心電信號是人類最早研究并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)與臨床的生物電信號之一,，相較于其他生物電信號更易于檢測,，并具有較直觀的規(guī)律性。由于心臟病有突發(fā)性以及長久性等 特點(diǎn),，心臟病患者往往需要進(jìn)行長期治療和監(jiān)護(hù),，因此對患者進(jìn)行長時間的心電記錄有著極其重要的臨床價值。長時間的心電記錄能記錄到普通心電圖檢測時患者不易出現(xiàn)的短暫異常心電活動,，為病情分析提供重要依據(jù),。心電監(jiān)護(hù)儀在20世紀(jì)60年代首次應(yīng)用時只能監(jiān)測心電信號，稱為單參數(shù)監(jiān)護(hù)儀,。隨著大規(guī)模集成電路和微處理器的出現(xiàn),，目前的心電監(jiān)護(hù)儀已經(jīng)能監(jiān)測數(shù)十種參數(shù)。鑒于心電信號的難識別性以及心電監(jiān)護(hù)相關(guān)操作的專業(yè)性,，心電監(jiān)護(hù)的實(shí)施往往局限于醫(yī)院以及健康機(jī) 構(gòu),，患者日常心電監(jiān)護(hù)不易實(shí)施。

　　可穿戴式醫(yī)療儀器具有生理信號檢測和處理,、信號特征提取和數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ苣K,，可以實(shí)現(xiàn)對人體的無創(chuàng)連續(xù)監(jiān)測、診斷和治療,。傳統(tǒng)的心電監(jiān)測儀中,，各硬件裝置之間主要通過通信線纜連接，其操作平臺也基于有線裝置，雖在一定的場合如醫(yī)院以及社區(qū)等有一定的適用性,，但卻沒有與現(xiàn)有的個人通信終端（如移動電話,、掌上電腦、便 攜式電腦等）融合,。針對這種狀況,，本研究在保證信號采集質(zhì)量的前提下，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種更為便捷舒適的可穿戴式無線心電記錄儀,，采用低功耗心電采集芯片 ADS1191和低功耗單片機(jī)MSP430F2112組成信號采集電路,，采集的心電信號可通過藍(lán)牙傳輸?shù)酵ㄐ沤K端進(jìn)行顯示和分析；并利用無線傳輸和無線充電技術(shù)使整個設(shè)備完全密封,，實(shí)現(xiàn)了防水功能,，符合醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn)。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計

　　可穿戴式無線心電記錄儀應(yīng)具備功耗低,、體積小,、處理速度高的特性。本研究采用的心電電極片大小約為30~75 mm,?？紤]到心電電極貼的支撐能力，本研究預(yù)期的設(shè)備高度約 0.5 cm,，重量＜ 30 g,。模擬實(shí)驗結(jié)果表明，心電電極貼能夠很好地支撐該體積和重量的設(shè)備,，并且在運(yùn)動的時候不會脫落,。

　　心電記錄儀主要由電極貼連接模塊、心電前端,、主控單元,、藍(lán)牙模塊、無線充電模塊,、鋰電池,、穩(wěn)壓和電源管理模塊組成。

　　1.1 心電數(shù)據(jù)采集部分（模塊A）

　　設(shè)計體表心電信號具有幅值微弱和易受干擾等特點(diǎn),。該模塊采集到的心電信號經(jīng)過具備高輸入阻抗的差分放大電路進(jìn)行前置放大,，抑制零點(diǎn)漂移，減少共模信號的 干擾,；信號經(jīng)過進(jìn)一步放大（1000 倍左右）后,，再濾除干擾信號進(jìn)行電平提升 ；然后送入核心處理控制器進(jìn)行處理,。該模塊選用 TI 公司的低功耗心電采集芯片 ADS1191 實(shí)現(xiàn),，使心電信號經(jīng)過濾波,、放大、A/D 轉(zhuǎn)換等一系列處理后以 SPI傳輸方式送入低功耗單片機(jī) MSP430F2112 做進(jìn)一步的分析處理,；無線傳輸采用適用于袖珍設(shè)備的 HM-6 藍(lán)牙模塊（華茂科技公司生產(chǎn)）實(shí)現(xiàn),。

　　1.2 電源部分（模塊B）設(shè)計

　　無線充電技術(shù)源于無線電力輸送技術(shù)，市場比較主流的無線充電技術(shù)主要通過 3 種方式（電磁感應(yīng),、無線電波及共振作用）實(shí)現(xiàn),。無線充電模塊選用 Qi 無線充電技術(shù)和BQ24201 充電器實(shí)現(xiàn)。Qi 是全球首個推動無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織 - 無線充電聯(lián)盟（WPC）推出的“無線充電”標(biāo)準(zhǔn),，具備便捷性和通用性兩大特征,。Qi 無線充電技術(shù)利用磁共振在充電器與設(shè)備之間的空氣中傳輸電荷，線圈和電容器則在充電器與設(shè)備之間形成共振,，實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸,，其基本原理是在兩個線圈間形成共振從而實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。BQ24201 是一種用于鋰離子電池或者鋰聚合物的充電器,，將內(nèi)部高精度電壓調(diào)節(jié),、功率 MOSFET、溫度監(jiān)控,、充電狀態(tài)及充電終止電路集成在一個芯片上 ,；外圍元件少，節(jié)省空間及成本,。

　　電源管理模塊選用 BQ24312 作為鋰離子充電器的前端保護(hù)方案,，可提供 4.25 V 的過壓保護(hù) ；選用 ADuM5000 實(shí)現(xiàn)電源隔離,，ADuM5000 是一款基于 ADI 公司技術(shù)的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可為后續(xù)電路提供 5 V 電源隔離,。根據(jù)產(chǎn)品需求,，心電記錄儀需要執(zhí)行＞ 4 h 的無間斷心電信號的采集以及發(fā)送工作，對整體電路進(jìn)行估計后,，本研究擬采用 90 mAH 可充電鋰電池供電,。電源部分充電電路圖，見圖 2,。鋰電池經(jīng) MIC5205LB穩(wěn)壓芯片為 ADS1191,、MSP430F2112 以及藍(lán)牙模塊提供穩(wěn)定的 3.3 V 數(shù)字電壓和模擬電壓。

　　1.3 嵌入式軟件設(shè)計

　　心電記錄儀軟件開發(fā)環(huán)境采用 IAR 公司為 MSP430 單片機(jī)設(shè)計的交叉編譯器 IAR Embedded Workbench,，編寫語言為 C 語言,。系統(tǒng)軟件流程圖，為滿足低功耗的設(shè)計要求,，本研究在軟件設(shè)計上采用如下方法控制功耗 ：

　?、?按照功能將軟件劃分為幾個相對獨(dú)立的模塊,，由中斷觸發(fā) ；② 使用軟件控制暫時不工作的芯片進(jìn)入休眠或空閑狀態(tài),；③ 采用機(jī)器周期短的程式優(yōu)化各模塊程序,，降低整個系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行時間，從而降低系統(tǒng)功耗,。

　　2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測試

　　2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　設(shè)計并實(shí)現(xiàn)的心電記錄儀實(shí)物圖,，見圖 4。由圖 4 可知,，記錄儀主要分成兩部分,，其直徑均約 30 mm，厚約 5 mm,，整體長度約 10 cm,，重 25 g ；相互之間的連接線包括地線和電源線,；電極貼背部嵌有電極扣,，使用時直接扣在電極貼上。電極貼使用位置為左鎖骨中線下 3 cm 左右,。

　　心電記錄儀心電采集前端ADS1191與處理器MSP430F2112 運(yùn)行時的功耗為 0.98 mA,，藍(lán)牙實(shí)時發(fā)送數(shù)據(jù)的功耗為 16 mA。圖 6 為一位男性受試者接受測試時的心電波形,，可以看出,，經(jīng)過去噪、平滑等預(yù)處理之后的心電波形穩(wěn)定,、基線漂移不明顯,，P、QRS,、T 波特征明顯,，可用于心率失常分析。

　　2.2 系統(tǒng)測試

　?。?）輸入阻抗,。由信號發(fā)生器產(chǎn)生“100 mV 10 Hz”的正弦波，串一個 620 kΩ 的電阻接入心電記錄儀輸入端,，實(shí)測信號發(fā)生器的正弦信號幅值 U=98.8 mV,，記錄儀輸入端的電壓 U=95.84 mV，通過計算得知心電記錄儀的輸入阻抗 R=20.07 MΩ,。根據(jù)國家心電圖機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化文檔規(guī)定,，心電圖機(jī)的輸入阻抗須≥ 2.5 MΩ。因此,，心電記錄儀的輸入阻抗符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),。

　?。?）頻率響應(yīng)。在測試電路中,，使信號發(fā)生器的輸出信號頻率從0.1 Hz到150 Hz發(fā)生連續(xù)變化（即通常說的“掃頻”）并保持幅度 100 mV 不變,，在輸出端通過示波器或者其他記錄儀將放大器對于這種連續(xù)變化的相應(yīng)輸出電平記錄下來，即可得到設(shè)備的頻率響應(yīng)曲線,。經(jīng)測量在 0.1 ～ 150 Hz 的頻帶范圍內(nèi),，心電記錄儀信號放大倍數(shù)的波動幅度為2.37 dB，小于國家規(guī)定的 3 dB,，符合要求,。

　　（3）共模抑制比,。共 模抑制比指的是差模輸入時的放大倍數(shù)與共模輸入時的放大倍數(shù)的比值,，反應(yīng)了心電圖機(jī)的抗干擾能力。首先測量共模輸入時的放大倍數(shù),，從信號源引入“1.5 V / 50 Hz ”信號,，將其輸入短接的輸入端，信號源地線接右腳驅(qū)動,，記錄輸出信號幅值 ,；然后與差分輸入時的信號放大倍數(shù)進(jìn)行對比，經(jīng)計算共模抑制比為106.4 dB,，符合國家心電圖機(jī)標(biāo)準(zhǔn),。

　　3 結(jié)論

　　本研究設(shè)計并實(shí)現(xiàn)的便攜式心電記錄儀功耗低、體積小,，具有如下特點(diǎn) ：① 操作方便 ,， 測量簡單 ， 設(shè)備廉價 ,， 易于推廣使用,；② 測量無創(chuàng)、安全,、準(zhǔn)確、可重復(fù)性強(qiáng) ,；③ 可實(shí)時顯示波形 ,；④ 具備無線充電功能。該心電記錄儀產(chǎn)業(yè)化后可廣范用于心電信號的長期實(shí)時監(jiān)護(hù),。