熊扬成1，许武军1，2，于浩1

　　（1.东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620； 2.教育部数字化纺织服装技术工程研究中心，上海 201620）

摘要：当今心脏病发病率越来越高，为了更好地采集和研究心电信号，介绍了一种基于蓝牙低能耗（BLE）PSOC的心电图（ECG）穿戴装置的设计。该穿戴装置通过非接触式电势集成电路(EPIC)采集心电信号，经过模拟前端(AFE)信号调理电路，由智能蓝牙可编程片上系统(PSOC 4BLE)对信号做进一步处理，通过智能蓝牙(Smart Bluetooth)将心电图数据传输到智能移动终端的应用程序实时显示。

　　关键词：蓝牙低能耗；心电图；可编程片上系统；穿戴装置

0引言

　　目前,世界上心脏病的死亡率在因病死亡人数中不断提升，心脏疾病被越来越多的人关注和重视。由于心脏病具有病情隐蔽、发病危险性高的特点，它对心脏病患者的危害性极大。对心血管疾病的研究一直是医学界的一个重要研究课题，尤其是对心电的研究。心电信号中带有大量的有关心脏状态的信息，而且心电信号可以在人体表面无损害地被检测出，不会给病人造成任何损害。心电图机所记录的常规心电图，可以反映心脏活动的变化，是心血管疾病诊断的重要手段。但是，心律失常发生的概率相对较低，而常规心电图记录时间很短，因此往往难以捕获。例如一些心律失常的病人，其心律失常发生的频率非常低，出现时间也毫无规律，需要相当长的连续观察才有捕获的可能。因此需要一种能够实时记录并分析心脏活动的监护系统［1］，对患者进行监护，及时对心脏的异常活动作出判断，以便医生及时诊断和治疗。

　　利用心电图（ECG）等有关心电活动的曲线和图形资料为临床提供诊断信息，是心血管病不可缺少的检查诊断方法。心电是一种生物电，而生物电是生命最重要的特征之一。将智能穿戴式技术应用于心脏疾病监护领域［2］，不仅能够实现生理健康指标的实时监测，而且还具有良好的社会经济效益。对ECG系统的研究由来已久，然而随着时代的进步，传感器技术、通信技术以及系统的集成技术都发生了革命性的改变，因此ECG系统也相应地有了很大改变。

1ECG穿戴装置总体设计

　　EGC穿戴装置由模拟前端（AFE）、主控平台（PSOC 4BLE）、智能移动终端三部分组成。如图1所示。

2穿戴装置硬件设计

　　2.1模拟前端（AFE）

　　模拟前端主要由生物传感器PS25255、仪表放大器AD8221、电阻、电容构成，完成信号采集和初步处理。PS25255是Plessey公司研发的非接触式电势集成生物传感器（Electric Potential Integrated Circuit,EPIC），具有超高的输入阻抗、干接触电容耦合、适合的截止频率（200 mHz和20 kHz）等特点。

　　2.2主控平台

　　主控平台的主要工作是进行进一步的信号处理，存储数据并通过自身集成的低功耗蓝牙将数据发送给移动终端。EPIC采集到的心电信号含有很多噪声，包括［25］：

　　（1）基线漂移，由电极移动、人体呼吸等低频干扰所引起，频率小于5 Hz。

　　（2）肌电干扰，由于人体活动、肌肉紧绷等原因所引起的干扰，其频率范围广。

　　（3）工频干扰，是由公共电网以及各种用电设备产生的固定频率的干扰，频率为50 Hz。

　　（4）运动伪迹，由电极移动引起的短暂基线改变，这是动态心电记录中由于人体移动或抖动产生的不可避免的干扰。其持续时间为100~500 ms，幅度可达记录放大器满输出，即所谓的跃变干扰。

　　为了得到理想的心电信号，必须对EPIC采集到的心电信号进行滤波。EPIC传感器输出的心电信号幅值为10 mV，需要将其放大到V级别才能进一步处理。要想实现数据的远距离传输和存储，模数转换是必须的。

　　无论是滤波、放大、模数转换，还是ARM微控制器、蓝牙传输，将通过一块可编程芯片完成，本设计选用赛普拉斯（Cypress）的PSOC 4BLE。

　　PSOC 4BLE有非常丰富的模拟和数字块资源，本装置将使用到的资源有：4个运放（分别用作两路二阶低通滤波，1个右腿电路，1个差分放大）、1个SAR型模数转换器(10位)、微控制器（ARM CortexM0）、1个低功耗蓝牙（BLE）。具体配置见图2。

3穿戴装置软件设计

　　PSOC Creator是一个专门用于PSOC3、PSOC4、PSOC4BEL、PROC BLE和PSOC5LP等系列产品进行硬件和应用固件开发的集成开发环境，其综合了通常使用的基于文本语言的编程方式和基于图形化编辑语言的编程方式。PSOC Creator使用的第一步是根据用户需要，自行选择芯片集成的模拟和数字资源模块，只需将需要的模块拖至原理图即可，然后将各模块按输入输出实际情况连接（还可以加上片外电阻电容等）。接下来只需要设置好芯片实际对应的引脚，图3主控平台软件流程图

　　PSOC Creator即可以根据系统丰富的API函数生成用户自己的工程。用户只需要编写自己的main函数即可，当然如果需要，用户也可以自行编写API函数。PSOC Creator提供了丰富的API函数，又可以让使用者创建自己的库函数，极大地提高了设计效率和灵活性，使用起来非常方便实用。主控平台软件流程图如图3。

4智能移动终端

　　穿戴装置的智能移动终端平台采用Android平台［4］，显示应用程序可自行开发定制，也可以使用Cypress公司提供的CySmart1.1安卓端应用程序。使用CySmart需要对BLE模块进行相关配置，如GATT role、GAP role，本设计中应将PSOC 4BLE端GATT配置为server，而GAP role设置为peripheral。相应地，智能移动终端作为GATT client，GAP role为central device。然后对所要添加的服务（service）的特征（characteristic）和描述（descriptor）进行配置。

5实验结果

　　图4为智能移动终端应用程序CySmart，可以看到图中显示的ECG正是搜索到的PSOC 4BLE搭载的BLE设备，PSOC 4BLE作为GATT server将采集到的心电数据传输给GATT client的数据库GATT DB，即智能移动终端。

6结论

　　本文提出了一种将智能穿戴式技术应用于心脏疾病监护领域的设计方法，实现生理健康指标的实时监测。本装置使用了可编程片上系统（PSOC 4BLE），利用其丰富的片上模拟数字资源，使滤波、差分放大、A/D转换，甚至数据无线传输都在一块小小的芯片上完成，这样既可以大大降低穿戴设备的功耗，又可以减小设备的体积。可编程片上系统在穿戴设备上的应用将会越来越多。值得注意的是，若要将本装置做成产品，模拟前端和主控平台必须要做在一块PCB板上，则蓝牙天线的布局需要特别注意，既要将产品体积做小，又不能影响产品性能。

参考文献

　　［1］ KONG K Y,NG C Y，ONG K.Webbased monitoring of realtime ECG data［C］.Computers in Cardiology,2000:189192.

　　［2］ WANG C S,LIU C W,WANG T H.Implement a low noise portable ECG circuit［C］.Ancanced Materials Research,2011:13271332.

　　［3］ 黄敏松，行鸿彦，刘建成.ECG监护仪前置放大电路的设计［J］.现代电子技术，2007，16(8):187189.

　　［4］ 肖菊兰，王嘉辉，曾丽君，等.基于Android系统的心电传输与显示系统设计［J］.医疗卫生装备，2015,36(6):3537.

　　［5］ 潘静，郭兴明，陈旻.远程心电监护中ECG信号的提取［J］.计算机测量与控制，2008，16（9）:13191321.