陳心浩，馬 恒，陳軍波

(中南民族大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，武漢 430074)

據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界人口中心臟病和心血管疾病的發(fā)病率在10%～30%之間，并逐年呈上升趨勢(shì).心臟病作為常見(jiàn)的慢性疾病越來(lái)越受到人們的重視，因此對(duì)心臟病的檢查和預(yù)防具有非常重要的意義[1].

目前使用的心電監(jiān)護(hù)儀一般是通過(guò)線纜連接實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的傳輸，這樣的設(shè)計(jì)大大限制了被測(cè)人員的活動(dòng)自由[2].隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，近年來(lái)，一些科研院所研發(fā)出便攜式無(wú)線心電監(jiān)護(hù)設(shè)備，如基于ZigBee的心電監(jiān)護(hù)儀.它們雖然可以實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，但其價(jià)格較高，難以普及推廣.

本文提出了一個(gè)基于Android平臺(tái)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，充分利用智能移動(dòng)終端，結(jié)合心電采集模塊、藍(lán)牙接口、3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等，完成心電數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析處理以及網(wǎng)絡(luò)傳輸，大大降低監(jiān)護(hù)成本，并提高心電監(jiān)護(hù)的便捷性.

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于Android的移動(dòng)式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示.本系統(tǒng)分為心電采集板、Android智能手機(jī)及遠(yuǎn)程醫(yī)療中心.

圖1 系統(tǒng)的總體框圖Fig.1 The overall block diagram of the system

2 心電采集板設(shè)計(jì)

心電采集板由微控制器、信號(hào)的采集及預(yù)處理電路、電源、串口藍(lán)牙電路、SD卡、LED指示器等部分組成.在本設(shè)計(jì)中，選用功耗低、處理能力強(qiáng)、含有ARM32內(nèi)核Cortex-M3的微控制器STM32F103ZET6[3]，以及TI公司推出的24位心電信號(hào)處理模擬前端ADS1298.在STM32F103控制下，ADS1298完成心電信號(hào)提取、放大、濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，STM32F103將轉(zhuǎn)換后的ECG進(jìn)行數(shù)字濾波后再存儲(chǔ)至SDCARD.STM32F103通過(guò)擴(kuò)展的藍(lán)牙通信接口電路實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)至Android智能手機(jī)之間的無(wú)線通信.下面分3個(gè)部分進(jìn)行介紹：ADS1298外圍電路設(shè)計(jì)、藍(lán)牙串口電路設(shè)計(jì)及心電信號(hào)的數(shù)字濾波處理.心電采集板的框圖如圖2所示.

圖2 心電采集板框圖Fig.2 Diagram of the ECG acquisition boards

圖3 ADS1298初始化流程圖Fig.3 Flow chart of ADS1298 initialization

2.1 ECG信號(hào)的檢測(cè)與提取

為了降低ECG采集系統(tǒng)的功耗并提高系統(tǒng)的便攜性和可靠性，本文采用TI的低功耗模擬前端ADS1298完成心電信號(hào)的采集與處理.ADS1298包含 8 個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、8 個(gè)可編程增益放大器 (PGA)、8 個(gè)有源濾波器以及速度檢測(cè)接口、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)、參考電壓與右腿驅(qū)動(dòng) (RLD).ADS1298在STM32控制器下，完成心電信號(hào)采集、放大濾波以及A/D轉(zhuǎn)換[4].

ADS1298作為SPI從設(shè)備掛載在STM32的SPI1外設(shè)上.由于ADS1298是高度集成化的模擬前端，內(nèi)部模塊較多，必須嚴(yán)格按照其初始化時(shí)序進(jìn)行操作才能保證采集到的數(shù)據(jù)的穩(wěn)定.ADS1298初始化流程圖如圖3.

2.2 藍(lán)牙串口電路設(shè)計(jì)

智能手機(jī)標(biāo)配藍(lán)牙、WIFI通信接口.本系統(tǒng)選擇藍(lán)牙通信方式實(shí)現(xiàn)STM32單片機(jī)與Android手機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互.藍(lán)牙模塊外圍電路圖如圖4，STM32單片機(jī)將采集到的心電數(shù)據(jù)以異步通信的方式發(fā)送給藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至手機(jī).本系統(tǒng)中串口通信的波特率設(shè)置為9600bit/s，工作方式設(shè)置為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，0位校檢位[5].

圖4 藍(lán)牙模塊外圍電路Fig.4 Bluetooth module peripheral circuit

2.3 數(shù)字濾波算法實(shí)現(xiàn)

經(jīng)ADS1298模擬前端處理過(guò)的數(shù)據(jù)會(huì)受到呼吸、工頻等噪聲的影響，因此傳感器采集到的數(shù)據(jù)需采用數(shù)字濾波器進(jìn)行進(jìn)一步處理[6].

為濾除高頻噪聲，利用Matlab的Filter Tool設(shè)計(jì)了IIR巴特沃斯數(shù)字低通濾波器，其技術(shù)指標(biāo)為Fp=100Hz，F(xiàn)s=102Hz，Ap=1dB,As=80dB.

為濾除呼吸等低頻干擾，消除基線漂移，設(shè)計(jì)切比雪夫高通濾波器，技術(shù)指標(biāo)為Fs=0.5Hz，F(xiàn)p=4Hz，Ap=1dB，As=80dB.

為了濾除工頻干擾，設(shè)計(jì)了50Hz陷波器，技術(shù)指標(biāo)為Fs1= 49Hz，F(xiàn)p1= 48Hz，F(xiàn)s2= 51Hz，F(xiàn)p2=52Hz，Ap1= 0.5dB，As= 60dB，Ap2=1dB.圖5為濾波前后的心電信號(hào)波形.

圖5 處理前后的心電圖Fig.5 ECG before and after processing

3 Android客戶端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

Android客戶端應(yīng)用程序在Android4.0操作系統(tǒng)平臺(tái)下開發(fā)完成，主要包括客戶端的界面設(shè)計(jì)和功能應(yīng)用程序設(shè)計(jì).客戶端主要實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)及上傳等功能.

3.1 客戶端的界面設(shè)計(jì)

客戶端界面用來(lái)與用戶友好地進(jìn)行心電數(shù)據(jù)信息交互.在界面設(shè)計(jì)中，根據(jù)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)需求分析，界面設(shè)計(jì)部分可以從以下幾個(gè)部分展開：登陸界面、注冊(cè)界面、主功能界面、心電波形顯示界面.在交互界面設(shè)計(jì)中，采用MVC架構(gòu)實(shí)現(xiàn)客戶端界面設(shè)計(jì)[7]，將布局文件和界面的動(dòng)態(tài)顯示代碼完美分離開，交互界面設(shè)計(jì)更加靈活多變，提高了設(shè)計(jì)效率.客戶端界面設(shè)計(jì)流程圖如圖6.

圖6 客戶端界面設(shè)計(jì)流程圖Fig.6 Client interface design flow chart

3.2 客戶端功能應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

功能應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要完成心電數(shù)據(jù)的接收、處理.Android手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙與心電采集板完成通信，實(shí)時(shí)顯示分析心電波形，并完成心電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和上傳.

3.2.1 心電數(shù)據(jù)的接收

智能手機(jī)藍(lán)牙與心電采集板藍(lán)牙連接成功后，智能手機(jī)開始發(fā)送控制傳感器節(jié)點(diǎn)命令給心電采集板開始采集心電數(shù)據(jù).智能手機(jī)客戶端通過(guò)藍(lán)牙接收心電采集板采集到的心電數(shù)據(jù)流，并實(shí)時(shí)顯示心電波形.

客戶端程序設(shè)計(jì)中，主線程負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)進(jìn)行心電數(shù)據(jù)監(jiān)控，包括實(shí)時(shí)的心率顯示和心電波形顯示.數(shù)據(jù)的接收和處理不能放主線程中，當(dāng)心電采集板與智能手機(jī)建立連接后，客戶端將會(huì)開辟新的工作線程(WorkThread)用于數(shù)據(jù)的接收和處理.主線程和工作線程的數(shù)據(jù)交互主要依靠Android的Handler-Message機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)[8].

利用InputStream.read(byte[])方法接收心電采集板中的心電數(shù)據(jù)，通過(guò)OutputStream.write(bytes[])方法發(fā)送寫控制命令實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的采集.流程圖如圖7.

圖7 心電數(shù)據(jù)控制傳輸流程圖Fig.7 ECG data flow chart of control transfer

3.2.2 心電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保存

心電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要負(fù)責(zé)管理用戶身份信息和心電數(shù)據(jù)信息，通過(guò)統(tǒng)一的接口和服務(wù)，為上層界面應(yīng)用提供高效的數(shù)據(jù)支持，提高數(shù)據(jù)的讀寫效率.為方便進(jìn)一步診斷，可上傳到遠(yuǎn)程醫(yī)療終端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù).

程序設(shè)計(jì)選擇用File方式存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)，并選擇外部存儲(chǔ)方式將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中.首先通過(guò)藍(lán)牙套接字BluetoothSocket的getInputStream()方法獲得心電數(shù)據(jù)的輸入流InputStream().然后調(diào)用輸入流的read方法將從輸入流中心電數(shù)據(jù)取出，通過(guò)OutputStream的write方法把數(shù)據(jù)寫入指定文件，也可以將數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)用Android百度云客戶端實(shí)現(xiàn)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)上傳到云空間中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享.流程圖如圖8.

圖8 心電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖Fig.8 the flow chart of ECG data storage

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

系統(tǒng)開啟后，智能手機(jī)不斷監(jiān)聽本地藍(lán)牙端口，通過(guò)BluetoothSocket接收心電采集板上發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，在智能手機(jī)上顯示單導(dǎo)聯(lián)模式下心電圖的效果，并采用支持雙緩沖、多線程技術(shù)的SurfaceView在屏幕上繪出相應(yīng)的心電波形.存儲(chǔ)的心電數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)上傳到百度云空間，醫(yī)務(wù)人員可以通過(guò)PC機(jī)在百度云客戶端查詢到心電數(shù)據(jù)，并可以更好的對(duì)用戶的心電圖做出及時(shí)有效地分析處理.心電波形圖如圖9.

圖9 心電波形及分析結(jié)果Fig.9 ECG waveform and analysis result

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)基于Android 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)心電信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)云存儲(chǔ)完成遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)，提高了醫(yī)院資源利用率和降低了就醫(yī)成本.基于Android的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)應(yīng)用在遠(yuǎn)程醫(yī)療、移動(dòng)監(jiān)護(hù)、健康管理方面具有廣泛的應(yīng)用前景.

參 考 文 獻(xiàn)

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[2] 陳 昊.基于移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)域協(xié)同心血管疾病急救模式研究[D].重慶：第三軍醫(yī)大學(xué)博士學(xué)位論文，2012.

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