一种新型电极贴式无线低功耗动态心电记录仪的设计与实现过程.doc

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1、一种新型电极贴式无线低功耗动态心电记录仪的设计与实现过程　　摘要：本文阐述了一种新型电极贴式无线低功耗动态心电记录仪的设计与实现过程。该心电记录仪主要由电极贴连接模块、心电前端、主控单元、蓝牙模块、无线充电模块、锂电池、稳压和电源管理模块组成，采用低功耗心电采集芯片ADS1191和低功耗单片机MSP430F2112组成信号采集电路，心电信号可通过蓝牙模块发送至手机端进行显示和分析；选用锂电池供电，可采用新型无线充电技术充电；无外置接口，具备防水功能，体积小、功耗低，可长时间记录单导联心电信号，适用于心电信号的日常实时监护。　　前言　　心电

2、信号是人类最早研究并应用于医学与临床的生物电信号之一，相较于其他生物电信号更易于检测，并具有较直观的规律性。由于心脏病有突发性以及长久性等特点，心脏病患者往往需要进行长期治疗和监护，因此对患者进行长时间的心电记录有着极其重要的临床价值。长时间的心电记录能记录到普通心电图检测时患者不易出现的短暂异常心电活动，为病情分析提供重要依据。心电监护仪在20世纪60年代首次应用时只能监测心电信号，称为单参数监护仪。随着大规模集成电路和微处理器的出现，目前的心电监护仪已经能监测数十种参数。鉴于心电信号的难识别性以及心电监护相关操作的专业性，心电监护的实

3、施往往局限于医院以及健康机构，患者日常心电监护不易实施。　　可穿戴式医疗仪器具有生理信号检测和处理、信号特征提取和数据传输等基本功能模块，可以实现对人体的无创连续监测、诊断和治疗。传统的心电监测仪中，各硬件装置之间主要通过通信线缆连接，其操作平台也基于有线装置，虽在一定的场合如医院以及社区等有一定的适用性，但却没有与现有的个人通信终端（如移动电话、掌上电脑、便携式电脑等）融合。针对这种状况，本研究在保证信号采集质量的前提下，设计并实现了一种更为便捷舒适的可穿戴式无线心电记录仪，采用低功耗心电采集芯片ADS1191和低功耗单片机MSP430

4、F2112组成信号采集电路，采集的心电信号可通过蓝牙传输到通信终端进行显示和分析；并利用无线传输和无线充电技术使整个设备完全密封，实现了防水功能，符合医疗安全标准。1系统结构及设计　　可穿戴式无线心电记录仪应具备功耗低、体积小、处理速度高的特性。本研究采用的心电电极片大小约为30~75mm。考虑到心电电极贴的支撑能力，本研究预期的设备高度约0.5cm，重量＜30g。模拟实验结果表明，心电电极贴能够很好地支撑该体积和重量的设备，并且在运动的时候不会脱落。　　心电记录仪主要由电极贴连接模块、心电前端、主控单元、蓝牙模块、无线充电模块、锂电池、

5、稳压和电源管理模块组成。结构框图，见图1。　　　　图1可穿戴式无线心电记录仪结构框图　　1.1心电数据采集部分（模块A）　　设计体表心电信号具有幅值微弱和易受干扰等特点。该模块采集到的心电信号经过具备高输入阻抗的差分放大电路进行前置放大，抑制零点漂移，减少共模信号的干扰；信号经过进一步放大（1000倍左右）后，再滤除干扰信号进行电平提升；然后送入核心处理控制器进行处理。该模块选用TI公司的低功耗心电采集芯片ADS1191实现，使心电信号经过滤波、放大、A/D转换等一系列处理后以SPI传输方式送入低功耗单片机MSP430F2112做进一步的

6、分析处理；无线传输采用适用于袖珍设备的HM-6蓝牙模块（华茂科技公司生产）实现。　　1.2电源部分（模块B）设计　　无线充电技术源于无线电力输送技术，市场比较主流的无线充电技术主要通过3种方式（电磁感应、无线电波及共振作用）实现。无线充电模块选用Qi无线充电技术和BQ24201充电器实现。Qi是全球首个推动无线充电技术的标准化组织-无线充电联盟（WPC）推出的“无线充电”标准，具备便捷性和通用性两大特征。Qi无线充电技术利用磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电荷，线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振，实现电能的高效传输，其基本原理是

7、在两个线圈间形成共振从而实现电能的无线传输。BQ24201是一种用于锂离子电池或者锂聚合物的充电器，将内部高精度电压调节、功率MOSFET、温度监控、充电状态及充电终止电路集成在一个芯片上；外围元件少，节省空间及成本。　　电源管理模块选用BQ24312作为锂离子充电器的前端保护方案，可提供4.25V的过压保护；选用ADuM5000实现电源隔离，ADuM5000是一款基于ADI公司技术的隔离式DC/DC转换器，可为后续电路提供5V电源隔离。根据产品需求，心电记录仪需要执行＞4h的无间断心电信号的采集以及发送工作，对整体电路进行估计后，本研究

8、拟采用90mAH可充电锂电池供电。电源部分充电电路图，见图2。锂电池经MIC5205LB稳压芯片为ADS1191、MSP430F2112以及蓝牙模块提供稳定的3.3V数字电压和模拟电压。