基于Android的心電監護系統設計

楊 猛，呂 衛，宋 垣

（1.天津大學 電子信息工程學院，天津 300072；2.南京炮兵學院廊坊校區，河北 廊坊 065000）

當今，隨著社會競爭日趨激烈，生活壓力日益增長，心血管疾病發病率也逐漸升高，并且出現心血管疾病患者年輕化的趨勢。心腦血管疾病死亡率高、致殘率高、發病率高，在人類死亡病因中占最高比重，成為人類健康的頭號殺手。關注心臟狀況，預防和治療心血管疾病已成為社會研究熱點。心電圖對于監控心臟活動狀態具有重要作用，所以便攜式心電監護儀在家庭中得到了廣泛應用。

市面上已有的便攜式心電監護儀將數據采集模塊、存儲模塊、顯示模塊集成于一體，使得功耗、成本居高不下，并且相比可穿戴便攜設備略顯笨重?？纱┐魇皆O備在不影響用戶正?；顒拥那疤嵯?，能夠實時檢測人體狀態，且具有較低的功耗，因此具有更好的市場前景。

文獻[1]提出了一種基于Android平臺的動態心電圖顯示終端設計，其利用藍牙實現ECG數據的傳輸，并將處理后的心電波形實時顯示在Android終端。本系統與之相比，利用藍牙BLE實現數據傳輸，藍牙BLE是藍牙低功耗版本，比傳統藍牙功耗更低，續航時間更長。另外，本系統除采集ECG數據外，還能采集呼吸數據，檢測用戶的呼吸頻率是否正常。

1 系統設計與數據采集模塊

1.1 系統工作流程

系統整體流程如圖1所示。

圖1 系統工作流程

1）數據采集模塊負責從人體表面采集ECG數據和呼吸數據，并通過藍牙BLE將數據傳輸到移動Android設備。

2）為確保Android應用軟件在后臺運行時數據的正常接收，在Service組件中實現數據接收。同時，在此組件中完成耗時較多的一系列數據解析、處理，并將處理過的數據在文件中備份。

3）由于Service組件是不可見的，為實現心電圖的動態顯示，需將處理好的數據暫存到Activity數據緩沖區。

4）通過繪圖線程，將ECG波形顯示于顯示屏上。

1.2 數據采集模塊

數據采集模塊如圖2所示，包括模擬前端ADS1292R、控制芯片CC2540、電池和SD卡。

圖2 數據采集模塊（照片）

ADS1292R采集電路具有高阻抗和高共模抑制比，適于采集微弱電信號；CC2540通過SPI接口讀取數模轉換器ADS1292R采集到的呼吸和ECG數據并通過藍牙BLE傳輸給移動Android設備，其集成度高，功耗低。在不需要實時傳輸數據的情況下，該模塊也可以將采集的數據存儲到本地SD卡中。

2 應用程序設計

2.1 藍牙BLE簡介

藍牙BLE技術是藍牙4.0的核心技術之一，是對傳統藍牙BR/EDR技術的補充。與傳統藍牙相比，BLE具有縮短無線開啟時間、快速建立連接、降低收發峰值功耗等特性，從而實現低功耗。傳統藍牙設備的一個重要缺陷是耗電量大，它使用了32個廣播信道，而藍牙BLE技術[2]僅使用了3個廣播信道，且廣播模式啟動時間也由傳統藍牙的22.5 ms減少到0.6～1.2 ms，極大地降低了因為廣播數據導致的待機功耗。此外，藍牙BLE技術將傳統藍牙的空閑狀態改進為深度睡眠狀態，深度睡眠狀態下功耗極低。廣播階段，藍牙BLE技術避免了重復掃描，設備連接過程可在3 ms內完成，而傳統藍牙需100 ms以上。低功耗藍牙對數據包長度進行了更加嚴格的定義，支持超短（8～27 byte）數據封包，并使用了隨機射頻和增加了GFSK調制索引，大大降低了數據收發的復雜性，有效降低了峰值功率。

Android系統為藍牙BLE開發提供了專門的API。支持Android設備作為服務器或客戶端與遠端藍牙BLE設備實現數據傳輸。

2.2 Android設備與心電采集模塊通信流程

Android設備與心電采集模塊通信流程如圖3所示。數據采集模塊將采集的數據通過藍牙BLE傳輸給Android設備，數據包括ECG數據和呼吸數據，所有數據均以18個字節組成的數據包格式發送。接收到數據首先根據標志位判斷屬于哪類數據，分別做不同處理。對于ECG數據，由于數據量比較大，發送頻率高，ECG數據包接收順序可能會出現錯誤，所以接收到ECG數據后首先要根據數據包的序列號將數據調整為正確順序。由于ECG數據和呼吸數據都是24位精度，而數據包格式是以字節為單位的，因此要將字節型數據調整為整型。由于采集的數據中存在工頻干擾、基線漂移[3]等影響，需對原始數據進行一系列濾波處理，得到標準的ECG數據，然后將處理好的數據存入文件以備以后查看。以上操作運算量較大、耗時較長，是在Android應用程序Service組件中運行的，而Service組件是不可見的，這就需要將數據傳輸到具有可視化界面的Activity中。為使應用程序具有較好的運行性能，為Activity中的數據緩沖區設定閾值，當數據量達到閾值，將數據傳入繪圖線程，顯示給用戶。對于呼吸數據，由于不需要向用戶顯示呼吸曲線，只需在Service組件中將計算得到的呼吸率結果傳遞到Activity中顯示給用戶即可。另外，呼吸數據中會插入表示采集模塊狀態的狀態位，例如電量低、導聯脫落等信息；處理呼吸數據時，要檢查這些狀態位，并將狀態信息通過通知及時反饋給用戶。

圖3 通信流程圖

2.3 心電圖繪制模塊

開啟心電圖繪制線程[4]后，首先檢查是否收到結束線程命令，若收到結束命令，則結束繪圖線程，如果沒有，則判斷數據緩沖區中的數據個數是否大于5個，若大于5個，則以5個數據為單位在SurfaceView上繪制心電圖[5]，直到數據緩沖區中數據小于5個，否則睡眠50 ms，讓出CPU資源，在下次獲得CPU資源時，重復上述步驟。繪圖模塊流程圖如圖4所示。

圖4 繪圖流程圖

繪制心電圖時，若數據不足一屏，則原數據顯示位置不變，新數據加在原數據之后；若數據個數超過一屏顯示個數，則舊的數據前移，新數據始終出現在屏幕最右側。心電圖繪制效果如圖5所示。

圖5 心電圖繪制效果（截圖）

3 測試結果與分析

該軟件的主要功能為接收并存儲數據模塊發送的心電波形數據，并將處理后的心電數據顯示在顯示屏上；另外，可及時將計算出的心率和呼吸率等參數顯示出來，使用戶可以更直觀地了解身體狀態。

測試時，首先令數據采集模塊發送標準正弦波和方波，用Google公司的Nexus 7二代平板PC。經測試，平板PC可以正確穩定地接收數據而無丟包現象，并能夠將接收到的波形數據實時顯示到顯示屏上。使用容量為800 mAh的充電電池做續航能力測試，數據采集模塊可以持續工作72 h以上。

初步測試成功后，利用數據采集模塊采集人體心電數據，繪制出心電圖如圖6所示。

實驗表明，Android設備能夠穩定、實時地接收數據，心電波形顯示清晰、流暢，心電采集模塊續航時間長，系統設計達到了預期目的。

圖6 實測人體心電圖（截圖）

4 結束語

心電監護設備已經歷了幾十年的發展，正朝著實時性、便攜性、智能化的方向發展。與當前現有的相關產品相比，本文設計了一種基于藍牙BLE的心電監護系統，功耗低，續航能力強，實時性能良好，并且具有對心率、呼吸率是否正常的檢測功能，便于用戶使用。

[1] 楊德龍，褚晶輝，楊博菲，等.基于Android平臺的動態心電圖顯示終端設計[J].計算機應用，2013（S2）：283-285.

[2] 范晨燦.基于藍牙4.0傳輸的Android手機心電監護系統[D].杭州：浙江大學，2013.

[3] 李剛，劉巍，虞啟璉，等.抑制工頻干擾及基線漂移的快速算法[J].中國生物醫學工程學報，2000，19（1）：99-103.

[4] 楊德龍.基于Android系統的藍牙無線動態心電監護系統設計[D].天津：天津大學，2013．

[5] 崔浩然.基于Android平臺的手機游戲的設計與實現[D].西安：西安科技大學，2011.