基于蓝牙技术的便携式心电采集设备设计

题 目：基于蓝 牙技术的 便携式 心 电采集设 备设计1摘 要现 如 今 我 国 民 众 对 生 活 质 量 的 要 求 不 断 提 升 ,对 自 己 的 身 体 状 态 和 生 活 层 次 也 越 来 越 重 视 。 世 界 卫 生 组 织 的 研 究 表 明 ： 心 脑 血 管 引 起 的 死 亡 在 全 球 范 围 看 来 仍 然 排 在 首 位 ， 作 为 病 因 之 首 ， 人 们 不 得 不 对 其 引 起 重 视 ， 加 以 防 范 。 心 电 图 机 作 为 诊 断 心 脏 疾 病 的 最 直 观 、 高 效 的 医 疗 设 备 ， 它 可 以 即 时 检 测 心 脏 兴 奋 的 电 位 活 动 状 况 ， 虽 然 医 用 心 电 图 机 使 用 方 便 ， 且 检 测 结 果 可 靠 ， 对 人 体 一 般 无 创 伤 性 损 害 ， 但 是 一 般 的 心 电 图 机 体 积 和 质 量 都 较 大 ， 且 价 格 不 菲 ， 对 于 非 专 业 用 户 来 说 操 作 较 为 复 杂 ， 每 次 检 查 都 需 要 患 者 亲 自 前 往 医 院 ， 这 对 患 者 检 查 带 来 了 不 少 的 负 担 。 本 文 设 计 了 一 种 便 于 携 带 ， 基 于 无 线 蓝 牙 技 术 的 能 持 续 对 病 人 心 电 信 号 进 行 检 测 的 个 人 医 疗 硬 件 系 统 ， 可 以 不 间 断 地 对 患 者 心 脏 电 活 动 状 态 进 行 记 录 ， 还 能 够 为 临 床 检 查 和 评 估 提 供 可 使 用 的 参 考 资 料 。 本 文 主 要 研 究 了 心 电 采 集 电 路 的 设 计 ， 将 心 电 信 号 采 集 后 ， 通 过 缓 冲 ， 滤 波 ， 放 大 ， 模 数 转 换 后 传 输 到 基 于 ARM7 内 核 的 LPC2138 处 理 器 上 ， 经 过 MCU 进 行 数 据 处 理 后 ，通 过 蓝 牙 芯 片 发 送 数 据 。 该 数 据 能 被 其 他 主 机 接 收 并 通 过 软 件 对 数 据 进 行 收集 并 显 示 出 波 形 ， 同 时 该 系 统 采 用 的 蓝 牙 无 线 技 术 还 可 以 通 过 网 络 将 心 电 检测 资 料 从 家 庭 扩 展 到 医 院 、 社 区 等 ， 能 够 对 医 疗 资 源 的 共 享 起 到 一 定 作 用 。 关 键 词 ： 心 电 检 测 ； 蓝 牙 技 术 ； ARM 处 理 器 ； 个 人 医 疗2AbstractNowadays, our peoples demand of quality of life is rising. They pay more attention to their physical condition and the level of life. World Health Organization study showed that: the death caused by cardiovascu lar disease in worldwide opinion is still in first place. People have to pay attention to it, to guard against. Electrocardiogram, as the most intuitive and efficient diagnostic medical device, can instantly detect cardiac potential activity status. Althou gh medical ECG machine is easy to be used and its test results is reliable, and it is non-invasive damage to human body, but its size and quality are large and it is also expensive. The operation for non-professional users is too more complex. Patients are required to examine their ECG at the hospital, which brought a lot of burden.This paper presents an individual portable medical hardware, which is based on wireless Bluetooth technology, can continue detecting the patients ECG and recording their cardiac electrical activity, and it can also provide reference materials for clinical examination and assessment. This paper studies the design of ECG acquisition circuit. After the ECG data has been acquired, with the buffer, filter, amplifying and analog to digital conversion circuit, the signal will be conversed to digital and transmitted to the LPC2138 ARM7 -based processor. The MCU can process the data and send it out through the Bluetooth chip. This data can be received by the other host and with the softwar e, the ECG waveforms can be displayed. With the using of Bluetooth wireless technology, the ECG data can also be extended to hospital and community through the network and these play a role in medical resources sharing.Keywords:ECG, Bluetooth wireless technology, ARM7-based processor, individual medical hardware3目 录摘 要 .1Abstract .2第 1 章 绪 论 .51.1 课 题 的 来 源 及 研 究 目 的 和 意 义 .51.2 国 内 外 研 究 现 状 分 析 .61.2.1 我 国 研 究 现 状 分 析 .61.2.2 国 外 研 究 现 状 分 析 .71.3 本 章 小 结 .9第 2 章 心 电 信 号 检 测 原 理 与 电 路 设 计 .102.1 心 电 波 形 产 生 原 理 概 述 .102.2 心 电 导 联 体 系 和 发 展 历 程 介 绍 .122.3 心 电 信 号 检 测 电 路 硬 件 设 计 要 求 .132.4 心 电 检 测 电 路 设 计 .152.4.1 保 护 和 滤 波 电 路 .152.4.2 缓 冲 电 路 .162.4.3 心 电 导 联 差 分 放 大 电 路 .172.4.4 滤 波 放 大 电 路 .182.4.5 右 腿 驱 动 电 路 .192.5 模 数 转 换 电 路 设 计 .202.6 本 章 小 结 .21第 3 章 MCU 及 电 源 电 路 设 计 .223.1 MCU 电 路 设 计 .223.1.1 LPC2138 特 性 .223.1.2 LPC2138 电 路 设 计 .223.1.3 看 门 狗 电 路 设 计 .233.1.4 JTAG 接 口 设 计 .243.2 电 源 模 块 设 计 .253.2.1 12V DC/DC 电 源 设 计 .253.2.2 +5V 与 +7V 稳 压 电 路 .253.2.3 -5V 与 -7V 稳 压 电 路 .2643.3 本 章 小 结 .27第 4 章 蓝 牙 无 线 模 块 设 计 .284.1 蓝 牙 技 术 .284.2 蓝 牙 协 议 .284.3 MCU 与 蓝 牙 模 块 通 信 .294.3.1 蓝 牙 数 据 传 输 可 行 性 分 析 .294.3.2 蓝 牙 模 块 选 用 .304.3.3 AT 指 令 介 绍 .304.3.4 蓝 牙 与 MCU 连 接 .314.4 测 试 与 实 验 .324.4.1 软 件 应 用 程 序 .324.4.2 蓝 牙 配 置 .334.4.3 数 据 通 信 .334.5 本 章 小 结 .34第 5 章 总 结 与 展 望 .355.1 本 文 研 究 工 作 总 结 .355.2 进 一 步 的 工 作 和 建 议 .35 参 考 文 献 .36 附 录 .38 致 谢 .405第 1 章 绪 论1.1 课 题 的 来 源 及 研 究 目 的 和 意 义世 界 卫 生 组 织 研 究 表 明 ： 2012 年 心 血 管 疾 病 是 造 成 人 类 因 疾 病 死 亡 的 头 号 原 因 1 ， 心 脑 血 管 引 起 的 死 亡 在 全 球 范 围 看 来 仍 然 排 在 前 列 ， 意 味 着 每 每 年 由 于 心 血 管 疾 病 而 导 致 死 亡 的 人 数 比 其 他 疾 病 引 起 的 死 亡 人 数 都 高 。 这 几 年 来 心 血 管 类 疾 病 所 造 成 的 死 亡 人 数 虽 然 有 所 下 降 ， 但 是 心 脏 病 作 为 一 种 常 见 疾 病 ， 而 且 发 作 时 造 成 患 者 死 亡 概 率 很 高 ， 且 病 情 急 迫 ， 所 以 心 脏 疾 病 患 者 需 定 期 检 测 心 脏 电 位 变 化 ， 以 确 保 疾 病 处 于 可 控 水 平 。 在 现 代 医 学 中 ， 心 电 图 机 是 诊 断 心 脏 类 疾 病 的 首 选 仪 器 ， 它 可 以 检 测 心 脏 兴 奋 时 的 电 位 活 动 状 况 ， 虽 然 它 使 用 方 便 ， 且 检 测 结 果 可 靠 ， 对 人 体 一 般 无 创 伤 性 损 害 ， 但 是 一 般 的 心 电 图 机 体 积 和 质 量 都 较 大 ， 且 价 格 不 菲 ， 每 次 检 查 都 需 要 患 者 亲 自 前 往 医 院 ， 这 对 患 者 检 查 带 来 了 不 少 经 济 负 担 和 耗 费 时 间 。 现 如 今 ， 电 子 技 术 发 展 迅 速 。 计 算 机 技 术 和 电 子 技 术 逐 渐 和 临 床 上 的 医 学 问 题 相 结 合 ， 为 心 电 信 号 的 检 测 和 处 理 提 供 了 方 便 的 强 有 力 的 工 具 2 。 而 而 这 种 新 的 发 明 无 疑 可 以 帮 助 患 者 更 好 的 了 解 自 己 的 身 体 状 况 ， 因 为 是 采 用 无 线 蓝 牙 技 术 ， 就 可 以 对 患 者 进 行 不 间 断 的 心 脏 电 活 动 状 态 的 检 测 ， 同 时 可 以 在 后 期 的 诊 断 和 治 疗 提 供 更 有 参 考 价 值 的 资 料 ， 这 对 于 心 脏 疾 病 的 预 防 和 尽 早 发 现 都 有 很 大 的 帮 助 。 可 以 大 大 的 降 低 由 心 脏 功 能 异 常 而 引 起 的 死 亡 率 。 同 时 该 系 统 不 需 要 心 脏 病 患 者 呆 在 医 院 ， 检 测 过 程 随 时 都 可 以 进 行 ， 患 者 可 以 在 家 中 进 行 日 常 的 生 活 工 作 ， 具 有 随 时 检 测 即 使 出 结 果 的 优 点 。 未 来 的 设 计 还 可 以 通 过 网 络 将 心 电 检 测 资 料 从 个 人 传 输 到 医 疗 中 心 、 社 区 等 ， 患 者 就 诊 时 无 需 拿 着 一 堆 的 资 料 到 处 奔 波 ， 这 不 仅 在 方 便 了 生 活 的 同 时 对 患 者 心 脏 病 的 预 防 和 临 床 检 查 有 很 大 的 参 考 价 值 。 通 常 医 院 使 用 的 心 电 图 仪 设 计 思 路 都 是 通 过 微 机 串 并 口 将 心 电 监 测 装 置6记 录 的 数 据 传 输 到 计 算 机 上 进 行 数 据 处 理 ， 缺 点 是 其 体 积 一 般 较 大 ， 质 量 重 ， 不 具 备 便 携 性 。 近 年 来 出 现 的 蓝 牙 技 术 3 ， 可 以 较 好 地 解 决 数 据 传 输 问 问 题 ， 将 传 统 的 有 线 传 输 转 化 为 无 线 传 输 ， 为 产 品 提 供 良 好 的 便 携 性 。 同 时 ， 蓝 牙 的 传 输 效 率 可 以 达 到 每 信 道 721kb 每 秒 4 ， 符 合 一 般 的 心 电 检 测 信 号 数 据 的 通 信 要 求 ， 弥 补 过 去 因 采 集 传 输 模 块 的 信 道 数 量 少 ， 和 处 理 机 的 数 据 交 换 速 度 慢 ， 采 集 系 统 体 积 庞 大 、 价 格 昂 贵 等 缺 点 。 而 近 年 来 ， 可 穿 戴 设 备 数 量 逐 年 增 长 ， 个 人 医 疗 设 备 也 将 向 小 型 化 、 智 能 化 发 展 5 。 医 疗 设 备 变 得 越 来 越 智 能 有 利 于 个 人 小 型 医 疗 设 备 的 普 及 ， 并 且 使 得 设 备 的 使 用 方 法 更 为 简 便 ， 有 利 于 老 年 人 和 儿 童 用 户 的 使 用 。 另 外 ， 现 如 今 移 动 互 联 网 的 普 及 和 网 络 传 输 速 度 不 断 提 高 ， 个 人 智 能 医 疗 设 备 可 以 通 过 网 络 接 入 到 未 来 的 云 医 疗 系 统 中 ， 个 人 医 疗 数 据 能 够 上 传 到 服 务 器 ， 这 将 大 大 促 进 医 疗 资 源 的 共 享 范 围 ， 对 心 脏 类 疾 病 的 治 疗 提 供 更 好 的 方 法 。 我 国 的 3G、 4G 通 讯 网 路 也 已 经 越 来 越 成 熟 ， 这 为 智 能 医 疗 设 备 的 发 展 提 供 了 可 能 性 。 因 此 ， 该 款 基 于 蓝 牙 的 心 电 便 携 式 采 集 设 备 具 有 广 泛 的 应 用 空 间 和 市 场 需 求 。 1.2 国 内 外 研 究 现 状 分 析1.2.1 我 国 研 究 现 状 分 析我 国 的 心 电 记 录 仪 得 到 质 的 发 展 是 在 1978 年 4 月 引 进 Holter 监 测 技 术 开 始 的 6 。 一 方 面 ， 从 以 前 的 磁 带 式 记 录 仪 器 转 变 为 现 在 比 较 先 进 ， 更 加 有 有 利 于 保 留 的 固 态 式 记 录 的 仪 器 ； 另 一 方 面 ， 升 级 后 的 十 二 导 联 代 替 原 来 的 单 导 和 双 导 心 电 记 录 系 统 。 随 着 经 济 和 科 技 的 进 步 ， 电 子 技 术 已 深 入 到 我 们 生 活 的 各 个 领 域 ， 人 们 的 需 求 不 断 提 高 ， 从 而 设 计 这 个 便 携 式 心 电 采 集 系 统 。 该 系 统 可 以 全 天 记 录 心 电 活 动 的 过 程 ， 在 不 影 响 正 常 生 活 的 衣 食 住 行 中 ， 记 录 这 不 同 状 态 的 心 电 活 动 变 化 情 况 。 研 究 表 明 ， 这 种 心 电 记 录 仪 不 仅 可 以 检 测 出 常 规 心 电 图 发 现 的 疾 病 ， 甚 至 可 以 检 测 出 常 规 心 电 图 很 难 检 测 出7的 疾 病 ， 例 如 心 律 状 态 异 常 和 心 肌 缺 血 等 。 同 时 ， 这 对 分 析 病 人 的 心 脏 状 态 、 心 脏 疾 病 确 诊 和 研 究 治 疗 效 果 等 提 供 了 重 要 的 参 考 资 料 。 而 在 不 久 的 将 来 ， 这 种 技 术 将 会 成 为 我 国 动 态 监 护 设 备 的 发 展 方 向 。图 1-1 便 携 式 心 电 监 护 仪我 国 不 能 够 大 范 围 的 推 广 便 于 携 带 的 心 电 监 护 仪 （ 如 图 1-1 所 示 ） 的 原 因 ， 有 以 下 几 个 方 面 7 ：心 电 监 护 仪 所 能 记 录 的 心 电 信 息 过 于 简 单 ： 医 生 从 中 不 易 得 到 患 者 完 整 的 心 电 信 息 ， 因 此 不 能 全 面 了 解 患 者 的 实 际 情 况 ， 从 而 会 影 响 医 生 对 心 脏 疾 病 的 诊 断 ， 由 此 而 造 成 诊 断 率 的 下 降 ； 价 格 昂 贵 ： 便 携 式 监 护 仪 的 价 格 比 普 通 监 护 设 备 的 价 格 高 昂 很 多 ， 一 般 的 患 者 难 以 承 受 几 千 甚 至 上 万 的 费 用 ， 这 也 是 便 携 式 心 电 监 护 仪 不 能 普 及 的 原 因 之 一 ； 参 数 不 够 完 善 ： 便 携 式 心 电 监 护 仪 的 各 种 参 数 ， 例 如 立 即 性 、 质 量 、 耗 电 量 、 智 能 化 程 度 等 性 能 还 没 那 么 完 善 ， 用 户 利 用 设 备 进 行 检 测 时 会 遇 到 很 多 麻 烦 。1.2.2 国 外 研 究 现 状 分 析二 十 世 纪 初 ， 心 电 图 机 首 次 被 公 布 于 世 8 ， 荷 兰 著 名 的 科 学 家 威 廉 艾 艾 因 特 霍 芬 利 用 弦 线 电 流 计 的 独 特 方 式 收 集 到 人 体 的 心 电 信 号 从 而 发 明 了 该8心 电 图 机 。 1957 年 美 国 科 学 家 Holter 制 作 了 有 史 以 来 第 一 个 动 态 心 电 图 设备 。 它 不 仅 携 带 方 便 而 且 还 可 以 随 时 记 录 心 电 活 动 的 变 化 情 况 。 这 一 创 举 弥 补 了 心 电 图 监 测 时 患 者 长 时 间 无 法 移 动 的 缺 点 ， 开 辟 了 心 电 监 测 的 新 领 域 。 但 是 该 设 备 不 足 之 处 在 于 ， 它 只 能 记 录 一 次 心 电 图 ， 但 该 结 果 具 有 偶 然 性 ， 没 有 说 服 力 ， 所 以 需 要 对 设 备 进 行 改 进 ， 使 其 可 以 多 次 记 录 并 储 存 。1961 年 由 Del Mar 最 先 将 Holter 系 统 应 用 于 临 床 ， 发 达 国 家 开 始 大 规 模地 应 用 该 心 电 记 录 仪 。 在 20 世 纪 80 年 代 ， 在 动 态 心 电 图 机 的 基 础 上 ， 改 进和 发 展 了 心 电 检 测 设 备 以 及 运 用 更 先 进 的 检 测 技 术 ， 从 而 诞 生 了 12 导 联 的测 量 方 法 。 在 2000 年 到 2005 年 ， 美 国 投 资 了 150 亿 美 元 进 行 研 究 远 程 的 心 电 监 护 系 统 ， 在 此 期 间 ， 欧 盟 在 相 关 研 究 领 域 的 投 资 达 到 了 17.5 亿 美 元 。早 期 的 远 距 离 心 电 图 检 测 系 统 ， 主 要 是 通 过 电 话 的 方 式 来 传 输 心 电 信 号 ，方 法 是