MedTech - System-on-chip for battery-powered wearable ECG monitoring
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來源： 《微型機與應用》 作者：蔣躍
摘 要： 提出了一種可穿戴式心電醫療監護系統設計方案，該方案利用ZigBee技術，將若干可穿戴心電檢測終端，根據需求建構相應結構的無線傳感器網路，由伺服主機完成數據匯總、儲存、顯示等一系列資訊化管理功能。
0 引言
心電圖檢測監護機是臨床診斷、監測心血管疾病的動態心電圖，分析系統的重要組成設備，在有效地預防、監護心臟疾病中，發揮著越來越重要的作用。
但常規心電監護機需要病患靜臥測量，受時間、醫療場所等限制，不能適應病患發病的突發性、間歇性、短暫性等特點。同時常規監護機存在價格昂貴、體型笨重、不易移動的不足，無法滿足患者長期即時監控、記錄並分析的需要。
為此，很多新型的便攜式技術方案，與無線通信技術方案被提出，但普遍不能滿足可穿戴的要求。
相關資訊顯示，到2017年，世界上將會出現6.4億個可穿戴設備，它們主要用來監測人的身心健康。從可穿戴的健康追蹤設備、放鬆冥想監測設備、睡眠監測設備、心臟狀況監測設備，到智慧手錶和眼鏡，可穿戴產品具有廣闊的發展空間。
但常規心電監護機需要病患靜臥測量，受時間、醫療場所等限制，不能適應病患發病的突發性、間歇性、短暫性等特點。同時常規監護機存在價格昂貴、體型笨重、不易移動的不足，無法滿足患者長期即時監控、記錄並分析的需要。
為此，很多新型的便攜式技術方案，與無線通信技術方案被提出，但普遍不能滿足可穿戴的要求。
相關資訊顯示，到2017年，世界上將會出現6.4億個可穿戴設備，它們主要用來監測人的身心健康。從可穿戴的健康追蹤設備、放鬆冥想監測設備、睡眠監測設備、心臟狀況監測設備，到智慧手錶和眼鏡，可穿戴產品具有廣闊的發展空間。
本文提出一種基於專用心電晶片，BMD101的可穿戴心電圖監測系統的設計方案，以滿足即時監護和數據的儲存、處理與警報等數據管理資訊化新形勢下，醫療護理的需求。
1 心電晶片BMD101
BMD101是美國NeuroSky推出的，第三代生物信號檢測和處理的SoC晶片，圖1（a）所示為8腳封裝。1腳為片選控制端，2腳為ECG類比輸入端正極，3腳為ECG類比輸入端負極，4、5腳為UART收發端，6腳為系統複位端，7、8腳為電源端。
該晶片體積小，功耗低且採用乾電極傳感器。其與微處理器的接口電路通過圖1（b）所示的UART實現，因此可以很便利地應用於可穿戴設備及便攜式設備中。
該晶片體積小，功耗低且採用乾電極傳感器。其與微處理器的接口電路通過圖1（b）所示的UART實現，因此可以很便利地應用於可穿戴設備及便攜式設備中。
BMD101類比前端，主要由低噪聲放大器、ADC類比數位轉換器，以及一個檢測感應器，脫落的檢測電路組成，具有極佳的降噪功能。
可採集從滋V到mV的生物信號，採樣頻率為512 Hz，類比數位轉換器採用16位精度。結果經過截止頻率為，100 Hz的低頻濾波器濾波後，透過UART輸出。
可採集從滋V到mV的生物信號，採樣頻率為512 Hz，類比數位轉換器採用16位精度。結果經過截止頻率為，100 Hz的低頻濾波器濾波後，透過UART輸出。
BMD101數據包輸出格式，則採用ThinkGear Packets類型，如圖2（a）所示[10]：數據包的報頭，由兩個同步幀，和一個告知有效數據長度的字節構成；緊接著發送實際數據代碼；最後發送有效數據的校驗和。
其中有效數據內部，也按照一定的格式定義，來確定所發送的數據性質，及其具體表徵內容及含義，如圖2（b）和表1所示。有效數據，以0或者多個，用以指示擴展碼等級的擴展碼（EXCODE）開始，擴展碼等級則用以說明，後續的代碼所屬的數據類型。緊接著是數據的代碼，和數據的長度資訊，最後發送代碼對應的數據值。
其中有效數據內部，也按照一定的格式定義，來確定所發送的數據性質，及其具體表徵內容及含義，如圖2（b）和表1所示。有效數據，以0或者多個，用以指示擴展碼等級的擴展碼（EXCODE）開始，擴展碼等級則用以說明，後續的代碼所屬的數據類型。緊接著是數據的代碼，和數據的長度資訊，最後發送代碼對應的數據值。
對心電信號的解釋流程偽代碼如下：
（1）讀取等待同步幀字節（0xAA）；
（2）讀取下一個字節並判斷是否為同步幀字節（0xAA），如果不是回到步驟（1）；
（3）讀取數據長度字節[PLENGTH]；
（4）讀取有效數據並進行校驗和運算；
（5）將校驗和累加器低位字節取反；
（6）對比數據的校驗和[CRC]，判定是否一致，不一致則返回步驟（1）；
（7）進入數據解釋循環，直至解釋完成：
①解釋並統計擴展代碼[EXCODE]（0x55）的個數；
②解釋當前數據流代碼[CODE]；
③如果可能，解釋當前數據的長度；
④基於前面的擴展碼及長度等資訊，解釋和處理數據流的數據資訊；
⑤如果數據流沒有解釋完畢，回到步驟①繼續。
簡言之，BMD101的核心是一個功能強大的系統管理單元。它負責整個系統的配置、運行管理、內外通信、專有算法計算和電源管理，為可穿戴設備的應用提供了保障。
2 系統硬體設計
2.1 系統頂層設計
頂層設計如圖3所示。利用ZigBee組網技術，將協調器與可穿戴心電檢測節點，建構成無線傳感器網路，協調器經COM串口，或UART與由伺服器主機連接，借助軟體平台實現數據的採集、儲存、顯示、回調與警報等，一系列資訊化管理功能。
2.2 心電監測節點設計
節點電路方案如圖4所示。心電監測模組選用BMD101專用心電晶片，STC微處理器模組負責數據收集，經由ZigBee CC2530無線模組，完成組網和數據通信；節點採用鋰電池供電，經LM1117電源模組為微處理器，和CC2530提供穩定的電源輸出。監控平台由ZigBee CC2530無線模組、電腦及監控軟體組成。
可穿戴節點原理圖及實物，如圖5所示。
3 系統軟體設計
系統軟體設計，包括STC微處理器系統、CC2530節點系統、CC2530協調器系統，和電腦上位機軟體平台。整個系統上電啓動就緒後，按照以下流程進行：STC微處理器負責接收心電晶片BMD101的心電數據，並由SPI傳輸至CC2530；CC2530在接收到數據後，週期性地向協調器發送數據；協調器接收到數據後立即上傳至電腦；電腦接管數據並保存，以及按照用戶指令，執行相應操作。各子系統的流程圖如圖6、圖7所示。
4 實驗結果
圖8為本系統，採集的一組心電圖數據。透過比較分析可以得知，所測數據可以完整地顯示心電圖波形，基本功能已經實現。與正常心電圖比較，各個波形的時間和幅度，基本在典型值範圍內。誤差主要來自電極導線，與皮膚之間的接觸干擾。所測數據與醫用動態心電機測得數據比較，差別在於波形的平滑度，還需後期的濾波算法等技術處理。
5 結論
本系統方案能很好地實現，可穿戴心電圖監控功能。由於其充分利用了ZigBee無線通信技術，系統具有以下創新點：
（1）可穿戴：延伸了監測對象的活動範圍；
（2）可實現身份辨識：由於每個終端都具有唯一的ID，可與病患身份捆綁；
（3）資訊管理智會化：該系統可以更加方便，有效地將資訊的獲取、處理、儲存和交流於一體，實現管理資訊化，利用監控平台可以提高應急響應的速度和效率；
（4）網路化：透過ZigBee無線傳感器網露技術，可將所有的心電傳感節點，根據需要建構相應結構的網路；
（5）相對與現有的心電圖測試監控儀器設備，該系統成本低。
（1）可穿戴：延伸了監測對象的活動範圍；
（2）可實現身份辨識：由於每個終端都具有唯一的ID，可與病患身份捆綁；
（3）資訊管理智會化：該系統可以更加方便，有效地將資訊的獲取、處理、儲存和交流於一體，實現管理資訊化，利用監控平台可以提高應急響應的速度和效率；
（4）網路化：透過ZigBee無線傳感器網露技術，可將所有的心電傳感節點，根據需要建構相應結構的網路；
（5）相對與現有的心電圖測試監控儀器設備，該系統成本低。
此外，由於個人的生理體徵都不一樣，其相應心電圖資訊也不相同，需要一個數據採集、訓練，以及優化的過程，以確保數據分析與診斷的可靠性和可信度。這是投入應用前，需要深入進行的工作。
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