李金霞，曾繁霞，張立強(qiáng)蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院兒科;蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，蘭州 730050

心電監(jiān)測在臨床與健康護(hù)理中廣泛應(yīng)用。但一般心電監(jiān)測儀器相對來說重量、體積較大，且多為有線數(shù)據(jù)傳輸，僅用于醫(yī)院中。同時(shí)，因心電圖專業(yè)性很強(qiáng)，普通患者難以讀懂。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮啽慵矣眯托碾姳O(jiān)測系統(tǒng)及其配套監(jiān)護(hù)軟件有著廣闊的應(yīng)用前景［1-2］。鑒于此，該文應(yīng)用基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)便攜式心電監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸，并借助普通PC機(jī)，充分發(fā)揮MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析處理能力，在MATLAB環(huán)境中簡便地實(shí)現(xiàn)了心電監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析。通過該系統(tǒng)，單一患者甚至多個患者不但可以在不被限制自由的情況下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程心電監(jiān)測，還可以在PC機(jī)上自助分析其心電信號，進(jìn)行簡單的參數(shù)和波形檢測，從而對患者在正常工作、生活狀態(tài)時(shí)心電變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，這樣，患者的早期診斷和及時(shí)治療就成為可能。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將其用戶端延伸和擴(kuò)展到任何物體與物體之間以實(shí)現(xiàn)信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，即“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過射頻識別(radio frequency identification，RFID)、激光掃描器等傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等［3-4］。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的便攜式心電監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸

2．1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，系統(tǒng)中心電信號的傳輸采用基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。RFID是一種非接觸式自動識別技術(shù)，通過射頻信號自動識別目標(biāo)并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)識別速度快、容量大，可同時(shí)識別多目標(biāo)以及運(yùn)動目標(biāo)，操作方便快捷。RFID物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括電子標(biāo)簽、讀/寫卡器、數(shù)據(jù)處理軟件平臺等三大部分。RFID電子標(biāo)簽存儲容量可達(dá)兆字節(jié)，且可以重復(fù)讀寫，這為隨時(shí)存取設(shè)備信息提供了可能［4-8］。

2．1．1 電子標(biāo)簽的選擇RFID電子標(biāo)簽一般由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有惟一的電子編碼，可與所監(jiān)測患者ID一一對應(yīng)。RFID電子標(biāo)簽分為主動式標(biāo)簽和被動式標(biāo)簽兩種。主動式標(biāo)簽也稱為有源標(biāo)簽，自身帶有電池供電，讀/寫距離較大。被動式標(biāo)簽也稱為無源標(biāo)簽，其能量從讀卡器產(chǎn)生的磁場中獲得。相比主動式標(biāo)簽，被動式標(biāo)簽成本低、使用壽命長，但讀/寫距離較小?？紤]到給予患者最大限度的自由活動空間，該系統(tǒng)采用主動式RFID電子標(biāo)簽。

2．1．2 讀卡器的選擇讀卡器用于讀/寫電子標(biāo)簽信息，可分為手持式和固定式兩種?？紤]到遠(yuǎn)程心電監(jiān)測的實(shí)際操作需求，系統(tǒng)主要采用固定式RFID讀卡器，并輔助以手持式。

RFID讀卡器系統(tǒng)一般由MCU、RF接收模塊以及485信號輸出三部分組成。電子標(biāo)簽和讀卡器之間的射頻信號傳遞由天線完成。主動式RFlD電子標(biāo)簽收到讀卡器發(fā)出的射頻信號后，通過自身能量主動發(fā)送某一頻率的信息，讀卡器讀取標(biāo)簽所發(fā)送的信息以及采集到的相應(yīng)的心電數(shù)據(jù)，并經(jīng)485串口送至數(shù)據(jù)處理軟件平臺作進(jìn)一步處理。

2．1．3 數(shù)據(jù)處理軟件平臺設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件平臺包括讀卡器和RFID電子標(biāo)簽的信息收發(fā)程序、上位機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫等。讀卡器和RFID電子標(biāo)簽的信息收發(fā)程序完成系統(tǒng)初始化以及RFID發(fā)送/接收的物理地址、發(fā)送/接收的地址長度、發(fā)送/接收的頻段和速率等參數(shù)設(shè)置，采用C51設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件采用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫采用SQL Server設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。醫(yī)師也可以通過Internet訪問此網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，從而可以隨時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測該患者的心電圖［9］。數(shù)據(jù)處理軟件平臺輔以RFID電子標(biāo)簽、讀卡器等即可實(shí)現(xiàn)對在一定范圍內(nèi)自由活動的患者的有效識別，識別后心電監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸以及上位機(jī)的后臺網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫存儲、分析等。

2．2 系統(tǒng)工作原理

為了實(shí)時(shí)掌握便攜式心電監(jiān)測系統(tǒng)的使用狀況，在其上固定粘貼有源RFID標(biāo)簽和二維條碼標(biāo)簽;在一定范圍的患者自由活動區(qū)域分布安裝RFID讀卡器(分布安裝RFID讀卡器范圍越廣，則患者可自由活動區(qū)域越大)，讀卡器的電子編碼對應(yīng)相應(yīng)的區(qū)域ID。主動式RFID電子標(biāo)簽自動發(fā)射無線射頻信號，RFID讀卡器接收到信號即可識別;二維條碼標(biāo)簽采用手持式移動終端Symbol MC50進(jìn)行條碼掃描識別。二維條碼標(biāo)簽僅作為有源RFID標(biāo)簽的備份，需要的時(shí)候可以直接在二維條碼標(biāo)簽中讀取詳細(xì)的患者ID信息。

帶有主動式RFID電子標(biāo)簽的便攜式心電監(jiān)測裝置只要在分布安裝有RFID讀卡器的一定區(qū)域內(nèi)，即可被該區(qū)域內(nèi)的RFID讀卡器識別，讀卡器即可將RFID電子標(biāo)簽對應(yīng)的便攜式心電監(jiān)測裝置信息以及采集的心電數(shù)據(jù)通過485串口傳輸給上位計(jì)算機(jī)，上位計(jì)算機(jī)根據(jù)所獲得的信息把RFID標(biāo)簽電子編碼與相應(yīng)心電監(jiān)測裝置即相應(yīng)患者ID對應(yīng)，即可自動跟蹤、監(jiān)控該心電監(jiān)測裝置的位置，數(shù)據(jù)在后臺存儲到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。如果需要，還可以實(shí)時(shí)在上位機(jī)屏幕顯示采集到的心電圖。而醫(yī)師也可以通過Internet訪問該網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，并由患者ID提取對應(yīng)的心電數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)隨時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測該患者的心電圖［9］。圖2為RFID系統(tǒng)工作原理框圖。

圖2 RFID系統(tǒng)工作原理框圖

3 基于MATLAB的心電監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將患者心電數(shù)據(jù)無線傳輸至PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中后，可應(yīng)用MATLAB的小波分析工具箱，對實(shí)時(shí)采集的心電信號進(jìn)行簡單的參數(shù)和波形檢測，并在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)動態(tài)顯示心電信號［10-12］。如圖3、圖4所示，該心電監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的Windows窗口界面風(fēng)格，主要由系統(tǒng)設(shè)置、心電采集、心電分析、幫助等功能模塊組成。

圖3 心電信號的動態(tài)顯示界面

圖4 心電信號的分析界面

3．1 系統(tǒng)設(shè)置

進(jìn)入系統(tǒng)后，可以隨時(shí)對被監(jiān)測患者的基本信息資料進(jìn)行查詢、修改、保存、打印等操作。

3．2 心電采集及分析

實(shí)現(xiàn)心電信號的采集、預(yù)處理以及分析顯示。小波變換非常適用于分析心電信號這種非平穩(wěn)信號，應(yīng)用MATLAB小波分析工具箱，可對實(shí)時(shí)采集的心電信號進(jìn)行簡單的參數(shù)和波形檢測。

3．3 幫助

幫助模塊分為兩部分功能:

3．1．1 在線幫助對系統(tǒng)進(jìn)行較詳盡的操作說明，給予使用者在線幫助。

3．1．2 專家咨詢功能以調(diào)用chm文件的方式，詳盡介紹了常用心電監(jiān)測的理論知識，這有利于普通使用者進(jìn)一步學(xué)習(xí)和了解心電監(jiān)測理論知識。

基于RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的便攜式心電監(jiān)測系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)了心電監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸，還在MATLAB環(huán)境中簡單實(shí)現(xiàn)了心電數(shù)據(jù)的家庭化分析。這可以使得患者在不受活動限制的同時(shí)讓醫(yī)師能夠隨時(shí)監(jiān)測其心電圖;而且患者也可以在家中通過基于MATLAB的簡易心電監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行自身心電圖分析。醫(yī)院試用表明，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性，具有一定的推廣價(jià)值。另外，如果在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使得不同RFID標(biāo)簽電子編碼對應(yīng)不同病人ID，不同讀卡器對應(yīng)不同的區(qū)域ID，則系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在同一個區(qū)域(如醫(yī)院病房區(qū))對多個不同的患者的同時(shí)跟蹤和心電監(jiān)測。

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