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作者： 百佳泰/Otto 患有慢性心血管疾病的患者可以通过医院的心电图 (Electrocardiography, ECG，亦称EKG) 量测仪检测急性心脏病的特征，如仍难以被及早发现的室性早搏 (Premature Ventricular Contractions, PVCs)，一般来说，高血压为PVCs好发族群，频繁的PVCs可能会导致猝死。因此，对于患者而言，使用可穿戴设备获取精确的健身及心脏健康数据对其有十分大的帮助。虽然ECG在病理特征领域中以电信号执行较光学精确，但通过光学式体积描记图(Photoplethysmography, PPG)，心率量测相对简单。随着穿戴式产品的普及化，穿戴式装置应用于ECG/PPG等相关生理量测系统也成为一种日益增长的需求，本文将通过对可穿戴式装置实现实用，精确的ECG/PPG进行解说，并延伸说明信号标准测试的重要性。 心电图重要特征（第一导程心电图为例） 1. P波（心房去极化，正常小于0.12秒） P波是在两心房去极化和收缩时在体表电极所以记录到的信号(波形)，它代表去极化的波通过心房，所产生的电气活动，而当心房的去极化完成后，波形会回复到基线的点。 2.QRS复合波（心室去极化，正常不超过0.11秒） 在P波出结束后，心室心肌去极化引发心室收缩，代表左右心室去极化时电气活动的过程，因为心室比心房大许多，所以QRS复合波的高度也比心房去极化的P波高许多。PS心房再极化也在此时发生，但因波型较小，所以被心室去极化、舒张的波形覆盖掉。 3.T波（心室再极化） 其表示心室再极化、舒张的电位变化。 经由上述过程，心脏就能完成一次周期性的收缩和舒张，以电信号的观点来看就是去极化、再极化的过程，将电信号复合并记录在心电图纸上，就是一份心电图 (Figure 1a)。 Figure 1a – ECG (Electrocardiogram) 心电图的12导联分析 导联 (Lead)指的是2个ECG电极之间的假想线，12导联心电图(Figure 1b)会产生12个独立的图形，但实际上人体上只接了10个物理电极，标准心电图中的12个导联分为： 1. 标准肢体导联：I，II，III 2. 加压导联：aVR，aVL，aVF 3. 胸前导联：V1，V2，V3，V4，V5，V6 有些心电图机可多声道录音并记录单个节拍的所有导联，能更好地分析复杂的心律异常。 Figure 1b – 12-Lead ECG (Electrocardiogram) 底下的12导联心电图Figure1c为实际案例，一名48岁无严重病史的男子被送往急诊室，患有严重的呼吸困难和头晕。他叙述过去4个月的类似症状，经心电图显示，37毫秒时出现明显的室性早搏 (PVCs)，进而诊断出主动脉尖瓣心律过速等症状。 Figure 1c – PVCs shows on 37msec 穿戴式装置具备心率量测功能已成为趋势 简单的说，ECG的量测主要利用通过心脏两极的电位差来输出图形，相对于光学式手环/手表，PPG (Figure 2)光体积描记图的量测简单快速，虽然病理特征上光体积描记图波形仍缺乏对疾病验证，但其心率量测功能已大量用在运动手表及穿戴式装置上 (Figure 3)。 Figure 2 – PPG (Photoplethysmography)– from PhysioNet Apple Watch S4 with ECG/PPG Ⓒ Apple Garmin 735XT wit PPG Ⓒ Garmin Mi Band 4 with PPG Ⓒ MI Figure 3 – Wearable Devices with Heart Rate Detection ECG/PPG 信号标准测试 市面上利用PPG来量测心率的穿戴式装置百家争鸣，厂商皆宣称自家健康手环/手表功能强大，但信号波形每家都不同，而且微小的生理信号在量测上需要至少经过2层以上的放大器，才有可能得到比较清楚的信号，故产品端失真的情况时常发生，百佳泰预计导入ECG/PPG信号标准测试 (Figure 4, 5)，协助客户产品通过IEC 60601-2-47, China YY0885规范之前期验证，就IEC60601-2-47标准测项里第201.12.4.4 Incorrect output来看，用AECG4.0的标准测试仪器就有下列Table 1的10个测项要做： Table 1 12 test items in IEC 60601-2-47 Figure 4 – ECG Signal define GUI 以ECG信号为例，一般都以R波的间距来判断心率，正常人的R波的频率会落在0.5Hz~4Hz之间，换算心率为两秒1下到一秒4下之间，若产品量测的心率落在此区间才判定为通过，PPG的产品心率也是同样的道理。 Figure 5 – PPG Signal define GUI ECG/PPG 穿戴式装置验证 尽在百佳泰 百佳泰实验室可分别针对医规之心电图机及运动用心率表做IEC60601-27及深圳市智能穿戴产业联合会所订定之基于 ECG/PPG技术的智能穿戴产品的测试方法做量测。以市面上的医规ECG心电图机 (Figure 6a) 及PPG心率表(Figure 6b) 来做测试样品，可正确的藉由仪器的发射Sensor，打出标准ECG/PPG信号，来量测测试样品的稳定度及精准度，同样的，对于穿戴式产品, 验证时严格规范产品的基本波形，后续的心脏疾病判断才有意义。 Figure 6a – ECG Device Sample Testedby CMRR Figure 6b – PPG Watch Tested by AECG 根据2018年资策会对ICT (Information and Communication Technology，简称ICT) 品牌业者健康照护穿戴装置发展分析一文，ICT业者持续与医疗单位合作,试图建立解决方案，甚至Apple, Samsung, Garmin已导入保险应用；不仅是高阶的医疗体系照护服务及符合医疗规范的产品，到低阶的操作性便利的心率、步数、卡路里手环，消费性的运动装置，甚至蓝牙，Wi-Fi通讯的测试也要经过严格的检验， 才能确保消费者的权益。百佳泰致力于提供穿戴式装置全方位的解决方案，协助客户在验证及检测上有效提升产品的信赖度及产品质量。

智能健康监测平板改造     前些天体检发现身体健康出现了一些小状况……随着年龄的增大，加上缺乏运动，一些以前一直以为跟自己无关的病症已经不知不觉上了身…… 自己最近正在做智能健康监测模块，但刚出样机，还没有形成产品。但又迫切希望自己先从中受益，希望能借助它更方便及时的了解自身的健康状况。 刚好手边有一台平时看书用的台电平板 X98AIR ，如果一边看书一边记录自己的健康数据，那就太棒了。于是萌生了 DIY 改造它成为地球第一款健康监测平板的念头，这也让我有机会成为它的第一个用户。 这就是我最近做的健康监测模块，贴到皮肤就可以测量心率、血氧、血液微循环状态、血流速、血压等健康数据。这个模块的传感器大到 ” ** ” ，为的就是追求极致的精准，好挖掘更多的健康信息。             技术方面的细节就不说了，介绍一下改造平板的过程 ~           第一步：打开平板的“设备管理器”，发现里面有一个 COM1 。猜测很有可能是平板电脑测试或调试保留的 UART 串口。（很多电脑、平板和手机都会有一个这样的调试接口。而我的模组为了方便各种植入，也是采用这种接口。）             第二步：猜测是否靠谱，还要实践说了算。一个字，“拆”。分分钟过后，平板就成了这个样子……拆机过程就不赘述了，很小的时候拆家里各种电器练就的基本功 ~           下面是两大块电池，上面绿色的部分就是电路主板了。我找……找两个或三个一起的测试点……一遍没有找到，然后扒开中间屏蔽板，露出的就是 INTEL 四核 CPU 和内存颗粒，还有 EMMC 等核心器件。只是一瞬间，这些高端东东完全被两束闪耀的金光湮没了！我不禁惊叹，台电真是太厚道了，不仅留着大大的两个沉金测试点，居然还赫然标着 RX 、 TX ，就是我需要的两个信号线。             第三步：后面就要确认这组接口到底是不是我要找的 COM1 。用万用表测试 RX 和 TX ，都是 1.8V 。打开串口调试助手，选择周期发送数据，用万用表可以看到 TX 的电压发生周期性变化。好吧，好像顺利的有些过头了……它正是我要找的 COM1 。至此，改造工作已经成功了 99% ……                   第四步：找电源。为了让智能健康监测模组正常工作，需要从平板电脑上引出两组电源。其中一组是供 IO 使用的 1.8V ；还有一组是供模拟部分使用的 3.3V 。找电源当然是围着电源管理芯片来要了，那个被一堆电感电容包围着的 AXP288 就是平板电脑的心脏， 1.8V 和 3.3V 这种主流的输出，它肯定是有的。用万用表“扫荡”挨着电感的大电容，这样的输出往往能提供充沛的电流，主要是稳定。           扫了不到半个山头，目标就锁定了，两组电源确定好了位置 ~ 第五步：万事俱备，只欠一坑！要在平板上凿一个坑，来把模组埋进去 ~ 此步是最没含金量也最暴力的环节……为了尽可能让平板与模块和谐统一，又兼顾使用便捷，最终选址定在了扬声器下面的那块风水宝地。（这个板板还真是两个独立的喇叭呢，而且质量还不错的。）           经过一番“软磨硬泡”之后，终于露出了她细嫩平滑的前玻璃面板。 第六步：将模组埋了，焊好线。它就算扎下根活了 ~ 第七步：至此移植就接近尾声了，下面就是把板板恢复原样了。摆回银灿灿的扬声器，扣好屏蔽板，再把里面的线稍粘几下固定。（可惜手头没有彩贴，就地找了些胶纸就和了，有点拿着缝衣线补伤口的赶脚。）           扣回平板的后盖……地球第一台健康监测平板就诞生了 ~~           作为她的第一个用户，随本本靓照附赠大粗手指一条。以后夜深人静的时候，便会有一抹淡淡的柔光环绕在指尖，提醒我注意休息 ~ 以后可以一边看书看电影，一边记录自己的健康数据了。当然还能随时查看自己的每一次心跳…… 子曾经曰过，生者云云，心脉各异，将来用它做个心脉解锁定然不错。 嬛主子说，虚言者心有杂邪，脉率多变，倘你早生了千把年，陪我辨别是非，定也是极好的 ~     对模块和DIY感兴趣的小伙伴们可以email我哦：37564275@qq.com 

晚上试验Pulsesensor 心率传感器，想到STM32F429Discovery示波器能不能去测一下波形，于是就试了一下。   设置CH1输入，V=0.5V，T=500ms，并调节了偏移量，使得显示不超出屏幕       右边的就是Pulsesensor 心率传感器     最后是和Processing软件采样的波形来个对比，可以看到效果是一样的。