基于物聯網技術的心電監護系統的實現

【作者】陸靚亮，陳敏亞

南京醫科大學附屬無錫人民醫院，無錫市，214023

基于物聯網技術的心電監護系統的實現

【作者】陸靚亮，陳敏亞

南京醫科大學附屬無錫人民醫院，無錫市，214023

為了對醫院傳統心電監護設備功能進行擴展，提高醫護人員工作效率，該文介紹了一種基于物聯網技術的心電監護系統。該系統通過心電傳感器、PDA和網絡服務器等設備，采用嵌入式C語言、Android系統、.NET和無線網絡等技術，實現了心電監護系統的實時監測和數據分析功能。通過實驗表明，該系統具有很高的可靠性和穩定性，為醫護工作帶來了便利。

物聯網；PDA；心電監護；傳感器

0　引言

隨著物聯網技術的發展，高集成度的無線監護設備被應用于醫院系統中。它不僅具有傳統的有線監護設備的功能，而且還能給醫生和護士提供一些新的功能，同時還能夠降低醫院成本[1]。通過這種設備，生命體征信號能被發送到PDA、PC等監護終端，還能被發送到數據處理中心，并且傳送過程中不限制患者的移動[2]。本文討論了無線心電監護系統的架構和軟硬件的實現，開發了一種基于物聯網技術的高速和高精度的智能心電監護設備。該系統能無線監控患者心電信號，并且能夠將信號傳送至醫院的Wi-Fi網絡。

1　系統架構

圖1顯示了一個基于物聯網技術的心電監護系統的架構。該架構可以分為三層：感知層、網絡層和應用層[3]。

感知層主要由心電傳感器組成。當心電傳感器啟動時，通信數據包中的更新器開始工作，將心電信號發送至網絡層。

圖1　無線心電系統架構Fig.1 Wireless ECG system architecture

網絡層主要完成心電數據的傳輸、處理和保存。心電數據通過Wi-Fi無線網絡傳輸至應用服務器。應用服務器通過通信數據包的下載器進行數據下載，經過沖突檢測器后，篩選出有效數據。最后這些數據通過數據庫連接組件保存到數據庫服務器中。

應用層主要由PDA客戶端組成。臨床醫生或護士一旦登錄到PDA客戶端，客戶端與服務器的會話就會啟動。應用服務器更新器通過數據庫連接組件來聯系數據庫服務器并獲取心電數據。PDA客戶端下載器通過Wi-Fi無線網絡從應用服務器載入數據。臨床醫生或護士通過PDA上的應用程序來瀏覽心電數據。當臨床醫生或護士修改心電測量參數時，PDA更新器可以確保更新的內容被傳送至應用服務器，并且數據庫存儲也相應的更新。這樣可以確保更新的內容傳輸到登錄系統的其它客戶端。

如果傳感器和PDA無法聯網，那么心電數據和由臨床醫生或護士所做的任何更改都緩存在本地，直到網絡再次可用。要實現這個功能，該傳感器和PDA客戶端需要被網絡感知。這是由應用服務器的發送器實現的，它定時向網絡發送單向消息，這些消息在傳感器和PDA的接收器上被接收。只要傳感器和PDA接收到這些消息，就認為它仍然連接到網絡。這個信息被送入更新器，這使它判斷是否緩存數據或將其發送到服務器。

設計該系統需要考慮的一個重要因素是保證數據的準確性。每個傳感器都有一個唯一的地址，服務器根據這個唯一的地址篩選出有效的用戶來更新其內容。這種方法可以阻止傳感器和服務器傳輸數據時被干擾，有效提高數據的準確性。當傳感器處于待機狀態時，網絡層將停止數據傳輸，直到有新的傳感器連接到網絡中。

2　硬件電路設計

心電傳感電路是心電監護系統的硬件電路中最主要的模塊之一。它主要由心電采集電路、MCU處理電路、Flash存儲模塊和無線通信模塊組成，如圖2所示。

圖2　心電傳感電路結構圖Fig.2 ECG sensing circuit diagram

心電采集電路主要完成信號放大、濾波的功能。選用具有高輸入阻抗、低噪聲、低漂移精密運算放大器AD620對模擬心電信號進行一級緩沖放大。然后進行濾波和二級放大。濾波采用100 Hz低通濾波器，處理后的信號通過運放LMV324實現二級差模放大，使模擬心電信號的幅度范圍與MCU的A/D的采集范圍匹配。

MCU處理電路選擇Micr°chip公司的16 bit低功耗的改進型哈佛架構單片機PIC24FJ256GA110作為系統控制與計算單元。采用單片機內部集成的10 bit高速A/D轉換器完成心電信號的采樣，采樣頻率設置為128 Hz。PIC24FJ256GA110作為無線心電監護電路的控制核心，負責整個電路的運行、各功能模塊的控制以及與無線模塊的通信解析，同時完成數字心電信號的預處理功能。

心電傳感電路的心電存儲采用ST公司生產的M25P32的Flash存儲芯片。MCU通過內部集成的SPI接口與Flash芯片連接。M25P32是一款32 MB存儲空間的串行存儲芯片，地址范圍在000000h～3FFFFFh間，用于存儲連續心電數據，并采用循環地址的方式覆蓋超過2 h的歷史心電數據。為了快速檢索心電數據，將MCU的閃存存儲空間地址為000200h～007FFFh的區域用于保存時間同步數據。通過歷史心電數據和時間同步數據，用戶可輕易檢索到某個時間段內的心電數據。

無線通信模塊采用Micr°chip公司的Wi-Fi模塊MRF24WB0MB來實現。MCU通過另一個內部集成的SPI接口與Wi-Fi芯片連接[4]。無線通信模塊的工作方式由MCU來控制。該模塊上電后由MCU完成初始化配置，隨后與MCU處理電路進行通信。MCU間隔一定的時間發起傳輸事務，查詢是否有數據到達無線通信模塊，并對收發的數據幀進行處理。

3　軟件系統設計

心電監護系統應用軟件包括傳感器應用軟件、PDA客戶端軟件和服務器軟件三部分組成。

傳感器應用軟件是在Micr°chip公司提供的集成開發平臺MPLAB IDE上用嵌入式C語言實現的，用于接收傳感器采集數據，并進行數據處理，分配通信時間間隙，發送時間同步所需的消息，向無線通信模塊發送心電數據。軟件配置單片機A/D采樣頻率是128 Hz，以每8 ms間隔輪詢請求MCU采集一次心電傳感器數據。軟件配置SPI發送頻率是10 Hz，每100 ms間隔輪詢請求MCU按規定格式向無線通信模塊傳輸一次數據。傳感器應用軟件設計中，結合人體心電參數變化較快的特點，充分利用MCU內置定時器，通過定時中斷進行心電傳感器數據采集和傳輸流程設計，保證了高精度、實時性和高可靠性的數據采集與傳輸。

PDA客戶端程序是基于Andr°id系統開發的[5]。Andr°id應用程序采用Java語言開發，搭建開發環境主要包括基于Java語言的軟件開發工具包JDK、基于Java語言開放源代碼可擴展開發平臺Eclipse、Andr°id軟件開發工具包Andr°id SDK和Andr°id開發工具插件ADT。Andr°id應用程序通過Wi-Fi從遠程服務器取得心電數據，采用一階滯后濾波法消除心電數據中的雜波，將處理后的心電數據繪制成心電波形曲線，實時動態顯示在PDA屏幕上。用戶信息和心電配置參數的更改可通過程序利用Wi-Fi更新到遠程服務器，存儲在數據庫中。

服務器軟件是基于.NET和SQL Server數據庫開發的。該軟件在Wind°ws Server 2003操作系統下，利用Visual Studi°.NET 2010開發工具，以C#為開發語言，采用ASP.NET技術編寫心電數據分析程序和通信子程序，并利用web服務器IIS6.0的信息發布功能，通過網絡向客戶端提供心電數據監測服務。數據庫是在SQL Server 2008環境下開發的，以ADO. NET技術對數據庫進行增刪改查操作，使客戶端能夠動態實時顯示心電數據，并且還可顯示歷史數據供醫生和護士查詢和診斷。

4　實驗結果

通過實驗表明，基于物聯網的心電監護系統遠程服務器端接收到的數據完整正確，能夠保證無線傳輸的可靠性和穩定性。該系統能夠連續地進行心電監護，并將采集數據動態實時顯示在PDA屏幕上，如圖3所示。將PDA顯示波形與傳統心電監護儀波形進行對比，具有很高的符合度，完全可以用于患者病情的分析和診斷。

圖3　PDA心電監護操作界面和心電圖Fig.3 Cardiac m°nit°r °perati°n screen and ECG

5　結論

本文實現了基于物聯網技術的心電監護系統，對系統的總體架構和軟硬件設計進行了詳細的介紹和討論。通過實驗測試表明，基于心電傳感器，無線網絡系統和掌上PDA的物聯網技術能實現心電監護系統在醫院中的應用，并且還能保證數據的準確性和穩定性。該系統安裝方便，便于攜帶，容易操作，已在醫院某病區試用，獲得了患者和醫護人員的一致好評。目前該系統還只是在試用階段，有些問題還有待進一步完善，比如電池續航能力，無線抗干擾設計，與醫院HIS系統銜接等，下一步工作將針對這些問題進行系統更新，使患者和醫護人員能更加方便地使用該系統。

[1] 康季槐, 何史林, 陳廣飛, 等. 基于物聯網的病區智能監護系統研制[J]. 醫療衛生裝備, 2013, 34(9): 9-12.

[2] 萇飛霸, 尹軍, 張和華, 等. 一種基于智能終端的人體心電信號監護系統設計[J]. 傳感技術學報, 2014, (3): 289-292.

[3] 鮑娟, 柯尊平, 魏剛, 等. 基于物聯網的社區醫療健康管理模型研究[J]. 醫學信息學雜志, 2014, 35(1): 7-11.

[4] 黃建凡, 朱為, 堵國樑, 等. 心電監護系統中WIFI傳輸的設計與實現[J]. 電子器件, 2013, 36(4): 514-518.

[5] 孫旭東, 張躍. 集成于智能手機的心電監護儀的設計與實現[J].計算機工程與設計, 2014, (7): 2344-2349.

Implementation of ECG Monitoring System Based on Internet of Things

【 Writers 】LU Liangliang, CHEN Minya Wuxi People's Hospital Affiliated to Nanjing Medical University, Wuxi, 214023

【 Abstract 】In order to expand the capabilities of hospital’s traditional ECG device and enhance medical staff’s work efficiency, an ECG monitoring system based on internet of things is introduced. The system can monitor ECG signals in real time and analyze data using ECG sensor, PDA, Web servers, which embeds C language, Android systems, .NET, wireless network and other technologies. After experiments, it can be showed that the system has high reliability and stability and can bring the convenience to medical staffs.

Internet of things, PDA, ECG monitoring, sensor

TH772.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.06.008

1671-7104(2015)06-0418-03

2015-08-18

無錫市醫院管理中心醫學科研面上項目（YGZXM1538）

陸靚亮，E-mail: le°nlu617@qq.c°m