米俊英，龐宇（重慶郵電大學(xué)光電信息感測(cè)與傳輸技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065）

遠(yuǎn)程心率變異性分析服務(wù)端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

米俊英，龐宇
（重慶郵電大學(xué)光電信息感測(cè)與傳輸技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065）

摘要：基于市場(chǎng)上現(xiàn)有的心率變異性分析儀器價(jià)格昂貴，可移動(dòng)性差的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了與手機(jī)客戶端交互的遠(yuǎn)程心率變異性分析服務(wù)端。采用超文本傳輸協(xié)議與手機(jī)客戶端通信，可穩(wěn)定接收用戶上傳的心電數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及心率變異性分析，并將分析結(jié)果及時(shí)返回給客戶端的同時(shí)進(jìn)行保存，以便用戶進(jìn)行歷史記錄查詢。圍繞實(shí)現(xiàn)過(guò)程，闡述了交互業(yè)務(wù)流程和關(guān)鍵算法。測(cè)試結(jié)果表明，用戶可隨時(shí)上傳心電數(shù)據(jù)獲取心率變異性分析結(jié)果或查詢歷史測(cè)試記錄，對(duì)當(dāng)前及近期的身體狀況進(jìn)行評(píng)估。

關(guān)鍵詞：心率變異性；交互業(yè)務(wù)；遠(yuǎn)程服務(wù)器端

0　引言

心率變異性（heart rate variability， HRV）是指逐次心跳時(shí)間周期的不一致性。HRV可以反映自主神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)心臟和血管調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)平衡的無(wú)創(chuàng)性指標(biāo)，對(duì)評(píng)價(jià)心血管疾病進(jìn)程中自主神經(jīng)功能具有重要的臨床價(jià)值，可以作為預(yù)測(cè)某些心血管疾病的指標(biāo)之一［1-3］。HRV與情緒狀況的變化是密切相關(guān)的，尤其是在憤怒、沮喪、焦慮等狀態(tài)下，其變化尤為明顯［4，5］。

心血管病具有間歇性、突發(fā)性等特點(diǎn)，只有進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)分析才能對(duì)病情有所幫助。然而傳統(tǒng)的HRV分析設(shè)備價(jià)格昂貴，可移動(dòng)性差，只有一些醫(yī)療結(jié)構(gòu)配備，使得用戶只有到特定的醫(yī)療場(chǎng)所進(jìn)行檢測(cè)。這樣的設(shè)備不能滿足用戶隨時(shí)隨地進(jìn)行心電監(jiān)測(cè)分析的需求。

20世紀(jì)90年代，移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的研究開(kāi)始展開(kāi)[6]。隨著便攜式設(shè)備的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的擴(kuò)增，為了實(shí)現(xiàn)HRV分析智能化、便攜化，設(shè)計(jì)并搭建了一款與智能手機(jī)交互的遠(yuǎn)程HRV分析服務(wù)器。該服務(wù)器可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收手機(jī)客戶端上傳的實(shí)時(shí)心電數(shù)據(jù)并將HRV分析結(jié)果返回給客戶端的同時(shí)進(jìn)行記錄保存，為用戶實(shí)時(shí)或近期的心血管狀況評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。

1　總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

服務(wù)端充當(dāng)C/S結(jié)構(gòu)中的server端，采用http協(xié)議通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)客戶端進(jìn)行交互。服務(wù)端整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該服務(wù)端可對(duì)手機(jī)客戶端上傳的實(shí)時(shí)心電數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、保存，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、HRV分析，之后將分析結(jié)果返回到客戶端，同時(shí)保存一份到數(shù)據(jù)庫(kù)以便客戶端以后進(jìn)行歷史記錄查詢。該服務(wù)端采用MVC框架設(shè)計(jì)，并根據(jù)業(yè)務(wù)需求分為交互服務(wù)模塊、HRV分析模塊和數(shù)據(jù)服務(wù)模塊。組成部分具體描述如下：

（1）交互服務(wù)模塊

交互服務(wù)模塊負(fù)責(zé)與手機(jī)客戶端的交互。根據(jù)用戶請(qǐng)求通過(guò)調(diào)用HRV分析模塊和數(shù)據(jù)服務(wù)模塊完成和手機(jī)客戶端的交互。

（2）HRV分析模塊

HRV分析模塊負(fù)責(zé)對(duì)用戶上傳的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行HRV分析。將交互服務(wù)模塊傳遞過(guò)來(lái)的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行HRV分析，得到分析結(jié)果。

（3）數(shù)據(jù)服務(wù)模塊

數(shù)據(jù)服務(wù)模塊負(fù)責(zé)與手機(jī)客戶端交互過(guò)程中數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)與提取。根據(jù)交互服務(wù)模塊或HRV分析模塊的請(qǐng)求，通過(guò)操作數(shù)據(jù)庫(kù)為交互過(guò)程提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖1　服務(wù)端總體結(jié)構(gòu)框架Fig.1 Structure framework of server

2　交互服務(wù)模塊設(shè)計(jì)

該服務(wù)端作為手機(jī)客戶端的后臺(tái)服務(wù)器使用。手機(jī)客戶端可通過(guò)get或post訪問(wèn)URL的方式向服務(wù)器發(fā)送相關(guān)請(qǐng)求獲得服務(wù)器相應(yīng)響應(yīng)。手機(jī)用戶狀態(tài)圖如圖2所示，手機(jī)用戶注冊(cè)成功登陸系統(tǒng)后，可上傳實(shí)時(shí)心電數(shù)據(jù)得到HRV分析結(jié)果，也可查詢歷史測(cè)試記錄查看近期HRV變化趨勢(shì)。根據(jù)需求，主要包括上傳數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)和歷史記錄查詢業(yè)務(wù)。

圖2　手機(jī)用戶狀態(tài)圖Fig.2 Mobile phone user’ state diagram

2.1上傳數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)

用戶登錄成功后，就可將心電數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到服務(wù)器。服務(wù)器交互模塊接收到用戶上傳的心電數(shù)據(jù)后首先驗(yàn)證數(shù)據(jù)的格式及完整性。驗(yàn)證通過(guò)后將數(shù)據(jù)傳送到HRV分析模塊并備份到數(shù)據(jù)服務(wù)模塊。HRV分析模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，將分析結(jié)果由交互模塊轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端進(jìn)行顯示的同時(shí)備份到數(shù)據(jù)服務(wù)模塊。分析結(jié)果包括HRV時(shí)域參數(shù)，頻域參數(shù)，及非線性參數(shù)。

2.2歷史業(yè)務(wù)查詢業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期的心電檢測(cè)有利于對(duì)心血管狀況做出整體評(píng)估，用戶可通過(guò)歷史查詢業(yè)務(wù)來(lái)了解HRV變化趨勢(shì)。為了用戶體驗(yàn)良好，手機(jī)客戶端會(huì)將歷史記錄以列表的形式顯示。作為手機(jī)客戶端的后臺(tái)服務(wù)器，為了使歷史記錄在手機(jī)客戶端以ExpandableListView顯示，服務(wù)端通過(guò)session記錄當(dāng)前用戶的部分操作。用戶進(jìn)行歷史測(cè)試記錄查詢時(shí)，服務(wù)端首先判斷用戶是否處于在線狀態(tài)，若用戶在線則將用戶所有測(cè)試日期返回并由手機(jī)客戶端生成列表。根據(jù)用戶發(fā)送的特定日期記錄的請(qǐng)求參數(shù)返回該日期下所有測(cè)試時(shí)間到客戶端，并記錄該日期在session中，之后將用戶發(fā)送的特定測(cè)試時(shí)間記錄請(qǐng)求參數(shù)和session中的參數(shù)合并后通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)模塊查詢記錄并返回測(cè)試記錄到手機(jī)客戶端。

3　HRV分析模塊設(shè)計(jì)

HRV分析模塊接收交互服務(wù)模塊傳遞來(lái)的心電數(shù)據(jù)后，首先通過(guò)對(duì)QRS波中R波進(jìn)行準(zhǔn)確定位得到HRV信號(hào)，之后利用相關(guān)算法得到HRV參數(shù)。HRV分析模塊狀態(tài)圖如圖3所示。

圖3　HRV分析模塊狀態(tài)圖Fig.3 HRV analysis module state diagram

3.1R波識(shí)別

R波的準(zhǔn)確定位是心電信號(hào)分析的前提，但采集的心電信號(hào)一般存在工頻干擾、電極接觸噪聲、肌電干擾和人為運(yùn)動(dòng)干擾等噪聲，給R波檢測(cè)帶來(lái)困難［7］。常用的R波檢測(cè)算法主要有小波變換法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和差分閾值法［8，9］。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和小波變換法的算法相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性差［10，11］。本設(shè)計(jì)考慮到與手機(jī)客戶端交互的實(shí)時(shí)性，采用差分閾值法結(jié)合動(dòng)態(tài)窗函數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)R波的準(zhǔn)確定位。QRS波群中的R波在上升或者下降波形的斜率變化最大，其中一階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)或者二階導(dǎo)數(shù)的極值點(diǎn)位置即是QRS波群中R波的位置。因此，對(duì)處理后的心電信號(hào)采用一階差分或二階差分，再結(jié)合時(shí)間窗口和幅度閾值即可判斷R波的位置［12］。

3.2HRV參數(shù)提取

本設(shè)計(jì)中HRV信號(hào)為相鄰兩個(gè)RR間期組成的序列，分別通過(guò)時(shí)域分析、頻域分析及非線性分析獲取相關(guān)HRV參數(shù)［13-15］。(1)時(shí)域分析：采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行HRV時(shí)域分析。統(tǒng)計(jì)學(xué)方法根據(jù)相關(guān)公式獲取時(shí)域參數(shù)SDNN (RR間期標(biāo)準(zhǔn)差)、RMSSD （相鄰RR間期標(biāo)準(zhǔn)差）、NN50（所有RR間期中相鄰的RR間期之差大于50ms的心搏個(gè)數(shù)）及pNN50（相鄰RR間期之差大于50ms的個(gè)數(shù)占所有RR間期個(gè)數(shù)的百分比）。（2）頻域分析：采用周期圖法進(jìn)行頻域分析獲取HRV頻域參數(shù)TP（總頻率功率）、HF（高頻功率）、LF（低頻功率）、VLF（超低頻功率）、LF/HF（低頻功率與高頻功率之比）。（3） 非線性分析：采用散點(diǎn)圖法獲得繪制散點(diǎn)分布圖數(shù)據(jù)，用于定性分析HRV。

4　數(shù)據(jù)服務(wù)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)服務(wù)模塊負(fù)責(zé)服務(wù)端與手機(jī)客戶端交互過(guò)程中數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)與提取。數(shù)據(jù)信息主要為用戶身份信息、心電數(shù)據(jù)和HRV分析結(jié)果數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)服務(wù)效率，采用了JDBC和數(shù)據(jù)庫(kù)連接池技術(shù)操作數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)表包括Users表和Files表。Users表保存用戶的基本身份信息。表中的ID號(hào)通過(guò)UUID算法生成保證唯一，用戶密碼通過(guò)MD5算法進(jìn)行加密保證用戶信息安全。Files表通過(guò)將user_id字段設(shè)置為外鍵來(lái)關(guān)聯(lián)Users表，用于保存當(dāng)前用戶每次測(cè)量的相關(guān)數(shù)據(jù)。字段date和time保存測(cè)試時(shí)間；字段result保存HRV分析結(jié)果。用戶上傳的心電數(shù)據(jù)以文件的形式保存在硬盤(pán)中，字段location記錄心電數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)路徑。Users表結(jié)構(gòu)及Files表的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Database table structure diagram

5　測(cè)試結(jié)果

本服務(wù)器端采用Mysql5.5數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)保存容器，tomcat8.0作為運(yùn)行容器并搭建在阿里云服務(wù)器上。作為手機(jī)客戶端的后臺(tái)服務(wù)器，數(shù)據(jù)顯示部分由手機(jī)客戶端完成。本實(shí)驗(yàn)征集多名自愿者通過(guò)Android智能手機(jī)對(duì)該服務(wù)端進(jìn)行測(cè)試。

5.1上傳數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)測(cè)試

手機(jī)客戶端通過(guò)OTG線接收實(shí)時(shí)采集的5分鐘心電數(shù)據(jù)，采集完畢將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器并將服務(wù)器返回的分析結(jié)果數(shù)據(jù)生成分析報(bào)告。測(cè)試數(shù)據(jù)將近1M，在4M帶寬WiFi環(huán)境下從上傳開(kāi)始到收到分析報(bào)告的過(guò)程約需12秒，在可接受的范圍之內(nèi)。

對(duì)于相同的測(cè)試數(shù)據(jù)，Matlab仿真的R波位置和服務(wù)端環(huán)境下R波位置幾乎完全一致，其中的誤差相對(duì)于RR間期可以忽略不計(jì)，對(duì)心率變異性的分析幾乎不會(huì)造成影響。表1為三位自愿者心電數(shù)據(jù)Matlab仿真的R波位置和服務(wù)端環(huán)境下R波位置的統(tǒng)計(jì)對(duì)比。

表1　Matlab和服務(wù)端R波位置的統(tǒng)計(jì)

在R波準(zhǔn)確定位的前提下，根據(jù)HRV計(jì)算公式得到HRV時(shí)域及頻域參數(shù)，與Matlab仿真數(shù)據(jù)誤差不超過(guò)1%。表2，表3為其中三位志愿者獲得的HRV時(shí)域及頻域參數(shù)。

表2　HRV時(shí)域參數(shù)

表3　HRV頻域參數(shù)

5.2歷史記錄查詢業(yè)務(wù)測(cè)試。

手機(jī)客戶端將服務(wù)器返回的測(cè)試日期數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，點(diǎn)擊其中某一日期記錄，服務(wù)器會(huì)將該日期的測(cè)試時(shí)間返回，之后點(diǎn)擊選定的時(shí)間列表項(xiàng)，服務(wù)器會(huì)將指定時(shí)間的詳細(xì)測(cè)試數(shù)據(jù)返回到客戶端并由手機(jī)客戶端顯示。歷史記錄顯示界面如圖6所示。

圖6　歷史記錄顯示界面Fig.6 History display interface

6　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了用于遠(yuǎn)程HRV分析的服務(wù)器端，并對(duì)交互方式及所用算法進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)及描述，最后通過(guò)手機(jī)客戶端對(duì)該服務(wù)端進(jìn)行了功能驗(yàn)證。該服務(wù)端作為手機(jī)客戶端服務(wù)后臺(tái)，不僅能對(duì)用戶實(shí)時(shí)心電數(shù)據(jù)進(jìn)行HRV分析，為心血管狀況提供數(shù)據(jù)支持，還能夠?qū)⒂脩粼夹碾姅?shù)據(jù)及HRV分析結(jié)果進(jìn)行長(zhǎng)期存儲(chǔ)，有利于用戶長(zhǎng)期健康評(píng)估。該設(shè)計(jì)促進(jìn)了心電檢測(cè)設(shè)備便攜化，具有普適的應(yīng)用前景。今后的工作中，將為醫(yī)生提供相應(yīng)服務(wù)，方便醫(yī)生對(duì)患者進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)和服務(wù)。

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Email：13638344878@163.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:[CLC Number] TP274[Document Code] A10.11967/2016140310 10.11967/2016140310

基金項(xiàng)目：?國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61471075）

作者簡(jiǎn)介：米俊英（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)轶w征參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

Design and Implementation of Remote Heart Rate Variability Analysis Server

Junying Mi， Yu Pang
（ Chongqing Municipal Level Key Laboratory of Photoelectric Information Sensing and Transmitting Technology，Chongqing400065， China ）

Abstract:Because of heart rate variability analysis instruments are expensive and heavy until today, a remote heart rate variability analysis Server was designed. The server use hypertext transfer protocol to communicate with mobile clients and can receive the electrocardiograph data from the users uploaded stably. After storing and analyzing the electrocardiograph data, the server can return the analysis results to the mobile clients and storage the results, thus making user query the history in the future. As to the implementation of the server, some interactive business process and key algorithms used in its implementation were expounded. The test results show that users can get the analysis result of heart rate variability after they upload electrocardiograph data and get history information from the server. In this way, users can use the data to evaluate themselves physical conditions currently or recently.

Key Words:Heart rate variability; Interactive business; Remote server