基于智能手機的Holter系統

朱宇，齊樂

（西安科技大學 計算機學院，陜西 西安 710054）

隨著生活節奏地加快，人們的身體的機能也在不斷地退化。尤其是心腦血管疾病的患者與日俱增，而當今醫學也無法根除這種疾病，但是只要在發病前的得到及時的救治就可以大大降低患者的死亡率。

目前，普遍采用基于PC機平臺的心電監護儀體積龐大，成本較高，功能全面，主要存在于醫院使用。但心腦病的發病通常是突發性和隨機性的，僅僅依靠醫院一次的心電檢查，不足以得到準確的數據來為患者進行治療。自從Holter（一種動態心電圖）的出現，極大方便的使心血管患者自己進行監測心電圖的趨勢。同時，為了更加方便的使患者時時刻刻掌握自己近期心電圖的變化，以及進一步縮小Holter的體積，設計出了一種基于智能手機的動態心電監護系統，利用智能手機便可充當顯示屏幕[1]。

1 系統總體設計

基于智能終端的心電監護系統主要由4個部分組成：心電信號采集放大電路，存儲設備，無線WIFI傳感器，患者的智能手機。工作方式如圖1所示。心血管病患者隨時利用便攜式動態心電監護設備進行監護，并通過WIFI無線發送，患者手機通過無線WIFI來接收設備所傳遞過來的心電圖，并通過手機屏幕顯示出測試結果。

同時，智能手機還能夠將心電測試結果進行保存與管理，可以以曲線的形式直接顯示出近七天的心電圖測試結果?；颊呖梢岳肁ndroid智能手機的截圖功能將數據通過短信方式或者GPRS的移動網絡方式發送自己的主治醫生或者醫院，從而獲得適當的診斷結果與治療意見。手機使用小米2S，心電采集的核心是以S3C6410為CPU的mini6410 ARM開發板與WIFI傳感器模塊等構成，通過WIFI來連接Android智能手機。

2 心電采集電路設計

心電信號采集電路是整個系統最重要的部分包括了心電采集、前置心電放大、低通濾波電路、高通濾波電路、以及50 Hz的陷波器等構成[2]。

圖1 系統工作模式Fig.1 Working mode diagram of the system

心電采集框圖由圖2所示。由于心電信號作為生物電信號在人體中表現的十分微弱，其頻率范圍為0.05～100 Hz，電壓范圍為0～5 mv，信號源的阻抗從數千歐到數百千歐，并且存在大量的噪聲，所以收集到的心電信號是否有效完全取決于心電采集電路設計是否合理。顯然，心電信號是典型的小信號，所以心電儀的前端電路實現的是一個高精度的放大、濾波的功能。又由于通過皮膚表面的電位測量而得到的心電信號，會存在很多的干擾。因此要實現這個系統，就必須解決其面對的各種干擾問題。

圖2 心電采集模塊結構圖Fig.2 ECGacquisition module diagram

首先對由電極采集到的心電信號通過前置放大電路將微弱的心電信號放大至1 000倍，這里選用儀表放大器為AD620，這是一款低成本、低功耗、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設置增益，增益范圍為1至1 000。接著，為了使輸出信號更好的進行A/D采集，可以選擇低功耗的穩壓管LM385來抬高信號的電壓水平，使得所有數據都為正值。如上文所介紹，心電信號的頻率范圍為0.05～100 Hz，因此，必須采取高通濾波電路和低通濾波電路和陷波電路來選取信號頻段。針對不同的頻率干擾我們可以選擇不同的解決方案。對于由芯片電源供電所引起的50 Hz工頻干擾，采用的是屏蔽驅動電路以及50 Hz的陷波電路，其中陷波電路選則經典的雙T網絡帶阻濾波器；對于由金屬界面產生極化電壓而引起的電極噪聲，采用增加隔直電容或高通網絡；而對于無線電波或者高頻設備的干擾，則可以增加低通濾波電路來抗干擾。通常，高通濾波器的截止頻率為0.03 Hz低通濾波器的截止頻率為100 Hz。右腿電路由運放和電阻電容組成，再由一個對稱電阻取出人提共模電壓，經AD705運算放大器組成反向驅動放大器施加給人體的右腿，抵消共模干擾。

3 心電數據采集與發送模塊設計

以三星公司出的S3C6410為核心的系統來實現心電信號的A/D轉換，并通過WIFI模塊將數據發送至智能手機端。這里使用的是廣州友善之臂公司的Mini6410，其主頻最高可達677 MHz，內置1G的 Nand Flash和128M的 DDR RAM，另外片內還集成了定時器、看門狗，UART串行口以及一個A/D接口，并具有豐富的外圍接口控制器，完全可以滿足本系統的需求。采用S3C6410片內的A/D轉換接口來實現心電信號的采集。利用定時器輸出來觸發A/D中斷，以達到控制采樣頻率的目的，定義采樣頻率為250 Hz。經過A/D轉換的心電數據被存放在數據緩沖區。Mini6410是以串口的方式與WIFI模塊進行連接，系統會通過UART0將緩沖區的數據發送至WIFI模塊，發送波特率為12 800 bps[3]。主程序的流程圖如圖3所示。

圖3 系統控制流程圖Fig.3 Flow chat of system control

4 Wifi無線模塊驅動設計

WIFI模塊采用的是海華科技公司的AW-HW381，由于其內部已經集成了WLAN&Bluetooth SoC-88W8688，而且采用SDIO接口與S3C6410進行連接，因此只需要對88W8688及其SDIO接口進行驅動升級即可。在LINUX2.6.39.4內核驅動中已經完美支持了88W8688。因此，只需在內核中進行一些配置即可。

S3C6410通過mmc0與AW-HW381進行連接，需要設置檢測方式和對應管腳，對s3c_hsmmc0_def_platdata進行如下修改：

struct s3c_sdhci_platdata s3c_hsmmc0_def_platdata={

.max_width=4，

.host_caps=（MMC_CAP_4_BIT_DATA|

MMC_CAP_MMC_HIGHSPEED MMC_CAP_SD_HIGHSPEED），

.clk_type=S3C_SDHCI_CLK_DIV_INTERNAL，

.cd_type=S3C_SDHCI_CD_GPIO，

.ext_cd_gpio=S3C64XX_GPL（12），

}；

5 手機平臺上的功能設計

系統是基于Android智能手機的開發[4-5]，使用的JAVA開發平臺編寫的心電監護程序。該程序是檢驗之前心電采集的重要標準，包括了與心電采集模塊的自動配對、數據實時接收、實時顯示與存儲，以及發送至醫院云監護中心或主治醫生手機上等功能。當程序啟動后，打開手機上的WIFI功能，程序將會自動的檢測周圍的WIFI熱點。通過與系統的WIFI模塊連接便可進入心電監護主界面，如圖4所示。

圖4 手機端程序界面Fig.4 Mobile program interface

心電數據的分析包括了去除極限漂移和50 Hz工頻干擾、QRS波實時監測等算法[6-7]。本文采取零相位IIR濾波算法來消除基線濾波。零相位IIR濾波主要思路是先確定濾波初始條件，然后將原序列的首位進行擴展，把擴展后的序列通過濾波器，接著，將所得結果進行反轉再次通過濾波器，最后去掉首位擴展部分，這時便可得到零相位濾波后的輸出序列。這種方法可使心電圖在ST段的失真控制在最小范圍。對于工頻干擾，這里采取的是中心頻率為50 Hz的自適應陷波器。自適應陷波器對對工頻干擾有很強的抑制作用，能夠根據干擾頻率和幅度的變化，取得較高的信噪比。

6 心電監護中心的設計

為了便于患者在病房中可以及時將某一階段的心電信息傳遞給醫院方，特意設計出一套病房中的無線傳輸系統。由便攜式心電監測器將采集到的數據通過WIFI模塊傳遞到病房探測器，病房探測器采用通訊總線與計算機系統連接，再通過計算機將各個病房以及床位信息進行匯總。如圖5所示，醫院可采用整體監護系統，通過一臺主機作為服務器連接到各個科室的分機，而各個科室的分機又分別連接到各個病房內的探測器，這時，此探測器可以作為每一個病房的WIFI熱點，從而構成一個共享性的WIFI網絡[8]。這樣，每一個科室的醫生都可在計算機中隨時查看每個病人的心電情況，從而迅速的對每一位患者的身體情況進行判斷，同時提出醫護方案。

圖5 心電監護中心Fig.5 ECG monitor center

7 結束語

本文是依靠智能手機平臺，設計了一個便攜式的心電監護系統，并充分利用了目前最為流行的WIFI技術，通過無線網絡的方式進行終端之間的交流。該系統輕巧方便，操作簡單，病人只需要一個心電采集盒，即可利用智能手機完成整個心電數據的觀測。并且能夠更方便的使主治醫生了解每一位病人的情況，即使病人在家中，也通過無線網絡將數據發送給醫生，成為醫生有效診斷病情的一個有力依據。現如今可穿戴技術已成為各國專家所青睞的科技前沿之一，尤其是對于醫療界，可穿戴健康設備的出現更加能夠幫助更多的患者及時的了解病情同時來彌補自身的缺陷。因此，智能設備的出現會逐漸成為醫療界重要角色。

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