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一种低功耗，小型化的，用于监测心脏的智能柔性电极的心电图数据采集系统
摘要
随着人口老龄化以及健康问题的出现，慢性心脏病已成为公众关注的焦点。持续几个小时用一个舒适的、低功率的、可穿戴的心电图(ECG)系统监控老年人的心电图信号，对预防心血管疾病是非常重要的。传统心电图监测设备通常是不方便携带的,因为它需要许多电极附着在胸部,并且它的功率较高。设计一个满足人们需求的心电图仪是一个挑战，人们的需求包括舒适满意度，包装坚实等。基于这些考虑,本研究提出了一种可穿戴式生物传感器采集系统,设计采用三个柔性电极和一个任何时候都可以用的、专门用于心电图监测的医疗保健应用程序来记录电路。另外还采用几种方法来降低设备的功耗。该系统由三个部分组成:(1)一个心电图模拟前端(AFE)；(2)数字信号处理和微控制电路；(3)系统软件。使用数字滤波器来消除基线漂移,皮肤接触产生的噪音和其他干扰信号。比较研究这个系统，观察其性能与两个商业霍尔特显示器之间的实验现象。实验结果表明,这个心电采集器系统的总功耗在一个完整周期只有29.74mW。此外,这种低功耗系统测量心跳时表现良好而且稳定，测得的心率精度为98.55%。添加有机发光二极管(OLED)模块来进行实时显示，通过蓝牙4.0模块可以进行无线传输。
关键字：可穿戴设备，弱信号检测，灵活的柔性电极，生物医学信号处理
绪论
随着经济和工业技术的迅速发展,生活的紧张和压力与日俱增，从而导致了一些负面的影响,如忧郁、失眠、焦虑、紧张等。这些情绪伴随着快速变化的生活习惯和生活方式,导致慢性心血管疾病的增加。慢性心血管疾病极大地威胁着全世界人类的生命安全，成为导致死亡的主要原因。因此，通过心电图(ECG)连续几个小时动态监测一个人的健康具有重要意义。一个连续的心电图提供了心率周期的节奏，而且可以通过在胸部或四肢的非侵入式电极来测量。心电图的应用对预测慢性心血管疾病具有重要的意义。因此,一个可用于长期监测，预防心血管疾病和识别患者的症状体征异常条件的动态心电图采集系统是急需的。
目前,一些用于诊断慢性心血管的心电图测量设备已经得到了开发和应用。例如,一个IMEC公司推广的，带有数字信号处理和无线数据传输功能的完整心电图设备系统；BioSenseTeKep提出了基于pc的12导心电图监测装置，可以连续记录24小时心电图数据,然而,前面提到的所有产品都专注于心电图信号采集和处理功能,但是使用起来并不是特别舒适。因此,提供舒适和方便的方法来测量心电图是非常重要的,而且现在越来越需要一种低功耗的，坚实的，可穿戴的心电图设备系统。
一般来说,心脏病患者必须携带笨重的设备来连续监测他们的心电图,几个电极和电缆在他们周身使他们不舒服，并且大大限制了他们的行动。然而,在过去的几年里，电子产品已经得到了发展,从而提出了更具成本效益的方法来取代传统的对动态心电图监测的方法。例如,传统上湿电极是被用来收集心电图信号，但是已经被证明不是一种长期心电采集设备的理想材料。如果长期使用,因为脱水，湿电极可能会导致皮肤过敏和信号退化。许多新方法论着调查研究制作可穿戴心电图系统上的电极。例如,最初,Baek等人提出了一个基于PDMS的灵活的干电极心电图监测，这是利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为一种生物相容性的材料。Gruetzmann等人介绍了一个柔软而灵活的电极，通过降低电极和皮肤的阻抗来提高人工产品的监测功能。这些证明了改进的电极具有良好的导电性，并且是产品更舒适。
此外,人们对舒适的，低功率,耐磨,心电图采集系统的需求将会增加,这个设备可以连续穿戴几个小时,在日常生活中适用于不同的情况。随着电子产品的发展,用于测量人体心电信号的生物传感器，其无线连接功能和低功耗的要求得到解决。越来越多的具有成本效益的方法被提出来代替传统方法对动态心电图的监测。当通过蓝牙模块传输心电图信号时，这个系统可以达到总功耗为13.34mW。2012年，基督教等人展示了一个关于超低功耗无线生物传感器长期监测心电图信号的系统的分析。尽管在力量优化和架构方面也取得了显著的成功,但是在现实应用中，作为一个完整的系统来提供舒适的长时间持续测量时，却被报道其不工作。
为了提高系统的整体性能,这个项目提出了一种低功耗采集系统,并且为了达到舒适,方便,和心电图测量的准确性的目的，这个项目使用一种灵活的聚吡咯柔性电极作为输入电极。我们研究提出的穿戴式心电图系统，着重于生物电势系统的舒适和性能采集，从而可以增加电池寿命，并且改善病人的生活质量。
此外,未来在慢性心脏疾病的卫生保健环境中连续进行监测的心电图系统的流程图如图1。首先，身体的潜在信号是通过生物传感器获得的。然后,一个低功耗模拟前端电路将对数据进行加工、分析和传输到远程数据库云计算和远程医疗服务上。未来的心电采集系统的优良性能延续了传统的心电图监测,并进一步在舒适、方便、数据安全、大小、异常可预测性、节电等功能上得到了发展。因此,未来的心电采集系统将实现长期、实时、高精度和动态监测的功能,并且可以为患者提供高质量的医疗保健服务。此外,未来心电图系统将满足临床需求,如最小运动工件,一个精确的测量,和用户需求。例如,设备应该使用方便,穿戴舒适,不需要充电,体积小并且薄而灵活。与此同时,未来的心电图系统也将满足一些扩大的需求：信号处理,数据安全和无线传输。
图1 未来的心电图系统流程图
一个可穿戴的心电采集系统的设计
一个来自心脏肌肉细胞的电子生物电势称为心电图信号,通常通过附加电极来测量病人的皮肤来获得。此外,电极在心电图监测中获得弱ECG信号方面发挥着重要作用。
电极设计
最近,大量的专家和学者们为了在家庭换环境中，获得实时、连续动态的心电图监测而研究各种心电图电极。几十年前,传统的医学湿电极应用于可穿戴式的健康监测系统。然而,长期使用湿电极存在一个毒性问题。长时间使用的话，会随着时间的推移使人不舒适，而且电阻抗也会发生变化,因此使用湿电极来重复监测心电图，会比较昂贵和不方便。所以,湿电极可能不是设计可穿戴式生物传感器系统的一个好材料。
目前,将柔性电极嵌入智能运动衫来监测心电图的应用，包括老年心电监测、远程医疗、运动或极端条件,婴儿监控和临床使用。与Ag/AgCl电极不同,柔性电极已被证明是一个有用的电极，它可以克服电极只能使用一次而不可回收的限制，并且穿着舒适。Ag/AgCl电极需要凝胶电解质才能有效地工作。这种凝胶可能会刺激皮肤,引起皮疹反应,如果使用了很长一段时间会增加电极体的阻抗,从而会造成运动伪影和噪声。
然而,最近文献报道证明大多数柔性电极和皮肤之间的阻抗高,因为材料和电极表面的不规则。因此,一个穿戴舒适并且可以克服前面提到的一些问题（如皮肤过敏和信号退化）的柔性电极是迫切需要的。随着导电聚合物的发展,我们提出了不同的制造方法和材料。将绝缘的柔性纤维转换成灵活可靠的导体成为了一种可能。在各种各样的导电电极中，FPTEs被证明有一些理想的特性，比如,没有毒性,导电性高,重量轻而且导电性和稳定性得到改善,它们减少了皮肤和电极之间的电化学阻抗不匹配的情况,从而避免了使用导电凝胶。此外,为了达到舒适、导电率和其他方面的要求，FPTEs包含了良好的机械性质、比较高的热导电率、有弹性等性质，这些使得它可以取代绝大多数的柔性电极。因此,我们使用FPTEs和5times;4厘米的柔性电极嵌入到被选为可穿戴的心电采集系统输入电极的服装中。柔性电极结构如图2。电极在运动衫的分布和我们设计的心电图系统如图3。
图2 灵活的聚吡咯纺织电极的结构
图3 分布基于可穿戴运动衫和心电图电极系统
系统设计
一个低功耗的硬件系统作为可穿戴心电图系统的重要组成部分,应该具备穿着舒适,规模较小，抗干扰特性和高精度等特性;它还应该可以使用电池供电连续工作超过24小时。因此,在我们的研究中,我们设计并实现了一个硬件电路来达到这些要求。硬件结构组成帧如图4。在这项研究中,一个高度集中的一个整流/回馈电路被选择来处理原始的心电图信号。在一个单片机高级精简指令集计算机机体系结构的基础上,采用从模拟到数字采样,记录、显示、过滤和分析心电图信号。其中微控制器单元(MCU)的外围设备包括一个OLED显示器,一个蓝牙4.0模块,一个安全的数字存储器(SD)卡和一个电源管理模块。
图4 结构组成框架的提出可穿戴的心电采集系统
系统硬件
可穿戴的心电采集系统的总体结构组成框架的由三部分组成:(1)心电图AFE,(2)数字信号处理和微控制电路,(3)系统软件。心电图AFE是用于不失真地采集微弱的生物医学信号。微控制电路是用于数字信号处理的，即通过取样、过滤、处理将模拟信号转化为数字信号，并存储和显示心电图信号,它具有控制和管理能力。因此,系统软件是用来尽可能多的降低功耗的。
为了进一步降低功耗,选择一款由ST公司生产的，超低功耗的单片机STM32L476。这是一个灵活的、可选择的、低功耗可穿戴式生物传感器系统。单片机通过三个嵌入到运动衫面料的柔性电极来采样、过滤、提取特征值,然后显示和存储测量的数据。然后,单片机通过蓝牙设备传输数据。此外,单片机可以发出指令来启动或关闭测量。例如,单片机可以通过键入（键盘输入）的方式来关闭OLED显示器。整个系统的信号流图如图5。
图5 提出的整体信号流图可穿戴心电图获得系统
一般来说,传统的心电图采集装置由一个放大器、Sallen-Key滤波器或尼奎斯特低通滤波器和一些用于实时心电图监测的外部功能电路组成。设备需要大量离散的组件,这违反了小尺寸和低功耗的设计目标。为了解决所面临的规模和功耗的挑战,我们设计了一个完全一体化的集成电路，以及可以快速自我恢复的数字信号处理和自动开始监测的微控制电路。集成电路包括两个缓冲放大器,一个低通滤波器,交流耦合,一个低功率全微分仪器前置放大器、一个高通滤波器,一个额外的放大器和drive-right-leg电路。AFE的细节原理如图6所示。
图6 提出可穿戴的AFE示意图心电图获得系统
因为皮肤和电极之间的高输入电阻,以及人体的等效电阻较高,所以为了消除分压器的影响，AFE的等效输入电阻应该非常大。在这项研究中,两个输入缓冲放大器(Max406)采用足够高的输入电阻，从而减少了引入电极时的噪声干扰。
心电图信号很容易受到运动工件和电源干扰的影响。为了提高信号的强度和改善心电图信号采集的质量,我们采用了一个微分测量放大器(INA321)。它被用作前置放大器来消除共模噪声高的信噪比。LMV721由德州仪器制造，被用来作为一个额外的放大器来获得高增益。此外,交流耦合电路用来测量几个弱心电图信号,从而构成了高通无源滤波器，其截止频率为0.4HZ。一个阻容低通滤波器的截止频率为100HZ。此外,传统的右腿驱动电路被用来提高共模抑制比(CMRR)。我们还设计了一个电源管理模块来为系统提供一个稳定的电压,以及将一个看门狗算法集成在单片机上，从而检测和恢复到正常状态。单片机芯片固有的模拟-数字转换器(ADC)应用于这个系统，从而进一步减少体积和功耗。
此外,为了提高实用性,两种模式(柔性电极模式和表干电极模式)可以通过检测电极的类型来自动选择。主要模式是柔性电极模式，它可以连续几个小时监测心电图信号。表干电极模式,作为辅助模式,常被用来测量短期的心电图。当通过双手，将干电极表面触摸板嵌入选择的测量电路的表面时，心电图数据可以通过OLED显示模块实时显示出来。AFE电路采集的心电图数据是通过一个超低功耗的蓝牙(CC2541)设备传输给智能手机的，它的成本低、效益高，适合无线低能耗的应用程序。当配备了相应的通信应用软件的android操作系统的智能手机收到数据之后，会将数据应用到一个额外的软件来过滤、处理、记录和显示。
系统软件
在我们的研究中,除了无线电频率的干扰,还有许多其他类型的噪音,如基线漂移和50Hz电源线干扰,仅仅是硬件电路是无法完全消除的。因此,应该使用软件方法来消除噪音。考虑单片机的能力,选择多步有限脉冲响应切口数字滤波器来去除50Hz电源噪声的干扰。根据先前的研究,ECG信号的噪声来源主要是肌电图的干扰,频率干扰,运动工件和呼吸或体育活动引起的干扰。因此,使用卷积方法得到一种用于平滑的ECG信号平均心电图记录值的，自适应FIR数字滤波器。此外,几种方法可用于去除基线漂移,如三次样条插值、结构变换、中值滤波、零相位和曲线拟合。基于单片机的处理能力和ECG信号的频谱特征,三次样条插值算法经常被用来去除基线漂移。
低功耗设计
为了尽可能降低系统功耗,我们设计了一个低功耗心电图原型系统，并实现了它的硬件电路和软件算法。采用以下方法来减少整个系统功耗。
电路设计的功耗 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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