 2。

圖2 嵌入式程式運行流程圖

首先在開機上電之後,開啟藍牙廣播,等待與上位機連接 ;初始化加速度傳感 BMA280,開啟敲擊檢測,以實現某些用戶交互功能。考慮到降低功耗,在開始採集資料之前斷開心電採集模組電源 ;並設置若沒有上位機 60 s 內沒有發起連接,便進入睡眠模式。然後在連接到上位機並接收到開始命令後,初始化心電資料獲取模組與心音資料獲取模組,開始採集心音、心電以及加速度信號。心電信號以及加速度信號設定取樣速率在 1000 Hz。由於數位麥克風多以 16 kHz 採樣頻率的 PDM 格式提供聲音資料,而人聽覺比較敏感的心音信號集中於 40~400 Hz 的頻帶,將心音信號降採樣到 1000 Hz[3]。為了防止在藍牙閃斷時丟失資料,將採集的資料打包壓縮後存入發送緩存區,在藍牙連接穩定時通過藍牙發送到上位機。最後在收到上位機停止命令之後取消初始化心電以及心音資料獲取模組,保持藍牙連接 180 s 若沒有收到命令,則進入睡眠模式。

2 系統測試
可穿戴式多參數心臟活動監測設備實物,見圖 3。該設備實物尺寸為 110 mm×34 mm×10 mm,重量為 32 g。在監測心臟活動時,通過電極扣連接心電電極貼,直接貼在胸部。由於心音和心衝擊信號為音訊信號和加速度信號,需要被監測人員在相對安靜的環境下保持靜坐和呼吸均勻,以減小環境中噪音和身體運動對心音和心衝擊信號的影響。通過 PC 端上位機軟體可以自動搜索並連接監測儀,分 3路通道繪製並儲存心電圖、心音圖和心衝擊圖。同時多參數心臟活動監測設備可以連接藍牙路由,通過藍牙路由不僅可以....完整資訊