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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

2018年05月14日 08:07 次阅读

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MSP430F2112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30~75 mm。考虑到心电电极贴的支撑能力,本研究预期的设备高度约 0.5 cm,重量< 30 g。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、稳压和电源管理模块组成。结构框图,见图 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

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 4.25 V 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 5 V 电源隔离。根据产品需求,心电记录仪需要执行> 4 h 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,本研究拟采用 90 mAH 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 3.3 V 数字电压和模拟电压。

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

图2 电源部分充电电路图

1.3 嵌入式软件设计

心电记录仪软件开发环境采用 IAR 公司为 MSP430 单片机设计的交叉编译器 IAR Embedded Workbench,编写语言为 C 语言。系统软件流程图,见图 3。为满足低功耗的设计要求,本研究在软件设计上采用如下方法控制功耗 :

① 按照功能将软件划分为几个相对独立的模块,由中断触发 ;② 使用软件控制暂时不工作的芯片进入休眠或空闲状态 ;③ 采用机器周期短的程式优化各模块程序,降低整个系统的实际运行时间,从而降低系统功耗。

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

图3 心电记录仪软件流程图

2 系统实现及测试

2.1 系统实现

设计并实现的心电记录仪实物图,见图 4。由图 4 可知,记录仪主要分成两部分,其直径均约 30 mm,厚约 5 mm,整体长度约 10 cm,重 25 g ;相互之间的连接线包括地线和电源线;电极贴背部嵌有电极扣,使用时直接扣在电极贴上。电极贴使用位置为左锁骨中线下 3 cm 左右,见图 5。

心电记录仪心电采集前端ADS1191与处理器MSP430F2112 运行时的功耗为 0.98 mA,蓝牙实时发送数据的功耗为 16 mA。图 6 为一位男性受试者接受测试时的心电波形,可以看出,经过去噪、平滑等预处理之后的心电波形稳定、基线漂移不明显,P、QRS、T 波特征明显,可用于心率失常分析。

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

图4 心电记录仪实物图,其中(a)为正面图,(b)为背面图。

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

图5 心电记录仪使用示意图                          图6 接收端心电波形图

2.2 系统测试

(1)输入阻抗。由信号发生器产生“100 mV 10 Hz”的正弦波,串一个 620 kΩ 的电阻接入心电记录仪输入端,实测信号发生器的正弦信号幅值 U=98.8 mV,记录仪输入端的电压 U=95.84 mV,通过计算得知心电记录仪的输入阻抗 R=20.07 MΩ。根据国家心电图机标准化文档规定,心电图机的输入阻抗须≥ 2.5 MΩ。因此,心电记录仪的输入阻抗符合行业标准。

(2)频率响应。在测试电路中,使信号发生器的输出信号频率从0.1 Hz到150 Hz发生连续变化(即通常说的“扫频”)并保持幅度 100 mV 不变,在输出端通过示波器或者其他记录仪将放大器对于这种连续变化的相应输出电平记录下来,即可得到设备的频率响应曲线。经测量在 0.1 ~ 150 Hz 的频带范围内,心电记录仪信号放大倍数的波动幅度为2.37 dB,小于国家规定的 3 dB,符合要求。

(3)共模抑制比。共模抑制比指的是差模输入时的放大倍数与共模输入时的放大倍数的比值,反应了心电图机的抗干扰能力。首先测量共模输入时的放大倍数,从信号源引入“1.5 V / 50 Hz ”信号,将其输入短接的输入端,信号源地线接右脚驱动,记录输出信号幅值 ;然后与差分输入时的信号放大倍数进行对比,经计算共模抑制比为106.4 dB,符合国家心电图机标准。

3 结论

本研究设计并实现的便携式心电记录仪功耗低、体积小,具有如下特点 :① 操作方便 , 测量简单 , 设备廉价 , 易于推广使用 ;② 测量无创、安全、准确、可重复性强 ;③ 可实时显示波形 ;④ 具备无线充电功能。该心电记录仪产业化后可广范用于心电信号的长期实时监护。

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近几年开始“走红”。各路“诸侯”群雄并起,无线充电行业正值爆发期。若大致划分疆土的话,有苹果、三星、...

发表于 2018-04-10 14:16 253次阅读
巨头们看好无线充电技术的行业前景_倍思正式加入W...

市面流行的两种无线充电发射器方案解读

新协议强制执行后,苹果7.5W发射端需要通过的Qi认证的类型为EPP(MP-A11)。

发表于 2018-04-10 08:55 1865次阅读
市面流行的两种无线充电发射器方案解读

PNNL研发新电解液 电池使用寿命翻7倍

据外媒报道,西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Labora...

发表于 2018-04-09 18:28 104次阅读
PNNL研发新电解液 电池使用寿命翻7倍

AMEYA360设计方案丨基于 Nuvoton 无线充电方案

发表于 2018-04-09 17:31 341次阅读
AMEYA360设计方案丨基于 Nuvoton 无线充电方案

奢侈品手机厂商VERTU(纬图)正式在京东旗舰店...

手机正面屏幕全部由蓝宝石覆盖,5.5寸的水晶屏幕,总重达140克拉,远比一般手机屏幕耐刮耐摔,而且拥...

发表于 2018-04-08 09:11 566次阅读
奢侈品手机厂商VERTU(纬图)正式在京东旗舰店...

微流控系统分离CTCs方法及背景介绍

随着肿瘤早期诊断及个体化治疗理念的提出与发展,人们对肿瘤研究不断深入,逐渐意识到在肿瘤诊治方面,传统...

发表于 2018-04-08 08:38 1844次阅读
微流控系统分离CTCs方法及背景介绍

Home键消失,面容ID将至_iPad Pro该...

我们始终相信,在见证了十周年 iPhone 的全新变革之后,2018 年的 iPad Pro 也终...

发表于 2018-04-07 05:48 1206次阅读
Home键消失,面容ID将至_iPad Pro该...

4699元诺基亚8 Sirocco京东预约人数已...

诺基亚 8 Sirocco京东预约人数已经超过3.7万人。4月3日消息 在MWC2018大会上发布的...

发表于 2018-04-07 05:40 937次阅读
4699元诺基亚8 Sirocco京东预约人数已...

未来电动汽车在行驶途中就行进行无线充电?

电动汽车有朝一日能够在高速公路上边行驶边无线充电,在不依赖电池的情况下驱车数百英里甚至数千英里,这想...

发表于 2018-04-06 14:51 922次阅读
未来电动汽车在行驶途中就行进行无线充电?

医疗电子改变生活:这9家公司正在把智能数字药丸变...

50年前,科幻电影《神奇旅程》向我们展示了 医疗 工作者如何利用微缩技术治病救人的场景。在电影中,五...

发表于 2018-04-05 11:04 343次阅读
医疗电子改变生活:这9家公司正在把智能数字药丸变...

“全球最薄”无线充电移动电源和无线充电器介绍

作为“全球最薄”的无线充电移动电源,“特斯拉·钛”系列产品的特点不仅是超薄,而且是全金属的外观设计,...

发表于 2018-04-04 16:07 3366次阅读
“全球最薄”无线充电移动电源和无线充电器介绍

电动化是全球汽车行业最重要的发展趋势之一

宝马(中国)汽车贸易有限公司总裁刘智表示:“电动化是全球汽车行业最重要的发展趋势之一,宝马集团最早、...

发表于 2018-04-04 11:46 742次阅读
电动化是全球汽车行业最重要的发展趋势之一

大众集团首款自动驾驶概念车 为出行共享服务设计

大众集团计划最早于2021年开始推出一系列配置L5级别全自动驾驶功能的电动轿车、货车和卡车,该集团将...

发表于 2018-04-04 08:46 626次阅读
大众集团首款自动驾驶概念车 为出行共享服务设计

三星GALAXY S9的有线充电和无线充电的效率...

尽管三星GALAXY S9国行的充电速度的原地踏步让人失望,但根据最新曝光的一张该机的规格图示显示,...

发表于 2018-04-03 17:09 2293次阅读
三星GALAXY S9的有线充电和无线充电的效率...

最新国产无线充电方案4大优势实测分析

深圳市航顺芯片技术研发有限公司的5W/7.5W/10W/15W 芯片级无线充电方案正式发布。

发表于 2018-04-02 17:03 1435次阅读
最新国产无线充电方案4大优势实测分析

基于BD57020MWV和BD57015GWL的...

最近通过无线电力联盟(WPC)认证的ROHM参考设计采用了BD57015GWL无线电力接收器IC。 ...

发表于 2018-04-02 16:56 2423次阅读
基于BD57020MWV和BD57015GWL的...

凌通无线充电5瓦原理图

发表于 2018-04-02 14:03 509次阅读
凌通无线充电5瓦原理图

华硕攻智能化车用无线充电板

华硕旗下宇硕电子日前宣布推出全新智能化车用无线充电板,采用标准无线充电技术(WPC Qi)及车规等级...

发表于 2018-03-31 07:52 866次阅读
华硕攻智能化车用无线充电板

充电器价格高才是无线充电是个鸡肋的原因

小米的无线充电器7.5瓦QI无线快充,支持小米MIX 2S和iPhone X等,多少钱呢?99元。所...

发表于 2018-03-30 15:32 1684次阅读
充电器价格高才是无线充电是个鸡肋的原因

华为多款新机产业链调研:三星和LG供应屏幕 京东...

日前,华为在法国巴黎召开新品全球发布会,现场余承东发布了三款重量级的产品,分别是P20,P20 PR...

发表于 2018-03-30 13:38 822次阅读
华为多款新机产业链调研:三星和LG供应屏幕 京东...

富士康收购贝尔金或将成为无线充电巨头

分享到 富士康即将成为一个更知名网络设备与手机配件制造商了!今天鸿海在香港的子公司鸿腾宣布以8. 鸿...

发表于 2018-03-30 11:07 538次阅读
富士康收购贝尔金或将成为无线充电巨头

华为P系列旗舰Mate RS发布:配无线充电,保...

3月27日,华为在法国巴黎举行了新品发布会,推出了华为P系列旗舰新品华为P20/P20 Pro,以全...

发表于 2018-03-30 10:48 4347次阅读
华为P系列旗舰Mate RS发布:配无线充电,保...

高效无线充电,真“无线”生活小米MIX 2S发布

苹果充电器AirPower 北京时间2018年3月28日发布,之前有预测价格再199美元,不管具体价...

发表于 2018-03-28 15:07 1196次阅读
高效无线充电,真“无线”生活小米MIX 2S发布

Qi标准凌通GPMQ8005B无线充电主芯片

发表于 2018-03-28 09:05 521次阅读
Qi标准凌通GPMQ8005B无线充电主芯片

电动汽车未来发展的必然趋势,汽车无线充电产业必将...

QI、PAM、A4WP都致力于成为全球通用的最终标准,但目前状态应该是势均力敌。而关于电动汽车的无线...

发表于 2018-03-27 13:50 1508次阅读
电动汽车未来发展的必然趋势,汽车无线充电产业必将...

三星新专利曝光:隔空无线充电将成为现实

今天,越来越多的手机厂商开始将无线充电作为手机的标配,苹果、三星等巨头的大力推动,也使无线充电技术得...

发表于 2018-03-27 11:39 735次阅读
三星新专利曝光:隔空无线充电将成为现实

无线充电的凌通方案选型和介绍

发表于 2018-03-26 17:47 447次阅读
无线充电的凌通方案选型和介绍

无线充电有望普及汽车市场

如今,充电器和电池都十分智能,可彼此通信以优化充电过程,因此通信协议也必须经过测试。

发表于 2018-03-26 14:27 551次阅读
无线充电有望普及汽车市场

真正无线充电方式:完全不用接触

去年iPhone 8、8 Plus、X三款手机都提供了一个功能,那就是支持无线充电,这对于安卓阵营用...

发表于 2018-03-26 10:52 1179次阅读
真正无线充电方式:完全不用接触

2018无线充电市场竞争加剧,选择MCU还是So...

自iPhone 8/X标配无线充电功能后,无线充电市场开始爆发且持续升温,给国内无线充电厂商带来了巨...

发表于 2018-03-26 09:37 7685次阅读
2018无线充电市场竞争加剧,选择MCU还是So...

小米7新特性泄露 附带无线充电

赶着骁龙845的首发热潮,小米将率先发布小米MIX 2S,而期待中的小米7似乎将要在第二季度才能与我...

发表于 2018-03-23 15:13 1362次阅读
小米7新特性泄露 附带无线充电

2018年全球移动通信大会(MWC)上,无线充电...

无线充电市场的瞬间成长,其需求强劲超出市场预期,尽管整个产业链等待且筹备已久,但在短短两三个月内出现...

发表于 2018-03-23 11:31 997次阅读
2018年全球移动通信大会(MWC)上,无线充电...

大联大世平集团推出基于NXP产品的15W单线圈定...

随着苹果iPhone8及iPhone X发布后,无线充电市场出现井喷式增长。目前,整个无线充电市场已...

发表于 2018-03-22 15:41 2005次阅读
大联大世平集团推出基于NXP产品的15W单线圈定...

小如饼干!南孚推出世界最薄无线充:支持国际标准无...

日前,南孚再发大招,推出号称世界最薄最小的饼干无线充,薄至3.6毫米,厚度仅iPhoneX一半不到,...

发表于 2018-03-21 17:36 779次阅读
小如饼干!南孚推出世界最薄无线充:支持国际标准无...

无线充电技术频繁出现于MWC 2018中只是一个...

众所周知,无线充电功能在最初仅限于手机用户。购买无线充电基座之后在家庭或办公室等场合充电。如今,许多...

发表于 2018-03-21 13:43 874次阅读
无线充电技术频繁出现于MWC 2018中只是一个...

“共享经济”热势下,倍思引领新的共享无线充电时代

人们的衣食住行正在被共享经济改变,越来越多的公司、个人正在加入共享大军之中,出现了滴滴、摩拜、ofo...

发表于 2018-03-21 09:33 202次阅读
“共享经济”热势下,倍思引领新的共享无线充电时代

无线充电

发表于 2018-02-26 17:28 839次阅读
无线充电

2018年无线充电、手机外壳新材质新工艺新时代

发表于 2018-01-22 11:11 1309次阅读
2018年无线充电、手机外壳新材质新工艺新时代