基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬利祥，李紅利，馬 欣

（1.天津杰福德自動(dòng)化技術(shù)有限公司 技術(shù)開(kāi)發(fā)部，天津 300112；2.天津工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387）

0 引言

心臟疾病在人群中的發(fā)病率在不斷增加,60 歲以上的老年人是心臟疾病的高發(fā)人群,病發(fā)后的及時(shí)搶救是挽回心臟疾病患者生命的關(guān)鍵。 心臟疾病具有偶然性與突發(fā)性的特點(diǎn),因此實(shí)時(shí)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值［1］。 1949 年,Norman J. Holter 根據(jù)其在生物信號(hào)遙測(cè)技術(shù)的研究成果研制出心電圖遙測(cè)設(shè)備,并于20 世紀(jì)60 年代成功研制出集收發(fā)功能于一體的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng),稱(chēng)之為Holter 系統(tǒng)。 Holter 系統(tǒng)的發(fā)明為監(jiān)測(cè)心律失常、心肌缺血等心臟疾病提供了有效的診斷方法,為心臟疾病的早期診斷和治療起到了積極的推動(dòng)作用,也為無(wú)線遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［2］。

目前,醫(yī)療機(jī)構(gòu)所使用的心電監(jiān)測(cè)設(shè)備精度高,但是體積龐大、價(jià)格昂貴,不具備實(shí)時(shí)和隨身監(jiān)護(hù)的條件。 便攜式心電圖機(jī)雖然可用于家庭監(jiān)護(hù),但是由于其一體化的心電信號(hào)采集和顯示系統(tǒng),導(dǎo)致其體積大、功耗高,不可隨身攜帶。 雖然可以實(shí)時(shí)采集心電信號(hào),但其只具備單一的心電采集功能,不具備數(shù)據(jù)同步和報(bào)警功能［3］。 因此,文章研究并設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。 系統(tǒng)通過(guò)可穿戴設(shè)備,實(shí)時(shí)采集被測(cè)人體的心電數(shù)據(jù),并通過(guò)低功耗無(wú)線通信技術(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送到智能手機(jī)。 智能手機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)做初步診斷,判斷被測(cè)人體是否發(fā)生常見(jiàn)的心臟疾病。 若發(fā)現(xiàn)疑似病情,則發(fā)出報(bào)警提示病人休息和用藥。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

正常的心電信號(hào)由一系列的子波組成,正常情況下,心電信號(hào)的幅值大約在10 uV ～5 mV,頻率在0.05 Hz～120 Hz。 心電信號(hào)中的 QRS 波群是由 Q 波、R 波、S 波組成的波群,由于3 個(gè)波形緊密相鄰且具有不同的特征,因此在醫(yī)學(xué)診斷過(guò)程中視為一個(gè)波群整體,它反映了心室去極過(guò)程中的電位變化。 正常人的QRS 波形周期大約為60 ms～100 ms,是在整個(gè)心電周期中變化最明顯、信息量最大的波群。 心室性異常,如室內(nèi)的傳導(dǎo)阻滯、心室異位激動(dòng)等通常會(huì)引起QRS 波形異常。

心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由心電信號(hào)采集模塊(可穿戴終端）和監(jiān)護(hù)平臺(tái)(智能手機(jī)）組成。 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 用戶(hù)佩戴一套心電信號(hào)采集模塊,實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集,采集到的心電信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙實(shí)時(shí)傳送到智能手機(jī)。

圖1 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

可穿戴終端硬件電路主要包括電池供電電路、以ADS1191 生理信號(hào)采集芯片為核心的信號(hào)采集電路、CC2540 主控芯片最小系統(tǒng)以及藍(lán)牙信號(hào)射頻電路,如圖1所示。 采用三導(dǎo)聯(lián)方式獲取人體心電信號(hào),低通濾波電路用來(lái)去除信號(hào)中的高頻雜波,ADS1191 芯片對(duì)濾波后的心電信號(hào)進(jìn)行放大以及A/D 轉(zhuǎn)換,CC2540 主控芯片通過(guò)SPI 通信協(xié)議讀取ADS1191 心電數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡內(nèi),并通過(guò)藍(lán)牙4.0 通信協(xié)議上傳至智能手機(jī)端。

2.1 心電信號(hào)采集前端

為節(jié)省空間、降低干擾,研究采用ADS1191 作為信號(hào)采集前端,該芯片是用于生理信號(hào)測(cè)量的低功耗模擬前端,具有體積小、功耗低、成本低、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 ADS1191 內(nèi)部具有可編程增益放大器(PGA）和16位A/D 轉(zhuǎn)換器。 該芯片自動(dòng)將心電信號(hào)放大,并進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的心電數(shù)據(jù)可通過(guò)SPI 通信協(xié)議讀出。 由于心電信號(hào)微弱,易受干擾,因此,ADS1191 前端須設(shè)置低通濾波電路,以降低信號(hào)的高頻干擾。 對(duì)于信號(hào)中的其他干擾成分,可采用數(shù)字濾波器慮除,ADS1191 信號(hào)采集電路如圖2 所示。

圖2 ADS1191 信號(hào)采集電路

2.2 主控芯片及藍(lán)牙電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用藍(lán)牙4.0 無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集終端與手機(jī)之間的通信。 與傳統(tǒng)藍(lán)牙相比,藍(lán)牙4.0 具有傳輸速率高和低功耗的特點(diǎn)。 本系統(tǒng)對(duì)藍(lán)牙低功耗(Bluetooth Low Energy,BLE）協(xié)議棧進(jìn)行開(kāi)發(fā),充分發(fā)揮了藍(lán)牙4.0 的優(yōu)勢(shì)。 CC2540 芯片可搭載開(kāi)源的藍(lán)牙4.0 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備之間通信。 該芯片已大量使用于消費(fèi)類(lèi)醫(yī)療電子設(shè)備以及個(gè)人運(yùn)動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域。 此系統(tǒng)中,利用CC2540 作為主控芯片,使用4 個(gè)IO 引腳模擬SPI 總線與ADS1191 進(jìn)行通信,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS1191 的寫(xiě)指令和數(shù)據(jù)讀取。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 心電信號(hào)采集模塊程序設(shè)計(jì)

CC2540 主控芯片搭載BLE 協(xié)議棧,與小型操作系統(tǒng)相似。 BLE 協(xié)議棧通過(guò)任務(wù)輪詢(xún)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)多任務(wù)“同時(shí)”運(yùn)行。 為了實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙的低功耗優(yōu)勢(shì),用戶(hù)需要對(duì)BLE 系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā),在BLE 系統(tǒng)中建立SPI 讀取任務(wù),并設(shè)定以中斷方式觸發(fā)任務(wù)執(zhí)行。 DRDY 發(fā)出低電平信號(hào)時(shí)觸發(fā)中斷,并將讀取的數(shù)據(jù)存至緩存區(qū),程序流程如圖3 所示。

圖3 心電信號(hào)采集流程

3.2 手機(jī)端監(jiān)護(hù)軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)端心電監(jiān)護(hù)軟件需要完成數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)護(hù)報(bào)警等功能［4］。 數(shù)據(jù)處理的工作量相對(duì)較大,因此對(duì)軟件的高效和實(shí)時(shí)性有較高要求。 該監(jiān)護(hù)軟件掃描并連接藍(lán)牙信號(hào),建立通信協(xié)議,從信號(hào)采集終端獲得心電數(shù)據(jù),并放置于用于處理的緩存區(qū),每次緩存區(qū)數(shù)據(jù)裝滿(mǎn)后,便對(duì)心電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 為了滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和高效性,軟件需要建立多個(gè)線程以及后臺(tái)服務(wù),多任務(wù)進(jìn)行“同步”運(yùn)行,手機(jī)端監(jiān)護(hù)軟件界面如圖4 所示。

圖4 手機(jī)端監(jiān)護(hù)軟件

4 數(shù)字濾波與QRS 波形檢測(cè)的設(shè)計(jì)

4.1 基于最小二乘法的基線漂移濾波處理

采集的ECG 數(shù)據(jù)具有一定幅度的基線漂移,需要對(duì)ECG 數(shù)據(jù)進(jìn)行基線漂移的消除［5-7］。 由于可移動(dòng)設(shè)備CPU 運(yùn)算速度具有一定的局限性,同時(shí)要保證設(shè)備的實(shí)時(shí)性,因此設(shè)計(jì)了分段式最小二乘法的去趨勢(shì)項(xiàng)處理,對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理。 該算法簡(jiǎn)單、運(yùn)算量小,適合可穿戴設(shè)備使用。

對(duì)一組心電數(shù)據(jù)f(i）,i ＝0,1,2…N,構(gòu)造一個(gè)q階的多項(xiàng)式趨勢(shì)項(xiàng)如式(1）。

用式(1）來(lái)擬合一組數(shù)據(jù),擬合過(guò)程中必然存在著擬合誤差,誤差的平方和為如式(2）所示。

為了使誤差的平方和最小,可令E對(duì)個(gè)系數(shù)的導(dǎo)數(shù)等于零,如式(3）和式(4）所示。

化簡(jiǎn)式(4）可得式(5）。

給定需要擬合的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)N,多項(xiàng)式階次q和待擬合的數(shù)據(jù)f(0）,f(1）,f(2）,…,f(N） ,那么可以求出Xp和Kn+p,應(yīng)用最小二乘法,趨勢(shì)項(xiàng)系數(shù)a0,a1,a2,…,aq就可以求出。 將該趨勢(shì)項(xiàng)系數(shù)帶入式(1）便可得到趨勢(shì)多項(xiàng)式的一般模型,也就是心電信號(hào)的基線漂移數(shù)據(jù)。 利用原始心電數(shù)據(jù)減去該趨勢(shì)項(xiàng)數(shù)據(jù),便可去除基線漂移。

為了驗(yàn)證算法的有效性,從MIT-BIH 心電數(shù)據(jù)庫(kù)隨機(jī)提取1 500 個(gè)心電數(shù)據(jù),在Matlab 平臺(tái)進(jìn)行仿真,對(duì)數(shù)據(jù)添加正弦波模擬基線漂移。 仿真結(jié)果表明,采用5 階多項(xiàng)式來(lái)擬合1 500 個(gè)心電數(shù)據(jù)便可得到很好的效果。 5 階擬合基線濾波如圖5 所示,從圖中可以看出,采用5 階多項(xiàng)式擬合心電數(shù)據(jù)便可有效去除心電中的基線漂移,該算法對(duì)心電信號(hào)會(huì)有一定的削弱作用,但不影響檢測(cè)。

圖5 5 階擬合基線濾波

4.2 自適應(yīng)差分閾值法的QRS 波形檢測(cè)

4.2.1 R 波檢測(cè)

實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的自診斷,需要對(duì)心電信號(hào)中的QRS 波形進(jìn)行檢測(cè)。 R 波具有波形陡峭、幅值大、帶寬窄的特點(diǎn),因此,首先要實(shí)現(xiàn)對(duì)R 波的檢測(cè)。 本研究采用自適應(yīng)差分閾值法進(jìn)行QRS 波形檢測(cè),在檢測(cè)出R波之后,能夠根據(jù)人體生理特性進(jìn)行錯(cuò)檢和漏檢的邏輯判斷。 為實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)心臟疾病診斷和異常心電信號(hào)特征進(jìn)行描述定義如下變量。

T:當(dāng)前RR 間期,即當(dāng)前R 波波峰與前一R 波波峰的時(shí)間差；

T＿r:正在檢測(cè)R 波前4 個(gè)RR 間期的平均值；

H:當(dāng)前R 波波峰幅值；

H＿r:正在檢測(cè)的R 波4 個(gè)R 波波峰的平均幅值；

HR＿max:漏檢判斷中,漏檢段數(shù)據(jù)的最大值；

W＿QS:QRS 波群檢測(cè)得到的QRS 波群寬度。

對(duì)所接收到的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行R 波檢測(cè)。 手機(jī)獲取藍(lán)牙數(shù)據(jù),存放在緩存中,每接收一次數(shù)據(jù)進(jìn)行一次檢測(cè)。

4.2.2 Q 波和 S 波檢測(cè)

當(dāng)檢測(cè)出R 波之后,可以通過(guò)R 波的位置檢測(cè)Q波和S 波。 Q 點(diǎn)和S 點(diǎn)在R 點(diǎn)左右兩側(cè)接近基線附近,是QRS 波形開(kāi)始變化的區(qū)域。 可以根據(jù)已知的R波位置來(lái)搜尋其附近的點(diǎn)來(lái)找到Q 點(diǎn)和S 點(diǎn)。 正常人群的QRS 波寬度為大約0.1 s,心臟疾病患者,如起搏心拍、束支傳導(dǎo)阻滯等人群的QRS 波寬度一般大于0.1 s。因此選擇0.1 s～0.15 s 作為檢測(cè)區(qū)間,即向前、向后搜索0.1 s～0.15 s 內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)尋找Q 點(diǎn)和S 點(diǎn)。

為了驗(yàn)證算法的有效性,利用Matlab 平臺(tái)檢測(cè)心電數(shù)據(jù)的QRS 波,檢測(cè)結(jié)果如圖6 所示。 圖中用圓形符號(hào)標(biāo)記出R 波位置,Q,S 位置用過(guò)兩條豎線標(biāo)記。通過(guò)對(duì)仿真圖的觀察可以看出,檢測(cè)算法可對(duì)QRS 波形進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。

圖6 QRS 波檢測(cè)結(jié)果

4.3 基于QRS 波形的心率失常診斷

根據(jù)QRS 波的檢測(cè)結(jié)果,對(duì)心臟疾病進(jìn)行診斷。表1 為常見(jiàn)心臟疾病和異常心電信號(hào)特征。 對(duì)表1 所列出的異常心電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),當(dāng)出現(xiàn)列表中某一異常情況時(shí),心電檢測(cè)模塊便進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。

表1 常見(jiàn)心臟疾病和異常心電信號(hào)特征

5 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀相比,文章研究設(shè)計(jì)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)充分發(fā)揮了物聯(lián)網(wǎng)和低功耗無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)全天候采集心電信號(hào),利用智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集和監(jiān)護(hù)。 測(cè)試表明,該算法準(zhǔn)確率高、模塊性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)佩戴方便、監(jiān)護(hù)靈敏、診斷及時(shí)、運(yùn)行穩(wěn)定、具有功耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn),合理利用了當(dāng)代流行的智能手機(jī),大大降低了商業(yè)成本,可有效解決具有心臟疾病隱患的社區(qū)人群的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)問(wèn)題。