穿戴式軀感網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

　　在本模塊中，選取 STMicroelectronics公司的STM32F103作為主控芯片，它是為嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的高性能、低成本、低功耗的一款芯片。選擇ADAS1000作為心電信號采集信號芯片，ADAS1000芯片具有高集成度，并且所有的模擬信號處理都是在ADAS1000芯片內(nèi)部完成，這樣就使心電模塊模擬前端的元器件明顯減少。圖3是三導(dǎo)聯(lián)心電模塊的PCB板。ADAS1000的4個ECG電極測量通道上總功耗僅15mW，并且可以在不用某些通道的情況下將其禁用來降低功耗，使功耗降低至11mW。該三導(dǎo)聯(lián)模塊與傳統(tǒng)的心電采集模塊相比，去除傳統(tǒng)的每導(dǎo)聯(lián)上的心電信號增益電路、濾波電路、ADC電路模塊等許多分立器件，使心電信號采集模塊更加小型化，在減少功耗的同時增強(qiáng)了檢測信號的穩(wěn)定性。

　　在心電信號的檢測過程中，由于實(shí)際測量情況并非理想狀態(tài)，難免會受到外界各方面噪聲的干擾，主要有50hz工頻干擾、基線漂移、肌電干擾等，這些干擾的存在會使心電信號的信噪比下降，對微弱的有效心電信號有嚴(yán)重的影響，影響后期疾病的診斷，因此首先需對心電信號進(jìn)行濾波處理^[7,8]。由于硬件濾波成本高、以及不靈活性等不足，所以對信號的濾波常常采用數(shù)字濾波方法。在本系統(tǒng)中心電模塊軟件程序主要實(shí)現(xiàn)了基線漂移^[9]、50hz工頻干擾濾波、均值濾波。在本文中，著重介紹下基線漂移算法。

　　基線漂移屬于低頻干擾信號，其頻率一般小于1Hz，表現(xiàn)在心電信號上疊加一個緩慢變化量?；€漂移主要是由人體的移動與電機(jī)接觸不良引起的電極接觸噪聲、肌肉收縮、運(yùn)動偽跡造成的。只要能設(shè)計出足夠快的跟蹤和濾波方法，就能消除基線漂移，基線漂移濾波的方法有很多種，如中值濾波、曲線擬合法、FIR高通濾波法等。在本系統(tǒng)中，設(shè)計一個IIR低通濾波器，其濾波器的函數(shù)原型表達(dá)式如下：

　　y_n=(x_n-y_n-1)/m+y_n-1

　　上式中，x_n為原始ECG信號第n時刻的采樣值，y_n為經(jīng)過基線漂移濾波后的心電信號值，m是一個常數(shù)。經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)多次調(diào)整常數(shù)m，最后取m=512(ECG心電信號采樣率為200Hz)，圖4為原始的ECG波形，圖5為經(jīng)過基線漂移后的ECG波形。

　　三導(dǎo)聯(lián)心電模塊的低功耗、電池供電，以及我們采用的基線漂移抑制、數(shù)字濾波等算法，降低了噪聲干擾的影響以及人體運(yùn)動的干擾，可以使得在心電信號檢測過程中人體處于自然狀態(tài)，檢測得到的心電信號能夠更真實(shí)的反應(yīng)人體生理狀況，這樣更能幫助醫(yī)生做出準(zhǔn)確的診斷。

　　1.1.2 數(shù)字血氧模塊

　　數(shù)字血氧模塊^[10]采用指夾式數(shù)字血氧探頭，探頭中的光頻率轉(zhuǎn)換器輸出為脈沖信號，從而讓血氧模塊硬件電路省去了模擬轉(zhuǎn)換器等器件，使模塊更加小型化。該模塊主要完成數(shù)據(jù)的采集和血氧飽和度、脈率的計算，并將這些生理數(shù)據(jù)通過通信模塊發(fā)送到軀感網(wǎng)中心點(diǎn)。數(shù)字血氧模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

　　血氧飽和度為70%-100%時可達(dá)到精度為2%、運(yùn)動或弱灌注情況下為3%，脈率檢測的誤差小于2，并且具有極小的體積。