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超低功耗智能移动心电监测设备

2015-06-01 10:19
雷本祖
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  摘要:移动智能传感是健康监测与管理的关键技术。面向智能心电传感器技术领域,设计了传感、信号处理、通信三个低功耗模块,并从系统设计上协调配合以降低功耗,研发了微负荷和可长期监测的贴片式心电监测设备,并具备实时心电处理和心率检测功能。该智能传感设备体积为24 mm × 16 mm × 10 mm,质量为1. 73 g。采用80 mAh 容量的锂聚合电池供电,在256 Hz 采样率时可持续工作7 天以上。数据无线上传至电脑后,上位机软件可进行心电图﹙ECG﹚实时显示、处理。此外,该设备亦可通过蓝牙将心率数据传输至手机,可持续工作14 天以上。

  0 引言

  随着老龄化社会的到来,家庭个人监护和社区医疗呈现蓬勃发展的趋势,市场对移动式低功耗医疗监测设备的需求正在不断增加,其中心电长期监测设备对健康状态评估、突发心血管疾病预警等具有重要意义。目前,医用心电监护仪发展较为成熟,该类设备常通过有线传输模式与个人电脑或工控机通信,在医院广泛用于病人卧床监护,而不适用于健康或活动监测。

  基于移动技术的健康监测是目前正在快速发展的领域,其核心是低功耗、微型的智能传感器技术,以实现长期、微负荷监测。已有的一类产品为小型的Holter 系统,该类产品将采集数据保存到存储器,数据需手动导出至电脑分析,这牺牲了数据的实时性,且存储操作的功耗较大。目前的发展趋势是将智能传感器与无线传输技术相结合,将采集到的数据实时传输至电脑或智能手机,通过客户端软件对数据进行分析,并可进一步将数据传送至医院等卫生部门服务器终端,以建立完整的健康云系统。如何尽可能地降低系统功耗,从而解决微负荷与长时间监测的矛盾,是研发健康监测设备需解决的关键问题。

  为满足便携化、微型化、长时监测以及心电图﹙electro-cardiogram,ECG﹚分析对信号采集的需求,本文遵循低功耗设计原则,设计了传感、处理、通信三个低功耗模块,更从整体系统设计上协调配合以进一步降低功耗,研发贴片式、具备分析功能、可连续工作的心电监测设备。

  1 系统硬件设计方案

  1. 1 硬件总体设计

  根据ECG 信号特征与对采集系统基本参数的要求,设计了针对活动人体的微负荷ECG 监护系统。系统硬件由采集发射端电路和接收端电路组成,采集发射端电路由电源模块、传感模块、信号处理与无线通信模块构成,接收端电路由无线通信模块、UART 通信模块构成并由PC 机USB口供电。系统整体硬件架构如图1 所示。

超低功耗智能移动心电监测设备

  图1 系统整体硬件框架

  Fig 1 Frame of system overall hardware

  1. 2 发射端电路设计

  本系统采用单电源供电、前置仪表放大器与运算放大器采用锂聚合电池直接供电,nRF51822 的供电由ADI 公司超低静态电流CMOS 线性稳压器ADP162 提供,模拟前端基准电压由TI 公司低漂移低功耗电压基准REF3312 提供。

  ECG 信号微弱,易混合肌电信号和共模工频噪声,并存在基线漂移现象。为了更好地提高心电信号的分辨率,采用差分输入方式,并将心电信号进行放大、滤波和去漂移处理。针对ECG 信号高内阻的特性,要求前置输入端具有高输入阻抗,以减小偏置电流引起的干扰。如图2 所示,模拟前端﹙analog front end,AFE﹚主要包含四部分:前置放大、二级放大、陷波滤波器、低通滤波器。为兼顾单电源供电与ADC 采样特性,设定模拟前端的基准电压为1. 2 V。

超低功耗智能移动心电监测设备

  图2 模拟前端原理图

  Fig 2 Principle diagram of AFE

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