基于智能手机的可穿戴心电监护系统设计

刘炳言，李 莹，王振中，李昱钊，杨丽芳

（北京林业大学 理学院，北京 100083）

基于智能手机的可穿戴心电监护系统设计

刘炳言，李 莹，王振中，李昱钊，杨丽芳

（北京林业大学 理学院，北京 100083）

针对传统心电设备的移动不便性以及穿戴局限性，自行设计了基于智能手机的可穿戴心电监护系统。系统分为心电采集模块和心电处理显示模块，通过AD8232芯片、单片机、安卓平台等高科技手段实现了整个系统的微型化与智能化。并基于不同人的形态特征，设计了一套具有通用性的可穿戴物理设备，摆脱了个人身高和体形的限制，富有创新性。

心电监护；单片机；智能手机；可穿戴设计

1　前 言

随着科技的迅猛发展，医疗仪器也逐渐向着“微型化、智能化、个性化、网络化”的方向过渡。在这样的背景下，可穿戴便携式医疗检测仪器的设计被提上日程。而在众多的医疗仪器中，心电监测系统的小型便携化尤为迫切。

传统的心电信号监测仪器的体积大且价格昂贵，不利于病人随身携带和进行长时间的监测，成本高昂，加重了病人负担。考虑到这些因素并结合目前智能终端设备迅猛发展的趋势，基于Android平台智能手机的可穿戴心电监护设备应运而生。

可穿戴式心电监测设备可以方便地穿在用户身上，在不影响其正常生活的情况下能够长时间连续监测用户的心脏情况。近几年，国内外在穿戴式心电监测方法及应用仪器的研究方面取得了很大进展，其中具有代表性的研究成果有：AMON腕式健康与预警网络监护仪器，MyHeart心血管疾病监测智能穿戴系统以及LifeShirt生命衫等。

但是，目前这种应用还存在很多局限性，尤其是在使用服装一类的可穿戴设备时，由于个人身高和体形的限制，使得可穿戴服装必须按照个体设计，并且只限于其本人使用。基于此，设计了一种可适应不同身高体型的人使用，基于智能手机终端的，便于家庭使用的心电监护设备。

2　手机端心电监护系统的基本组成

手机端心电监护系统主要包括两大部分：心电信号采集模块和心电处理显示的手机模块，具体如图1、图2所示。

图1 心电信号采集模块

2.1 心电信号采集模块

心电信号采集模块主要包括模拟放大和滤波，ADC转换。

模拟放大和滤波采用AD8232生物电传感器为核心芯片。AD8232内部仪表运放（IA）的放大倍数固定为100倍，配置OPA （AI）放大倍数为4倍，因此，心电信号放大倍数为400倍，并将心电信号偏置电压REFIN设计为1.65V。配置0.3Hz的双极点高通滤波器和37Hz的双极点低通滤波器，能够有效滤除干扰，保留心电数据的主要信息，获得失真最小的心电波形。

图2 心电处理显示的手机模块

ADC转换选择宏晶科技公司的STC15系列单片机中的STC15F2K60S2作为主控芯片并对其进行程序设计，从而实现ADC转换。

2.2 心电处理与显示的手机模块

心电处理与显示的手机模块主要包括蓝牙无线数据传输以及智能终端的显示。

蓝牙传输部分选择的硬件模块是BMX-03A，它是一款蓝牙转串口模块，可以通过串口来和单片机以及主控芯片连接，版本为2.0。该模块采用CSR BlueCore芯片，配置有8Mbit的软件存储空间，支持AT指令，用户可根据需要更改设备名称、主从模式、配对密码、串口波特率等参数，使用起来非常的灵活。

智能终端的显示部分主要是安卓平台的搭建及实现，应用程序包含1个主线程和3个子线程，如图3所示。

图3 系统开发功能图

最终设计的安卓界面如图4所示。

3　可穿戴心电监护系统的设计

3.1 基本组成及原理

该系统主要包括可穿戴服装、心电监测单元、智能手机终端，可穿戴服装包括前片及后片，前片内侧设置有五个圆形电极片安装板，5个电极片安装板分别对应心电监护导联的左上、左下、中间、右上、右下位置，每个电极片安装板的边缘处设置有穿过前片的螺栓，前片外侧设有与螺栓对应的紧固旋钮，心电监测单元固定在前片外侧，心电监测单元通过穿过前片的心电导联线连接五个心电电极片，5个心电电极片分别固定在五个电极片安装板上，所述心电监测单元包括心电传感器、蓝牙无线模块，心电传感器连接心电导联线，无线通讯模块与智能手机终端无线通讯连接。

图4 应用程序显示界面

通过可穿戴服装上设置电极片安装板，通过电极片安装板的转动，扩大了心电电极片对应人体的范围，使得不同身高体型的人都可以准确地对准心电监护导联的各个身体位置，心电电极片为铜或铜合金或可导电生物结构材料制成，避免了传统的一次性贴片型式的心电电极片使患者产生不适或皮肤过敏的问题，蓝牙通讯模块将监测数据传送给智能手机终端，不须配置专门的PDA终端设备，节约了成本。

3.2 设计的详细构思及使用方法

如图5、图6所示，一种基于智能手机的心电监护设备包括可穿戴服装1、心电监测单元2、智能手机终端3，可穿戴服装1包括前片4及后片5，前片4内侧设置有五个圆形电极片安装板6，五个电极片安装板6分别对应心电监护导联的左上、左下、中间、右上、右下位置，每个电极片安装板6的边缘处设置有穿过前片的螺栓7，前片4外侧设有与螺栓7对应的紧固旋钮8，心电监测单元2固定在前片4外侧，心电监测单元2通过穿过前片的心电导联线9连接五个心电电极片10，五个心电电极片10分别固定在五个电极片安装板6上，如图3所示，心电监测单元2包括心电传感器、处理器、蓝牙通讯模块，心电传感器连接心电导联线9，蓝牙通讯模块与智能手机终端3无线通讯连接。

图5 可穿戴设计内侧图

图6 可穿戴设计外侧图

使用时，使用者先穿上可穿戴服装1，将紧固旋钮8放松，旋转电极片安装板6，使得心电电极片10对准心电监护导联的准确位置，然后旋紧紧固旋钮8，扣好按扣11，打开电源开关，就可以开始心电监测了，监测结果通过蓝牙通讯模块将监测数据传送给智能手机终端3。

4　结 语

本文主要针对医疗检测领域，基于单片机、手机终端等高科技设备，设计了一套可穿戴式心电监护设备。该设备功耗低、体积小、方便携带，并可适应不同身高体型的人使用，灵活性高。相信在不远的将来，这种可便携穿戴设备与智能终端的结合应用必将成为医疗检测领域的主流。

主要参考文献

［1］岳蜀华，王美涵，郭飞，等.可穿戴式无线心电监测仪的研究现状［J］.生物医学工程与临床，2006（4）.

［2］丰利军.移动及无线医疗设备渐成保健医疗工作新宠［N］.中国医药报，2005-11-16.

［3］郑武，金纯，杨致远.可穿戴式无线网络技术研究及应用［J］.微计算机信息，2005（8）.

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.10.102

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1673-0194（2016）10-0147-02

2016-04-02