一种便携式心电信号采集装置的研制
一种便携式心电信号采集装置的研制
心脏病具有病情隐匿、发展缓慢、发病危险因素多等特点，做到积极预防、早期发现、及时诊疗，对疾病的治疗和预后改善具有重要意义。传统的静卧式心电图检查由于时间短、数据量有限，难以有效监测心脏病的突发状况。因此，设计研发一种携带式心电信号采集装置具有重要意义。
心脏病具有病情隐匿、发展缓慢、发病危险因素多等特点[1]，做到积极预防、早期发现、及时诊疗，对疾病的治疗和预后改善具有重要意义。心电图是治疗该病的重要依据，具有操作简单、无创等优点。常规心电图检查是由心电图检测仪记录平静状态下心电活动，一般耗时 5 min 左右，由于时间短仅能获得较少的相关心血管数据，因此有限时间内发现心律失常的概率较低[2]。所以需对患者进行长时间实时监测，才能有效记录患者的心电图数据。由于心脏病发病具有突发性，患者无法长时间静卧于医院门诊，无法实时监测心电信号，因此设计研发一种携带式心电信号采集装置具有重要意义[3]。
心电信号采集装置的设计
设计流程
心电信号采集装置的设计是通过信号采集贴（内置传感器）从被检测者左胸前收集心电信号，通过蓝牙连接传输到心电信号检测仪，心电信号检测仪对接收信号进行滤波处理，并将处理的数字信号转化成数据信息存放至闪存芯片中[4]；信号收集完成后 , 装置将储存在闪存芯片里的心电图数据传输到连接机进行分析。
功能实现
心电信号采集装置的设计需具备体积小、可随身携带、耗能低、重量轻、容积大且使用便捷、操作简单，能 24 h 记录心电图数据的特征。心电信号的传输有多种方法，其中，2.4 GHz的手机蓝牙较常用。蓝牙功能是标准配置，使用蓝牙通信是目前最为便捷的一种数据传输方式[4]。传统心电信号的处理方法多采用微控制器实现，但微控制器资源对心电信号的处理方法较受限。近年来智能手机发展十分迅速，手机的处理器速度也加快，与此同时手机同互联网的连接十分方便。基于此，本研究选用手机蓝牙传送心电图数据信息，运用手机的中央处理器对心电图信息进行处理，便于查看相关数据。
设计构成
心电信号采集装置由数据信号采集模块、信号分析显示模块及移动智能终端构成。（1）数据信号采集模块包括心电信号检测仪和心电信号采集贴。其中，心电信号检测仪运算放大器设计方案：包含主放大 2 级运算放大器设计方案，该模块可将薄弱心电信号放大到 A/D 变换键入口所需要的信号电压。心电信号采集贴内嵌微型信号采集电极和圆形薄片电池，可重复使用[5]。（2）信号分析和显示模块选用易随身携带的移动智能终端（手机或笔记本电脑）实现，可以查看分析和存储，也可以利用历史记录进行数据比较、分析。（3）移动智能终端：采用智能手机或平板电脑，易于携带，凭借移动智能终端自身用于连接远程互联网的 wifi 挪动网络接口，将心电图数据传输至云管理平台[6]。 心电信号检测仪如图 1 所示，心电信号采集贴[7]如图 2 所示。
图 1 心电信号检测仪
图 2 心电信号采集贴
心电信号采集装置框架与功能实现
心电信号采集装置的整体框架
如图 3 所示，心电信号采集模块总共由 5 个部分组成，包括信号采集、信号调理单元、信号预处理、无线收发及电源管理。采集模块将数据传输至智能终端实现数据分析[8-9]。便携式心电信号采集装置设备见图 4。
注：ADC 为模拟数字转换器
图 3 心电信号采集装置的整体框架图
图 4 便携式心电信号采集装置实物图
心电信号的传输功能与实现
心电信号的传输是通过微控制器与蓝牙模块经串口连接，蓝牙串口与单片机的串口相连，控制和监控蓝牙模块的状态[10]。心电信号由氯化银电极从人体体表采集心电信号，心电信号采集模块将接收信号的传感器进行信号放大、高低通滤波后发送给主控制器，主控制器 TM4C123GH6PM将优化后的心电信号进行 A/D 转换[12-13]，转换后的数字信号通过低功耗蓝牙 WH-BT200 模块传输给智能移动终端，完成整个心电系统的检测功能，实现心电信号的采集、传输、转换、分析与储存。
心电信号采集装置的性能验证
使用稳定的多参数生理仿真仪（FLUKE，型号：PS420）主 要 从心率、灵敏度、幅频特性 3 个方面验证该装置性能。该多参数生理仿真仪可以模拟不同的心电信号及多种心律失常信号，其中模拟心率最大允许误差为 ±5 次 /min、灵敏度最大允许相对偏差为 ±5%、幅频特性最大允许相对偏差为 -10%~+5%，其计量特性主要依据 JJG760-2003《心电监护仪》[14]国家计量检定规程及 JJF1470-2014 多参数生理模拟仪校准规范，全部符合心电信号检测要求。通过设置代码发送测试波形验证心电图检测仪各项参数的准确度及功能。该仿真仪用于日常医院心电图机计量检测，并通过使用该机器对本设计装置进行测量，其心率采集误差为 1 次 / min，符合最大允许误差范围要求标准；灵敏度检测相对偏差为 0%，符合最大允许相对偏差范围要求；幅频特性检测相对偏差为 -5% ~ 0%，符合最大允许相对偏差范围要求，综合所测数据符合国家心电图机计量检定规程内允许的误差。具体检测数值见表 1 ~ 3。
表 1 心电信号采集装置心率检测结果
表 2 心电信号采集装置灵敏度检测结果
表 3 心电信号采集装置幅频特性检测结果
总结
本研究专为心电信号采集而设计的一款便携式采集装置，通过比较，结果显示本设计装置在心率、灵敏度、幅频特性等方面具有良好的稳定性，符合相关标准要求，结果满意，且装置具有体积小、易穿戴、成本低，可随身携带的优势[15-16]。总之，本研究设计的便携式心电信号采集装置的研制基于移动终端应用软件开展心电图检查，实现医师及患者自主实际操作，促使心电信号检测不受地域、时间等限制，实际操作方便快捷、简单实用；另外还可以给临床医师提供一种方便快捷获得患者的心电图检查数据信息的渠道，及时确诊给出具体的治疗指导方案。
【参考文献】
［1］陈晓亮 . 心脑血管疾病发病风险的前瞻性队列研究 [J].医药卫生科技，2021（12）：90.
［2］李兴秀 . 基于深度学习的心电信号心律失常分类方法研究 [J]. 医药卫生科技，2023（2）：55.
［3］黄经纬 . 生物信号采集与分析系统的设计与实现 [J].上海工程技术大学，2023（1）：96.
［4］杨磊，张超，梅杨杨，等 . 便携式快速心电仪的设计与实现 [J]. 中国医疗设备，2010，25（8）：11-13.
［5］陈静，程楠，向馗 . 便携式心电监护仪的低功耗设计与仿真 [J]. 武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2009，31（3）：401-403.
［6］杨猛，吕卫，宋垣 . 基于 Android 的心电监护系统设计 [J]. 电视技术，2015，39（14）：34-36.
［7］周伟，刘伟，邱清富，等 . 生物医用电极制造技术及应用研究进展 [J]. 科学通报，2015（15）：17-18.
［8］黄艺聪 . 基于蓝牙的便携式心电监护仪的设计 [J]. 电子世界，2021（16）：190-191.
［9］马建峰 .便携式心电监护仪的设计与实现 [D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2017.
［10］刘照阳，舒明雷，孔祥龙，等 . 蓝牙心电采集终端的设计与实现 [J]. 自动化仪表，2018（8）：79-82.
［11］赵凯 . 智能网络心电仪的研究与设计 [J]. 齐鲁工业大学，2019（9）：107-110.
［12］陈茜，欧阳绳武，马新宇，等 . 心电信号采集数字滤波算法优化 [J]. 现代电子技术，2019（4）：12-13.
［13］庄陵，唐园园 . 低灵敏度 FIR 滤波器优化结构 [N].华中科技大学学报（自然科学版）， 2021，49（1）：55-62.
［14］国家质量监督检验检疫总局 . JJG760-2003《心电监护仪》[S]. 中华人民共和国国家计量检定规程，2003（11）：28.
［15］汪继龙 . 心电监测系统数据分析的智能方法 [J]. 医药卫生科技，2023（1）：125.
［16］况桂英，刘丁. SQL Server 数据库应用与维护技术分析 [J]. 集成电路应用， 2022，39（5）：132-133.
本文原文来自《医疗装备》杂志