图 １ 穿 戴 式 心 电 采 集 系 统 设 计
图 ３ 嵌 入 式 平 台 硬 件 结 构 框 图
基于专为要 求 高 性 能、低 成 本、低 功 耗 的 嵌 入 式 应 用 设 计 的 ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核，ＡＤＳ１２９８ 是 美 国 著 名 半 导 体 厂 商 ＴＩ 公司新近推出的一款专用１２导联心电信号采集芯片，它 具 有 ８个采集通道，信号放大倍数可 编 程，它 不 仅 提 供 了 基 本 的 放 大和 ＡＤ 转换功能，还为 ＲＬＤ 提 供 右 腿 驱 动，为 胸 前 ６ 导 联 提供威尔逊中心电压、实时监 测 电 极 脱 落 功 能、可 编 程 的 ＡＤ 采样基准电压等。
目前，国内生产便携式心电监护设备的厂家有很多，但 是 大多数是以 ＯＥＭ（Ｏｒｉｇｉｎａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ）方 式 进 行组装的。这些设备 采 集 的 心 电 数 据 存 储 完 整 性 不 够 ，而 且 纸 质 记 录 的 心 电 信 息 极 其 有 限 ，医 生 从 中 难 以 得 到 患 者 全 面 的心电信息，得不到 数 字 化 的 数 据 也 不 利 于 科 学 研 究 。 大 多 数的 便 携 式 心 电 监 护 设 备 没 有 设 计 成 一 整 套 的 监 护 系 统 ，并
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一般的患者难以承受。 可穿戴心电采集需要满足可穿戴计算的一些基本要求：
非限制性（可移动）、非独占性和可观性［４］。因此，实现心 电 信 号采集的可穿戴性旨在能够让用户以舒适的方式进行信号采 集，而且不影响用户的各种日常运动状态；同时还能实现心 电 信号的连续监测，时 长 可 达 到 ２４ 小 时 至 １ 周 左 右；并 且 可 以 实现无线传输，随时 随 地 传 输 数 据，更 方 便 用 户 活 动。 另 外， 更 重 要 的 是 要 能 够 采 集 到 高 质 量 的 心 电 信 号 ，达 到 临 床 医 疗 的 要 求 ，并 且 能 够 做 出 实 时 的 诊 断 。
ＡＭＯＮ 的创新性主 要 体 现 在 对 多 传 感 器 的 腕 式 集 成 化
ＬｉｆｅＳｈｉｒｔ在心电测量 中 使 用 的 是 传 统 的 Ａｇ／ＡｇＣｌ电 极，Ａｇ／ ＡｇＣｌ电极属于一次性使 用 的 产 品，不 可 重 复 使 用，并 且 电 极 内 置 电 解 液 对 皮 肤 有 刺 激 作 用 ，长 时 间 使 用 会 造 成 皮 肤 过 敏 等症状，用户的佩戴时间有很大限制，一般在２４小时以 内，即 使 更 换 新 的 电 极，用 户 的 皮 肤 也 很 难 忍 受 更 长 时 间 的 过 敏 性 刺激，因此 ＬｉｆｅＳｈｉｒｔ并不适合患者长期穿戴使用。
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ （ＥＣＧ）ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｐａｔｉｅｎｔ ｗｉｔｈ ｌｉｍｉｔｅｄ ａｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｕｎｃｏｍｆｏｒｔａｂｌｅ ｗｅａｒｉｎｇ
ｉｓ ｓｔｉｌｌ ａ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａ ｗｅａｒａｂｌｅ ＥＣＧ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｗｅａｒａｂｌｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓａｍｐｌｅｓ ＥＣＧ ｓｉｇｎａｌｓ ｂｙ ｏｗｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｙ １２／ｓｉｎｇｌｅ ｌｅａｄ ＥＣＧ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｄｅ－
ｃｏｍｂｉｎｅ ｉｎｔｅｒｐｏｓｅｒ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｔｏｇｅｔｈｅｒ．Ｔｈｉｓ ｗａｓ ｄｏｎｅ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ＥＣＧ ｓｉｇｎａｌ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
ｄａｔａ ｏｆ ｗｅａｒｉｎｇ ｔｈｅ ＥＣＧ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｒｐｏｓｅｒ ｆａｂｒｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＥＣＧ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｉｓ ｃｏｍｆｏｒｔａｂｌｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ＥＣＧ ｓｉｇｎａｌ ｑｕａｌｉｔｙ ｃａｎ ｒｅａｃｈ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃｌｉｎｉｃａｌ ＥＣＧ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ＥＣＧ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，Ｗｅａｒａｂｌｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，３Ｇｎｅｔｗｏｒｋ，Ｆａｂｒｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ，Ｉｎｔｅｒｐｏｓｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ
２ 基于物 联 网 的 可 穿 戴 式 心 电 采 集 与 分 析 系 统 设 计方案
根 据 现 今 可 穿 戴 心 电 采 集 的 种 种 不 足 ，本 文 设 计 制 作 了 基于物联网的一套穿戴式心电采集与分析系统，如图１ 所 示， 它使用我们自主开发的１２／单导 联 采 集 设 备 以 穿 戴 式 背 心 的 方式进行数据 采 集，用 ３Ｇ 网 络 等 方 式 将 数 据 传 输 到 监 控 终 端，在监控终端使用诊断软件进行病情诊断，解决了心电信 号 的采集、传输、诊断的 问 题。 其 中 穿 戴 式 心 电 采 集、无 线 数 据 传 输 是 最 主 要 的 环 节，接 下 来 将 详 细 说 明 心 电 采 集 电 路 的 设 计、３Ｇ 无线传输的实 现、可 穿 戴 心 电 采 集 的 实 现 中 的 主 要 问 题和解决方案。
１ 引 言
士来说，该设备过于 笨 重，且 它 的 费 用 也 比 较 昂 贵，因 此 对 于 大多数 用 户 来 说，它 的 设 计 和 设 备 本 身 并 不 是 物 有 所 值 。
随着科技的不断发 展，现 如 今 可 以 由 患 者 在 家 庭 环 境 中 使用的穿戴式心电监测系 统 （Ｗｅａｒａｂｌｅ ＥＣＧ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓ－ ｔｅｍｓ）已经成为国内 外 研 究 人 员 关 注 的 热 点。 穿 戴 式 心 电 监 测 设 备 可 以 方 便 地 穿 在 用 户 身 上 ，而 不 影 响 其 正 常 的 生 活 ，能 够 对 用 户 的 心 脏 进 行 长 时 间 的 连 续 监 测 ，有 效 地 在 用 户 的 疾 病危险期中提供重要的心电信号依据，为医务人员快速、准 确 地诊断心脏病症带 来 诸 多 便 利 之 处ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 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 中国外具有代表性的研 究 成 果 有 ：ＡＭＯＮ［１］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［２］， 以 及 ＬｉｆｅＳｈｉｒｔ生 命 衫［３］等 。
第 ４２ 卷 第 １０ 期 ２０１５ 年 １０ 月
计算机科学 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｖｏｌ．４２Ｎｏ．１０ Ｏｃｔ ２０１５
可穿戴心电信号采集与分析系统的设计与实现
孟 妍 郑 刚 戴 敏 赵 瑞 （天 津 理 工 大 学 天 津 市 智 能 计 算 与 软 件 新 技 术 重 点 实 验 室 天 津 ３００３８４）
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗｅａｒａｂｌｅ ＥＣＧ Ｓｉｇｎａｌ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ
ＭＥＮＧ Ｙａｎ ＺＨＥＮＧ Ｇａｎｇ ＤＡＩ Ｍｉｎ ＺＨＡＯ Ｒｕｉ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ Ｎｏｖｅｌ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８４，Ｃｈｉｎａ） （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８４，Ｃｈｉｎａ）
（天 津 理 工 大 学 计 算 机 视 觉 与 系 统 教 育 部 重 点 实 验 室 天 津 ３００３８４）
摘 要 针对传统心电采集设备的移动限制性以及佩戴的不舒适性，根据可穿戴计算特点，设计并实现了穿戴式 心 电 采集与分析系统。系统采用自主研发的１２／单导联心电采集模块进行心电信号采集，数据可存于采集设 备 或 经 ３Ｇ 网 络传输到服务器端，同时所开发的软件可对心电图进行辅助病情分析，实现对佩戴人的心电监护。还研究并制作 了 插 入式电极和织物电极，并通过二者的结合提高了采集心电信号的质量。实际佩戴和使用结果表明，使用插入式织 物 电 极 的 可 穿 戴 式 心 电 采 集 设 备 具 有 良 好 的 舒 适 性 ，心 电 信 号 波 形 的 质 量 能 够 达 到 临 床 监 控 的 要 求 。 关键词 心电信号采集，可穿戴计算，３Ｇ 网络，织物电极，插入式电极 中 图 法 分 类 号 ＴＰ３９１ 文 献 标 识 码 Ａ ＤＯＩ １０．１１８９６／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－１３７Ｘ．２０１５．１０．００９
设计和对生理参数 的 实 时 处 理 上。 但 是，由 于 对 于 老 弱 病 人 且目前的心电监护设备费用较为昂贵，动辄几千乃至上万 元，
到 稿 日 期 ：２０１４－０９－１１ 返 修 日 期 ：２０１５－０１－０９ 本 文 受 天 津 市 科 委 科 技 支 撑 重 点 项 目 （１０ＺＣＫＦＳＦ００８００）资 助 。 孟 妍（１９８９－），女，硕士生，主要研究领域为生物信号处理，Ｅ－ｍａｉｌ：ｍ＿ｄｒｅａｍ１９８９＠１２６．ｃｏｍ；郑 刚（１９７０－），男，博士，教授，ＣＣＦ 会员，主 要 研究领域为生物信号、智能信息处理；戴 敏（１９７２－），博士，教授，ＣＣＦ 会员，主要研究领域为智能信息处理；赵 瑞（１９８７－），男，硕 士 生，ＣＣＦ 会 员 ，主 要 研 究 领 域 为 嵌 入 式 系 统 。
图３是嵌入式平台 硬 件 结 构 图，原 始 信 号 先 经 过 硬 件 低 通滤波滤除 １３７Ｈｚ以 上 的 高 频 噪 声 ，再 经 过 ＡＤＳ１２９８ 芯 片 对信号进行放大以及各通道差分计算，可得到１２导联的 心 电 数据，在对信 号 进 行 Ａ／Ｄ 转 换 后 通 过 ＳＰＩ总 线 传 输 到 单 片 机；单片机可以 把 得 到 的 数 据 通 过 串 口 或 通 过 ３Ｇ 网 络 传 给 上位机，也可以将数据存入 ＳＤ 卡中。