基于智能手機(jī)終端的心電自動(dòng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓 偉，李飛星，張愛(ài)愛(ài)，宋建英，張寶慧，李方江

（1.河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院，河北張家口 075000；2.張家口醫(yī)學(xué)院，河北張家口 075000）

隨著全球老齡化程度進(jìn)一步加深，心血管疾病的發(fā)病率呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，而年輕人由于生活作息等問(wèn)題，心血管疾病的患病率也逐漸增加。由于心臟的疾病癥狀具有一過(guò)性，當(dāng)癥狀出現(xiàn)時(shí)無(wú)法及時(shí)獲取，則很難在事后再次檢查出來(lái)，易出現(xiàn)漏診問(wèn)題。而由于臨床治療使用的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備，存在體積大和價(jià)格高等問(wèn)題，并且監(jiān)測(cè)結(jié)果也需要專(zhuān)業(yè)人士進(jìn)行解讀，并不適用于普通人群的日常生活，需要設(shè)計(jì)一款便攜式的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

目前針對(duì)心血管疾病的診斷，主要依靠觀察患者的心電圖，該數(shù)據(jù)為心臟電位活動(dòng)的表征，包含了豐富的生理和病理信息。心臟在各個(gè)部分的生物電，均可以反映在心電圖中，可以通過(guò)觀察心電圖來(lái)初步監(jiān)測(cè)心臟是否發(fā)生異常情況。而由于醫(yī)療資源的限制，大量患者不能及時(shí)得到有效治療，且心血管疾病存在一定的潛伏期，需要定期監(jiān)測(cè)才能夠發(fā)現(xiàn)。該文以智能手機(jī)為媒介，設(shè)計(jì)便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，為患者實(shí)現(xiàn)自我診斷提供技術(shù)支持。

1 便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 基于智能手機(jī)構(gòu)建心電監(jiān)護(hù)框架

該項(xiàng)研究目標(biāo)為設(shè)計(jì)一款便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，以此滿(mǎn)足患者的長(zhǎng)時(shí)間心電監(jiān)護(hù)需求，在智能手機(jī)的功能應(yīng)用上，將其與監(jiān)護(hù)裝置進(jìn)行連接[1]。由于智能手機(jī)的界面較為友好，且交互性好，基本上均可以連接藍(lán)牙模塊，因此使用藍(lán)牙通信收款，在手機(jī)端進(jìn)行心電信號(hào)的處理和分析，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖中包括心電采集模塊和智能手機(jī)端兩個(gè)部分。通過(guò)電極與人體連接，在逆變器和控制器下獲取信號(hào)，并利用藍(lán)牙通信傳遞給智能手機(jī)。智能手機(jī)端在收到心電信號(hào)后，能夠繪制出實(shí)時(shí)波形圖，同時(shí)對(duì)心電信息做出分析，一旦發(fā)現(xiàn)心律失常問(wèn)題，直接發(fā)出預(yù)警。

圖1 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 設(shè)計(jì)短距離藍(lán)牙通信模塊

采用藍(lán)牙作為通信手段，能夠在短距離內(nèi)進(jìn)行無(wú)線傳輸，支持手機(jī)端與人體心電數(shù)據(jù)的交換。其作為目前大部分智能手機(jī)的標(biāo)配，將其嵌入至心電模塊中，并在手機(jī)端完成通信傳輸[2]。選擇HM-13藍(lán)牙模塊，并配合ARM 單片機(jī)，能夠針對(duì)實(shí)際需求配置設(shè)備名稱(chēng)。重新設(shè)計(jì)藍(lán)牙傳輸電路，如圖2 所示。圖中，TX、RX 引腳可以直接與模塊進(jìn)行連接，當(dāng)模塊為iOS 設(shè)備時(shí)，內(nèi)部單個(gè)數(shù)據(jù)包含128 個(gè)字節(jié)；當(dāng)模塊為Android 設(shè)備時(shí)，包含30 個(gè)字節(jié)。HM-15藍(lán)牙模塊分為BLE 和SPP 通信模式，各自收發(fā)距離分別為80 m 和40 m。通過(guò)BLE 傳輸速度選擇下限，合理切換兩種工作模式。

圖2 藍(lán)牙傳輸電路

1.3 選擇心電信號(hào)傳感器芯片

心電監(jiān)護(hù)需要考慮到血氧值，而計(jì)算蓋子需要兩路心電信號(hào)數(shù)據(jù)，采用MAXIM公司研制的MAX30210傳感器模塊，通過(guò)內(nèi)置的紅外和近紅外兩路LED，采集兩路心電信號(hào)數(shù)據(jù)[3]。該芯片體積較小，能夠應(yīng)用于便攜式穿戴設(shè)備中，具體如圖3 所示。圖3 中，該芯片包含14 組引腳，其中主要引腳為PIN2/3/5/6/9/10/13。引腳2 和3 為芯片連接通信接口的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線引腳，引腳5 和6 為紅外及近紅外驅(qū)動(dòng)引腳，引腳9 和10 為供電引腳，引腳13 為終端控制引腳。其中信號(hào)處理模塊可以直接獲取傳感器采集的心電信號(hào)數(shù)據(jù)，需要了解總體線路的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)總線空閑狀態(tài)和通信起始狀態(tài)以及信號(hào)傳輸狀態(tài)的任意切換。

圖3 兩路心電信號(hào)傳感器芯片

2 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于智能手機(jī)建立心電數(shù)據(jù)傳輸信道

在手機(jī)端的心電監(jiān)護(hù)軟件中，采用藍(lán)牙與嵌入的心電采集模塊進(jìn)行連接，使其接收人體發(fā)出的心電數(shù)據(jù)，且平臺(tái)中對(duì)藍(lán)牙的支持均位于Android.Bluetooth 數(shù)據(jù)包中[4]。建立藍(lán)牙連接的心電數(shù)據(jù)傳輸通路，不同藍(lán)牙類(lèi)別下的功能描述范圍如表1 所示。根據(jù)表1 中內(nèi)容，從Android 平臺(tái)中開(kāi)始藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠?qū)h(yuǎn)程的設(shè)備進(jìn)行控制，以一組連接點(diǎn)為基礎(chǔ)，將發(fā)送端和接收端構(gòu)成一條心電數(shù)據(jù)的傳輸通路。

表1 建立Android藍(lán)牙通路功能類(lèi)型

應(yīng)用基于智能手機(jī)平臺(tái)對(duì)藍(lán)牙提供的通信技術(shù)，在操作API 的前提下實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備的通信，包括開(kāi)啟和搜索以及連接和指向性數(shù)據(jù)傳輸，具體流程如圖4 所示。在調(diào)試藍(lán)牙前需要對(duì)使用者增加權(quán)限，在Android 平臺(tái)中加入使用口令[5]。配置本機(jī)的藍(lán)牙模塊，獲取默認(rèn)藍(lán)牙實(shí)例進(jìn)行啟動(dòng)，打開(kāi)本機(jī)設(shè)備并設(shè)置本機(jī)可見(jiàn)。設(shè)定藍(lán)牙搜索時(shí)間，使用start-discovery 方法創(chuàng)建連接對(duì)象，完成數(shù)據(jù)通信組建。

圖4 藍(lán)牙連接流程

圖5 交互界面

2.2 獲取便攜式心電監(jiān)護(hù)信號(hào)節(jié)點(diǎn)距離

智能手機(jī)平臺(tái)可以支持藍(lán)牙的連接，通過(guò)智能手機(jī)建立便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，主要是將收集端和心電采集端進(jìn)行連接，而兩個(gè)模塊之間的通信需要有藍(lán)牙模塊才能實(shí)現(xiàn)[6]。心血管疾病的發(fā)病速度較快，需要及時(shí)救治，因此必須對(duì)心電監(jiān)護(hù)的各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，獲取信號(hào)節(jié)點(diǎn)距離。在獲取到信號(hào)到達(dá)的時(shí)間之后，計(jì)算盲節(jié)點(diǎn)(x,y)到各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)的距離。表達(dá)式為：

式中，到各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離分別為p1、p2、p3。

將上式兩兩相減并整理后，得出：

進(jìn)一步推導(dǎo)上式，該方程解即為盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)：

將智能手機(jī)發(fā)出的藍(lán)牙信號(hào)以不同的傳播速度向節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，構(gòu)成雙曲線定位軌跡[7]。當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)存在夾角時(shí)，設(shè)置盲節(jié)點(diǎn)(x,y)到錨節(jié)點(diǎn)(x1,y1)的夾角為γ、到(x2,y2)的夾角為μ。兩夾角正切值計(jì)算公式如式（4）所示：

采用正切函數(shù)進(jìn)行夾角定位，并通過(guò)余弦換算轉(zhuǎn)化為：

通過(guò)節(jié)點(diǎn)直線的信號(hào)強(qiáng)度，能夠計(jì)算收發(fā)點(diǎn)之間的距離，但在傳輸能力不斷衰減的情況下，會(huì)受到噪聲等因素干擾，因此需要加入一個(gè)高斯分布白噪聲進(jìn)行過(guò)濾，完成信號(hào)通路距離測(cè)算。當(dāng)監(jiān)護(hù)設(shè)備不斷接收心電信息時(shí)，采用中值濾波法進(jìn)行基線漂移處理，設(shè)置中值濾波窗口的長(zhǎng)度，并對(duì)所有獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行排列，計(jì)算實(shí)時(shí)心率。

2.3 計(jì)算實(shí)時(shí)心率判斷心電監(jiān)護(hù)情況

在監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中必須設(shè)置心率計(jì)算模塊，將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算方式為：

式中，q為人體心率。we為心電采樣頻率。

某時(shí)段中的心電信號(hào)R 波數(shù)量為tR[8-9]。該時(shí)段內(nèi)第一個(gè)R 波位置為rR0，最后一個(gè)R 波位置為rR1。將其進(jìn)行簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)化，表示為：

在一個(gè)良好的R 波監(jiān)測(cè)算法下，能夠直接采用上述公式對(duì)心率進(jìn)行計(jì)算。即在二階差分算法下，計(jì)算心電數(shù)據(jù)，公式為：

式中，原始心電數(shù)據(jù)的序列為q(i)[10-11]。對(duì)應(yīng)的二階差分序列為u(i)。在監(jiān)測(cè)區(qū)對(duì)應(yīng)的最大原始距離值即為檢測(cè)的R 波具體位置。

根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)入原則，在接入心電數(shù)據(jù)時(shí)，將其直接連接到隊(duì)列尾部，下一步則是重新對(duì)隊(duì)列數(shù)據(jù)進(jìn)行排序。若采用最近波段內(nèi)的R 波參數(shù)，對(duì)實(shí)時(shí)的心率進(jìn)行計(jì)算，則結(jié)果為實(shí)時(shí)心率[12-14]；若從監(jiān)護(hù)開(kāi)始對(duì)R 波參數(shù)進(jìn)行闡述，則計(jì)算結(jié)果為平均心率。心電監(jiān)護(hù)的最終目的為判斷人體心率情況，在此基礎(chǔ)上建立心律失常模塊，對(duì)五種常見(jiàn)的心律失常情況進(jìn)行自動(dòng)診斷。常見(jiàn)類(lèi)別和判斷條件如表2所示。心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能夠自動(dòng)診斷的心律失常類(lèi)型，共設(shè)置成五組。根據(jù)實(shí)時(shí)心率數(shù)據(jù)，可以判斷如下情況：當(dāng)心率超過(guò)120 次或者不足40 次量級(jí)時(shí)，連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)3 次相同設(shè)定，則可提示為心動(dòng)過(guò)緩和心動(dòng)過(guò)速[15-16]。至此完成便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

表2 心律失常類(lèi)型及判斷條件

3 性能測(cè)試結(jié)果與分析

通過(guò)智能手機(jī)建立便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，主要目的是為人們提供更加方便的就診跟蹤和心電記錄。為保證新系統(tǒng)具有應(yīng)用效果，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法進(jìn)行論證。

3.1 展示交互界面

選擇iOS 智能手機(jī)端口與用戶(hù)進(jìn)行交互，用于后續(xù)的心電波形檢測(cè)和查詢(xún)，在用戶(hù)登錄主界面時(shí)，會(huì)彈出信息菜單，對(duì)應(yīng)各部分應(yīng)用功能。交互界面可顯示心率、血氧、血壓和心律失常結(jié)果檢測(cè)。且含有5 個(gè)菜單選項(xiàng)，用戶(hù)可利用相應(yīng)菜單在此輸入身份信息，可以學(xué)習(xí)對(duì)應(yīng)的健康知識(shí)，建立相關(guān)聯(lián)系人，搜索藍(lán)牙設(shè)備和查看歷史數(shù)據(jù)。

在此基礎(chǔ)上增添用戶(hù)信息，該用戶(hù)具備心律不齊病癥就診記錄，設(shè)置其聯(lián)系人和用戶(hù)信息，如圖6所示。用戶(hù)需要輸入自己的姓名、年齡、性別，以區(qū)別其他用戶(hù)，并錄入緊急聯(lián)系人，當(dāng)診斷結(jié)果出現(xiàn)異常，會(huì)通過(guò)該聯(lián)系方式發(fā)送短信通知。

圖6 建立用戶(hù)檔案

3.2 顯示心電診斷結(jié)果

將電極片兩端連接在系統(tǒng)中，進(jìn)行連續(xù)6 天的跟蹤監(jiān)測(cè)，時(shí)間為7 月10 日-15 日，為方便用戶(hù)觀察自身信息，心電波形會(huì)直接顯示在網(wǎng)格內(nèi)。對(duì)15 日正在采集的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖7 所示。心電信號(hào)被直接顯示在網(wǎng)格圖紙上，包含當(dāng)下時(shí)刻心率和血氧以及血壓的監(jiān)測(cè)結(jié)果，并對(duì)心律失常癥狀進(jìn)行診斷，具有良好的應(yīng)用效果。

圖7 心電波形監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.3 搜索歷史記錄

心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)不僅需要完成當(dāng)下時(shí)刻的監(jiān)測(cè)，還需要具備歷史查看功能，方便用戶(hù)就診時(shí)提供有效數(shù)據(jù)信息。10 日-14 日的歷史數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果如圖8 所示。根據(jù)圖8 中內(nèi)容可知，該界面展示了跟蹤測(cè)試5 天的歷史數(shù)據(jù)，均完成了心律失常診斷。該數(shù)據(jù)主要為后續(xù)的就診提供了依據(jù)，通過(guò)“開(kāi)始”和“停止”鍵，可以控制心電波形，提供具有依據(jù)的應(yīng)用效果。

圖8 看心電波形

3.4 驗(yàn)證短信提醒功能

上文監(jiān)測(cè)結(jié)果中，用戶(hù)出現(xiàn)過(guò)室性早搏現(xiàn)象，但用戶(hù)的測(cè)量信息為異常時(shí)，有時(shí)難以察覺(jué)或者不在意，而家屬不可能隨時(shí)在身邊，因此新系統(tǒng)需要具備短信提醒功能，可以對(duì)家屬進(jìn)行告知。調(diào)取該用戶(hù)家屬手機(jī)內(nèi)短信內(nèi)容，查看12 日短信來(lái)源，結(jié)果如圖9 所示。系統(tǒng)發(fā)送的短信內(nèi)容，且時(shí)間與診斷時(shí)間非常接近，即在出現(xiàn)病癥時(shí)直接對(duì)家屬進(jìn)行通知，具有及時(shí)性。

圖9 查看短信內(nèi)容

4 結(jié)束語(yǔ)

心腦血管疾病是危害人體健康的首要疾病，心電圖作為主要技術(shù)手段，可以對(duì)患者是否出現(xiàn)心臟異常作出判斷。通過(guò)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)建，對(duì)人體的實(shí)時(shí)心電情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，反映人體最基本的心臟活動(dòng)。且在實(shí)際功能實(shí)驗(yàn)中具有良好的效果。但個(gè)人知識(shí)水平有限，該文仍存在不完善的地方，只實(shí)現(xiàn)了手機(jī)端的病癥分析，后續(xù)可以加入患者的歷史就診記錄，實(shí)現(xiàn)醫(yī)院和家庭的對(duì)接。